ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для измерения расхода электропроводящих текучих сред и может быть использовано для измерения и контроля расхода электропроводящих жидкостей в горнодобывающей, химической, металлургической промышленности, пищевой отрасли, жилищно-коммунальном хозяйстве и других секторах производственного значения.
Наиболее полно электромагнитные расходомеры (теоретически, конструктивно, схемно) рассмотрены в работах [1, 2]. В работе [2] описаны электромагнитные расходомеры (ЭМР) зондового типа для контроля потоков воды в трубопроводах большого диаметра (100...1000 мм). Преобразователь скорости ЭМР включает в себя чувствительный элемент, состоящий из электромагнита, создающего магнитное поле и двух изолированных измерительных электродов, расположенных на внешней цилиндрической поверхности тела обтекания диаметрально противоположно друг другу. Чувствительный элемент (тело обтекания), осевая линия которого совпадает с направлением потока вдоль трубопровода, с помощью штанги устанавливается в точке полости трубопровода на расстоянии 0,242R от внутренней стенки трубы (R - внутренний радиус трубы). При движении жидкости на электродах согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, прямо пропорциональная местной (в точке) скорости потока. Электронный блок ЭМР преобразует напряжение в частоту, а статическая характеристика преобразования ЭМР принимает вид
где f - частота на выходе электронного блока;
k - коэффициент преобразования прибора;
Q - измеряемый расход жидкости.
Данная конструкция зондового ЭМР имеет следующие недостатки:
- при переходе на малые диаметры трубопроводов (менее 100 мм.) становится проблематичным установка и фиксирование на заданной глубине преобразователя скорости внутри трубопровода;
- избыточная плотность магнитных силовых линий в зоне действия полюсов электромагнитной системы ЭМР подобной конструкции становится (с течением времени) причиной формирования на цилиндрической поверхности чувствительного элемента (в зоне действия полюсов) слоя, представляющего собой спрессованные электропроводящие частицы, которыми изобилует вода (речная, особенно в определенные сезоны времени, вода промышленного назначения и даже питьевая вода). В конечном итоге этот электропроводящий слой шунтирует сигнал с выхода измерительных электродов, ослабляя его, что значительно увеличивает погрешность измерения расхода.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому электромагнитному расходомеру является электромагнитный расходомер по свидетельству на полезную модель [3]. ЭМР содержит первичный преобразователь расхода зондового типа, выполненный в виде тела обтекания из изоляционного материала, цилиндрический по форме и с герметично размещенной внутри тела обтекания катушкой индуктивности с сердечником, электронный блок, полую штангу, с одним из концов которой преобразователь расхода соединен жестко и соосно, два измерительных электрода, диаметрально противоположных друг другу на внешней цилиндрической поверхности тела обтекания для контактирования с измеряемой жидкостью. Данный ЭМР относится к расходомерам лубрикаторного типа, конструкция которого позволяет проводить техническое обслуживание датчика расхода (первичного преобразователя) без остановки подачи измеряемой среды. Чувствительный элемент (тело обтекания) ЭМР вводится и фиксируется в трубопроводе с помощью штанги перпендикулярно набегающему потоку. Принцип действия ЭМР данной конструкции аналогичен описанному выше, а конструкция
расходомера свободна от указанных недостатков, присущих расходомерам, чувствительные элементы (ЧЭ) которых расположены (по осевой линии) вдоль трубопровода.
Тем не менее и конструкция ЭМР (прототипа) имеет недостаток, который, как было замечено, проявляется при измерениях малых расходов, причем погрешность измерения достигает значительных размеров (до 20-ти процентов).
Исследования показали, что причиной такой погрешности является возникновение, при определенных условиях, за телом обтекания возвратного движения жидкости [4], которое проявляется в виде вихрей, воздействующих вторично на измерительные электроды, благодаря чему происходит компенсация полезного сигнала, что и вызывает значительную погрешность измерения расхода.
В нашем случае описанная выше теория [4] вихреобразования вполне применима к техническому решению [3], взятому нами за прототип, в котором измерительные электроды расположены на цилиндрической поверхности тела обтекания диаметрально противоположно друг другу, и она позволяет ответить на следующие вопросы:
- почему при турбулентном режиме течения потока (высокие линейные скорости, до 8,0 м/с) в трубопроводе воздействия возвратного течения жидкости (в виде вихрей) на измерительные электроды не наблюдается, а измерения расхода производятся с минимальной погрешностью;
- почему при ламинарном режиме течения (малые линейные скорости, до 0,15 м/с) в этом же трубопроводе и при этом же диаметре тела обтекания наблюдается воздействие возвратного течения жидкости (в виде вихрей) на измерительные электроды, в результате чего происходит компенсация полезного сигнала и, как следствие, появляется значительная погрешность измерения.
Нами были просчитана гидродинамическая модель распределения приведенной осевой скорости жидкости (смотри фигуру 1) в трубопроводе
(отношение текущей скорости к средней) по дуге от 0° до 180°, радиусом 18,5 мм, центр которой совпадает с осью ЧЭ цилиндрической поверхности тела обтекания диаметром 36 мм, с измерительными электродами, расположенными диаметрально, при входной скорости потока 1 м/с и 0,15 м/с.. Были получены следующие результаты:
- при дуге окружности, равной 90°, приведенные скорости потока равны соответственно 1,52 и 0,85;
- при дуге окружности, равной 70°, скорости потока максимальны и соответственно равны 1,9 и 1,55;
- возникновение обратного течения вихрей происходит соответственно при дугах окружности, равных 120 и 105°.
На наш взгляд, полученные результаты позволяют объяснить причину значительных погрешностей при измерении малых расходов с помощью технического решения - прототипа [3]. Объяснение заключается в следующем. Процесс вихреобразования при больших скоростях (турбулентный режим течения) и при малых скоростях (ламинарный режим течения) в своей физической сущности одинаков, но как показывает рассмотренная выше модель с некоторыми различиями. При малых (ламинарный режим) скоростях (параболический характер распределения скоростей в сечении трубопровода) процесс срыва вихрей происходит раньше, при этом обратным течением вихрей захватываются измерительные электроды, расположенные в зоне сформированного вихря. При турбулентном режиме (равномерное распределение скоростей потока в сечении трубопровода), процесс срыва вихрей происходит, как это было показано выше, значительно позже, тем самым не происходит захвата обратным течением вихря измерительных электродов и соответственно не происходит компенсации полезного сигнала.
Экспериментальные испытания электромагнитного расходомера-прототипа [3] с чувствительным элементом, измерительные электроды которого расположены диаметрально, показали, что погрешность (смотри
фигуру 2) преобразования средней скорости потока, изменяющейся в пределах от 0,15 м/с до 8 м/с, максимальна (до 5%) именно в диапазоне измерения малых скоростей. В работе [5] при рассмотрении процессов вихреобразования за телами обтекания в потоках жидкостей с различными режимами течения доказано, что во всех случаях отрыв турбулентного пограничного слоя происходит в точках, расположенных ниже по течению, чем точки отрыва ламинарного слоя. Этот вывод вполне согласуется с результатами, полученными нами. Следовательно, можно сделать вывод, что расположение измерительных электродов в техническом решении- прототипе выбрано неэффективным, без учета полученных нами результатов.
Таким образом, цель создания заявляемой конструкции электромагнитного расходомера (иначе - требуемый технический результат) заключается в обеспечении известному техническому решению более высоких потребительских свойств, а именно: в обеспечении надежного измерения расходов в области малых значений путем устранения воздействия обратных вторичных завихрений на измерительные электроды чувствительного элемента, в конечном итоге компенсирующих полезный сигнал, снимаемый с выхода измерительных электродов.
Как показывают модельные, стендовые, промышленные испытания и опыт эксплуатации заявляемого электромагнитного расходомера- прототипа, требуемый технический результат достигается тем, что в известном электромагнитном расходомере, согласно прототипу, содержащем первичный преобразователь расхода зондового типа, выполненный в виде тела обтекания из изоляционного материала, цилиндрической формы и с герметично размещенной внутри тела обтекания катушкой индуктивности с сердечником, электронный блок, полую штангу, с одним из концов которой преобразователь расхода соединен жестко и соосно, два измерительных электрода, пространственно расположенных в плоскости, перпендикулярной оси тела обтекания на внешней поверхности тела обтекания для контактирования с измеряемой жидкостью, угол α, лежащий в плоскости
электродов, образованный прямыми, проходящими через центры электродов с вершиной, лежащей на оси тела обтекания со стороны набегающего потока, составляет 120...160°.
Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующим предлагаемое устройство-электромагнитный расходомер) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных решений с теми же свойствами при несомненной промышленной применимости предполагает соответствие заявляемого объекта критериям полезной модели.
На фигуре 3 приведен (схематично) общий вид электромагнитного расходомера; на фигуре 4 - сечение фигуры 1 в разрезе А-А.
Электромагнитный расходомер состоит (смотри фигуры 3 и 4) из первичного преобразователя 1 расхода зондового типа, выполненного в виде тела обтекания из изоляционного материала, цилиндрической формы и с герметично размещенной внутри тела обтекания катушкой 2 индуктивности с сердечником 3, электронного блока 4, полой штанги 5 с одним из концов которой преобразователь расхода соединен жестко и соосно, двух измерительных электродов 6 и 7, пространственно расположенных (смотри фигуру 2) в плоскости, перпендикулярной оси тела обтекания на внешней поверхности тела обтекания для контактирования с измеряемой жидкостью. Жгут электровыводов (на фигурах не показан) соединяет катушку индуктивности 2, измерительные электроды 6 и 7 и электронный блок 4.
Работает электромагнитный расходомер по известному принципу: при движении электропроводящей жидкости на изолированных измерительных электродах 6 и 7 согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, величина которой прямо пропорциональна скорости потока. Последняя поступает на вход электронного блока 4, на выходе которого снимается частотный сигнал (смотри формулу 3), пропорциональный измеряемому расходу Q. Для предотвращения влияния обратных вторичных завихрений
(рециркуляции) на режим измерения малых расходов тело обтекания в зоне установки измерительных электродов 6 и 7 выполнено скошенным (смотри фигуру 4) так, что угол α, лежащий в плоскости измерительных электродов, образованный прямыми, проходящими через центры электродов с вершиной, лежащей на оси тела обтекания со стороны набегающего потока, составляет 120...160°. При такой конструкции чувствительного элемента (тела обтекания) ЭМР измерительные электроды оказываются вне зоны действия обратных (вторичных) завихрений, а погрешность ЭМР в режиме измерения малых расходов жидкости резко уменьшается и становится штатной (нормированной) во всем диапазоне измерения расходов.
Нами были просчитана гидродинамическая модель распределения приведенной осевой скорости жидкости (смотри фигуру 5) в трубопроводе (отношение текущей скорости к средней) по дуге от 0° до 180°, радиусом 18,5 мм, центр которой совпадает с осью ЧЭ цилиндрической поверхности тела обтекания диаметром 36 мм, с измерительными электродами, расположенными под углом α=140° (смотри фигуру 4), при входной скорости потока 1 м/с и 0,15 м/с. При этом был получен следующий результат: при дуге окружности, равной 70°, скорости потока практически совпали, разница скоростей не превышает 0,8. На фигуре 6 изображен график погрешности преобразования средней скорости потока, полученный в результате экспериментальных испытаний заявляемого электромагнитного расходомера, который показывает, во-первых, резкое снижение погрешности преобразования в диапазоне измерения малых расходов, а во-вторых, погрешность преобразования при этом не меняет своего знака, что позволяет ее легко аппроксимировать (смотри фигуру 7). Все это подтверждает работоспособность заявляемого электромагнитного расходомера. Таким образом, применение указанного конструктивного решения позволило создать электромагнитный расходомер зондового типа с вертикальной (относительно оси трубопровода) установкой тела обтекания с
нормированной погрешностью измерения расхода жидкости в области измерения больших и малых расходов в трубопроводах большого диаметра.
Как выяснилось в ходе модельных, сравнительных и экспериментальных работ, совокупность существенных признаков электромагнитного расходомера (в том числе и отличительных), обеспечивает достижение требуемого технического результата при использовании, соответствует критериям «полезной модели» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник, - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 701 с. (стр.408-440).
2. Абрамов Г.С., Барычев А.В. Практическая расходометрия в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». 2002. - 460 с. (стр.203...264).
7
3. РФ, Описание полезной модели по свидетельству №14783, М. кл. G01F 1/58, приоритет 09.03.2000, прототип.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Механика. - М.: «Наука». 1979. - 520 с. (стр.500...506).
5. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики». - М.: Машиностроение, 1978. - 463 с., ил. (стр.415).