ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА
ELECTROMAGNETIC METHOD OF FLOW MEASUREMENT

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода жидких металлов с помощью электромагнитного способа измерения, т.е. способа, основанного на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости.
Измерение расхода жидких металлов необходимо, например, при эксплуатации энергетических установок, где жидкий металл используется в качестве теплоносителя.
Известен способ измерения расхода жидкого металла, протекающего в магнитном поле через стальную немагнитную трубу [1]. Поскольку измерение производится, как правило, при высокой температуре жидкого металла, не применяют электроизоляционного покрытия внутренней поверхности трубы.
Способ состоит в определении расхода жидкого металла по разности потенциалов между двумя электродами, касающимися наружной поверхности трубы в точках, диаметрально противоположно расположенных по линии, перпендикулярной направлению магнитного поля. Недостатком известного способа измерения является шунтирующее действие стенок трубы, приводящее к частичной потере сигнала и низкой точности определения расхода.
Известен электромагнитный способ измерения расхода жидкого металла, протекающего в магнитном поле индуктора через стальную немагнитную трубу, на внешней стенке которой по линии, перпендикулярной направлению магнитного поля, установлены диаметрально противоположно две пары электродов, причем каждая пара электродов имеет потенциальный и токовый электроды [2]. Этот способ измерения расхода жидкого металла предусматривает пропускание через токовые электроды стороннего тока такой величины, при которой напряжение между потенциальными электродами становится равной нулю. В этом случае ток в стенке трубы отсутствует. В качестве меры объемного расхода принимается величина стороннего тока.
Недостатком известного способа [2] является низкая точность измерения расхода, т.к. нестабильность электрического напряжения между электродами, вызванная взаимодействием пульсаций скорости потока жидкого металла с магнитным полем индуктора и появления в связи с этим сигнала помех, затрудняют контроль нулевого напряжения между потенциальными электродами и установку необходимого стороннего тока через токовые электроды.
Предлагаемое изобретение устраняет этот недостаток.
В нем измерение напряжения между потенциальными электродами предлагается производить дважды, один раз при отсутствии стороннего тока через токовые электроды, но при включенном поле индуктора, а второй раз при отключенном поле индуктора, но при наличии стороннего тока определенной величины.
Таким образом, предлагается сторонний ток к электродам подводить в момент, когда магнитное поле индуктора отключено, т.е. контроль тока и напряжения между потенциальными электродами производить, когда отсутствует взаимодействие скорости потока с магнитным полем индуктора и, следовательно, отсутствует сигнал помех.
Рис.1 и рис.2 поясняют предлагаемый способ измерения расхода жидкого металла.
На рис.1 изображена схема расходомера, выполненного по данному предложению. На рис.1 изображено: 1 - стальная немагнитная труба, к которой диаметрально противоположно приварены две пары электродов, 2-2 - потенциальные электроды, 3-3 - токовые электроды. Индуктор расходомера состоит из катушки возбуждения магнитного поля 4 и магнитопровода 5. Ко входу измерительного устройства 6 подсоединены потенциальные электроды. Кроме того, измерительное устройство имеет источник тока, к которому подсоединены токовые электроды 3-3 и катушка возбуждения магнитного поля 4.
На рис.2 приведена упрощенная электрическая эквивалентная схема узла трубопровода расходомера. На схеме приняты следующие обозначения: Е - ЭДС, индуктированная в канале в результате взаимодействия скорости потока с магнитным полем, r - внутреннее сопротивление источника ЭДС (сопротивление жидкого металла), R - сопротивления стенки трубопровода, U - напряжение между электродами, j - сторонний ток.
Процессом измерения расхода управляет измерительное устройство 6. Оно программно периодически переключает источник тока то к индуктору 4, то к токовым электродам 3-3, измеряет напряжения между потенциальными электродами 2-2 и вычисляет объемный расход жидкого металла.
1
Когда включен индуктор, то отсутствует сторонний ток. Тогда напряжение между потенциальными электродами U описывается выражением
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>r</mi><mo>+</mo><mi>R</mi></mrow></mfrac><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Причем ЭДС Е пропорциональна объемному расходу жидкого металла Q, т.е.
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Q</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
Когда выключен индуктор, ток токовым электродам 3-3 подводится сторонний ток от измерительного устройства 6. При этом режиме напряжение между электродами U описывается выражением
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>r</mi><mi>R</mi><mi>j</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>r</mi><mo>+</mo><mi>R</mi></mrow></mfrac><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Из сопоставления выражений (1) и (3) следует, что ЭДС Е можно представить выражением
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mi>r</mi><mi>j</mi><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
Как следует из анализа выражений (1) и (3), напряжения U и U, каждые в отдельности и в одинаковой мере зависят от величины сопротивления стенки канала R, а их отношение остается постоянным вне зависимости от величины R.
Предполагается, что внутреннее сопротивление измеряемой среды r в процессе эксплуатации прибора не изменяется, за исключением ее зависимости от температуры. Достоинство предлагаемого способа измерения состоит в том, что он позволяет определить расход при отсутствии влияния изменения сопротивления стенки трубопровода.
Источники информации
1. Кремлевский П.П. «Измерение расхода многофазных потоков», изд. Машиностроение, Ленинград, 1982.
2. Электромагнитный способ измерения расхода, патент РФ №2308685 от 29.12.2005.