Электромагнитный расходомер жидкого металла
LIQUID METAL ELECTROMAGNETIC FLOW METER

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения расхода электромагнитным методом, и может быть использовано для измерения расхода жидких металлов.
Известен электромагнитный расходомер (см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Издательство «Машиностроение», Ленинград, 1989 г., 701 с., ил.), содержащий трубу, выполненную из немагнитного материала, магнитопровод, две индукционные катушки, расположенные на внешней поверхности трубы диаметрально противоположно друг другу, два электрода, введенные в канал напротив друг друга по диаметру трубы, клеммную колодку, к которой подведены провода от индукционных катушек и от электродов, и металлический кожух, охватывающий всю конструкцию расходомера, т.е. трубу с электродами, магнитопровод, индукционные катушки и клеммную колодку.
Расходомер работает следующим образом. При протекании тока по виткам индукционных катушек в рабочем объеме канала возбуждается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, проходящей через ось электродов и ось канала. При движении электропроводной жидкости по каналу трубы в его рабочем объеме, согласно закону Фарадея, индуцируется электрическое поле, напряженность которого пропорциональна скорости потока измеряемой жидкости. Индуцируемое электрическое поле, используется в качестве меры объемного расхода измеряемой среды и измеряется с помощью двух электродов.
Такое техническое решение является типовым для общепромышленного электромагнитного расходомера и широко используется в приборостроении для измерения расхода электропроводных жидкостей с температурой не более 180-200°С.
Ограничения по температуре, в частности, объясняются тем, что индукционные катушки расположены внутри кожуха в тесном объеме вместе с трубой и при длительной эксплуатации нагреваются приблизительно до температуры, близкой температуре измеряемой среды.
Недостатком указанного расходомера является сложность измерения расхода жидких металлов, рабочая температура которых достигает 300-500°С и более.
Известен электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ №2502053, опубл. 2013.12.20), имеющий трубу, выполненную из немагнитного материала, два электрода, приваренные к внешней поверхности трубы, магнитопровод С-образной формы с двумя полюсными наконечниками и индукционную катушку. У каждого полюсного наконечника указанного расходомера предусмотрена сквозная поперечная прорезь, пролегающая от края полюсного наконечника до места его соединения с магнитопроводом. Поперечная прорезь в полюсном наконечнике указанного расходомера разрывает контуры токов Фуко и устраняет их влияние на результат измерения расхода.
Но наличие таких прорезей может приводить к перераспределению магнитного поля, делая его неоднородным, что является недостатком вышеуказанного устройства.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому устройству, выбранным за прототип, является электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ №2502958, опубл. 2013.12.27), содержащий трубу, выполненную из немагнитного материала, два электрода, магнитопровод с полюсными наконечниками и кожух, внутри которого располагаются индукционная катушка и клеммная колодка. Остальная часть магнитопровода с полюсными наконечниками и труба с электродами расположена вне кожуха, причем кожух имеет отверстие для подвода электродов к клеммной колодке, а труба обмотана теплоизоляционной лентой.
В указанном расходомере единственная индукционная катушка заключена в замкнутый металлический кожух и не охлаждается даже естественным способом.
Для того, чтобы она не перегревалась, в ней должен быть небольшой ток, а, значит, магнитное поле в зазоре может быть недостаточно большим, а чувствительность расходомера недостаточно высокая, особенно на небольших расходах.
На величину магнитного поля в зазоре, а значит и на чувствительность расходомера также влияют токи Фуко, наводящиеся в сердечнике. Чем их наводится меньше, тем меньше потери электромагнитной энергии и больше магнитное поле в зазоре.
Таким образом, недостатками устройства являются:
1. Сложность измерения расхода жидких металлов, рабочая температура которых достигает 300-450°С.
2. Низкая чувствительность расходомера, особенно на небольших расходах.
Целями предлагаемого изобретения являются: измерение расхода жидких металлов, рабочая температура которых достигает 450°С, и повышение чувствительности расходомера и его надежности.
Для достижения этих целей предлагается электромагнитный расходомер, имеющий трубу, выполненную из немагнитного материала и обмотанную теплоизоляционным материалом, два электрода, магнитопровод, индукционную катушку, клеммную колодку и кожух, при этом магнитопровод, состоящий из электрически изолированных пластин, является разборным и имеет Ф-образную форму, а расходомер содержит три клеммные колодки, две индукционные катушки, расположенные на плечах магнитопровода, два кожуха, имеющих трехслойную структуру - металл-минеральная вата-металл, один из которых полностью закрывает магнитопровод, а второй - часть трубы, а основные элементы расходомера крепятся на раму, приваренную к трубе.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что магнитопровод, состоящий из электрически изолированных пластин, является разборным и имеет Ф-образную форму, а расходомер содержит три клеммные колодки, две индукционные катушки, расположенные на плечах магнитопровода, два кожуха, имеющих трехслойную структуру - металл-минеральная вата-металл, один из которых полностью закрывает магнитопровод, а второй - часть трубы, а основные элементы расходомера крепятся на раму, приваренную к трубе.
Сущность предлагаемого решения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где приведены схема конструкции предлагаемого электромагнитного расходомера жидкого металла и фото его общего вида соответственно.
Электромагнитный расходомер жидкого металла состоит из трубы 1, выполненной из нержавеющей стали, с электродами 2, приваренными к внешней поверхности трубы по линии, перпендикулярной линии, соединяющей центры полюсов индуктора.
Расходомер имеет индуктор, состоящий из наборного разъемного магнитопровода Ф-образной формы 3, двух индукционных катушек 4, расположенных на плечах магнитопровода 3, и кожухов 5 и 6.
Кожухи 5 и 6 вмещают в себя целиком магнитопровод 3 и участок трубы 1, соответственно. Колодки 7 для подключения электродов 2 к измерительной системе (на рисунке не показана) и индукционных катушек 4 к источнику тока расположены в холодной зоне.
Труба 1 с электродами 2 обмотана теплоизоляционной лентой 8, например, стеклотканью. Все основные элементы расходомера крепятся на раму 9 при помощи болтовых соединений.
Сама рама 9 жестко крепится к трубе 1 посредством четырех перегородок 10, приваренных к трубе в местах нулевого потенциала.
Рама 9 защищает индукционные катушки 4 от механических повреждений, а также предотвращает сдвиг магнитопровода 3 относительно трубы 1.
Магнитопровод 3 является разъемным по линии 11. Для минимизации немагнитного зазора магнитопровод 3 стягивается при помощи прижимных пластин 12 и шпилек.
Электромагнитный расходомер жидкого металла работает следующим образом.
Через клеммную колодку 7 к индукционным катушкам 4, подключенным последовательно, подводится электрический ток, в результате которого в канале трубы 1 создается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, проходящей через линию, соединяющую электроды 2 и ось трубы 1.
При движении по каналу трубы 1 в жидком металле, пересекающем магнитное поле, возбуждается электрическое поле, которое является мерой объемного расхода и измеряется с помощью электродов 2, приваренных к поверхности трубы 1.
Расходомер выполнен таким образом, что часть трубы и весь магнитопровод расположены в кожухах, которые обладают хорошими теплоизоляционными свойствами за счет трехслойной структуры металл-минеральная вата-металл.
Катушки и клеммные колодки при этом находятся в холодной зоне и могут охлаждаться как естественной конвекцией, так и принудительным обдувом.
Для увеличения чувствительности расходомера на малых расходах, магнитопровод имеет форму буквы Ф, что позволяет использовать две индукционные катушки для увеличения величины магнитного поля в зазоре (рабочее значение - 25 мТл).
Для уменьшения наведения токов Фуко магнитопровод состоит из множества электрически изолированных пластин, также являясь разборным.
Кроме того, участок трубы, расположенный вблизи плоскости электродов и магнитопровода, обматывается теплоизоляционной лентой 8, например стеклотканью для того, чтобы тепло от трубы 1 меньше передавалось магнитопроводу, и чтобы магнитопровод не шунтировал цепь, содержащую электроды.
Для повышения надежности расходомер монтируется на раму, обеспечивающую монолитность конструкции расходомера и защищающую катушки индуктивности от механических повреждений.
Выходные параметры устройства