ВИХРЕВОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
VORTEX ELECTROMAGNET CONVERTER OF LIQUID METAL FLOW

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к средствам контроля потоков жидких металлов, и может быть использовано, например, для измерения расхода и количества жидкометаллических теплоносителей в ядерных энергетических установках.
Известен вихревой электромагнитный преобразователь расхода для электропроводящих жидкостей, принцип работы которого основан на взаимодействии вихревой дорожки Кармана с поперечным магнитным полем, направленным перпендикулярно оси трубопровода (Патент РФ №1838789, кл. 5 G01P 5/08, G01F 1/32, 1992). Устройство содержит участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему, создающую внутри трубы за телом обтекания поперечное магнитное поле, направленное параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных от стенки трубы индикаторных электродов, установленных на внутренней поверхности трубы последовательно вдоль одной образующей трубы, при этом плоскость, в которой лежат указанная образующая и ось трубы, перпендикулярна вектору индукции магнитного поля, а также используемого при подключении измерительной схемы третьего электрода, электрически соединенного с трубопроводом, выполняющего роль заземления или "общей точки".
При соответствующем варианте исполнения индикаторных электродов (см., например, Н.И. Логинов. Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов. М.: Энергоиздат, 1981, с.23-24) устройство может применяться для жидкометаллических потоков. При незначительном влиянии контактного сопротивления на границе жидкий металл - стенка трубы, например в стальной трубе с натриевым теплоносителем, индикаторные электроды могут быть выполнены электроконтактными со стенкой трубы, в том числе, в виде стержней, приваренных на наружной поверхности трубы (Н.И. Логинов. Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов. М.: Энергоиздат, 1981, с.11-18).
Недостатком описанного устройства является низкая чувствительность, что обусловлено неоптимальным размещением электродов в преобразователе, а именно их размещением в области минимальных значений амплитуды пульсаций индуцированного электрического потенциала.
Известен вихревой электромагнитный преобразователь расхода жидкого металла (Патент РФ №2310816 С2, G01F 1/32, G01F 1/58 (2006.01)), содержащий участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему, создающую внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере, один из которых является индикаторным. При этом индикаторный электрод установлен под одним из полюсов магнита на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания, или вблизи от указанной образующей в пределах полосы допуска.
При взаимном расположении тела обтекания и магнитной системы, используемом в преобразователе, геометрическим местоположением точек на стенке трубы, в которых амплитуда колебаний электрического потенциала, индуцированного вихревой дорожкой Кармана, максимальна, является образующая трубы, имеющая пересечение с продольной осью тела обтекания. Соответственно индикаторный электрод в преобразователе следует устанавливать на такой образующей, либо вблизи от нее в пределах полосы допуска, обеспечивающей приемлемую чувствительность устройства (при удалении электрода от указанной образующей трубы снижается амплитуда пульсаций снимаемого электродом потенциала и, соответственно, чувствительность устройства).
Недостатком устройства является необходимость организации канала электроизолированного вывода электрода из-под полюса магнитной системы, что усложняет конструкцию преобразователя. Если при этом полюс выполнен из магнитотвердого сплава, не поддающегося механической обработке (Альтман А.Б, и др. Постоянные магниты. Справочник под редакцией Пятина Ю.М. М., Энергия, 1971), размещение электрода под полюсом тем более усложняется.
Целью изобретения является упрощение конструкции вихревого электромагнитного преобразователя расхода.
Поставленная цель достигается тем, что в вихревом электромагнитном преобразователе расхода жидкого металла, содержащем участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему, создающую внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере, один из которых является индикаторным и установлен на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания, или вблизи от указанной образующей в пределах полосы допуска, чувствительный элемент содержит индикаторный электрод, установленный на выходе потока из магнитной системы рядом с полюсом, прилегающим к поверхности трубы и/или на расстоянии от края полюса, не превышающем 0.4D, где D - внутренний диаметр трубы.
С точки зрения работоспособности указанного индикаторного электрода в заявляемом устройстве, во-первых, отметим, что убывание первичного магнитного поля на выходе потока из магнитной системы происходит постепенно. Кроме того, здесь же наблюдается известный эффект генерации вторичного магнитного поля, индуцируемого концевыми замкнутыми токами, при этом направления первичного (создаваемого магнитной системой) и вторичного магнитных полей совпадают, то есть они суммируются (Дж. Шерклиф, Теория электромагнитного измерения расхода. М., Мир, 1965, с.81; Н.И. Логинов, Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов. М., Энергоиздат, 1981, с.20). В совокупности это увеличивает магнитную индукцию в области потока, контролируемой индикаторным электродом, и амплитуду выходного периодического сигнала преобразователя (вторым может служить электрод, выполняющий роль заземления или "общей точки"),
Таким образом, в заявляемом устройстве существенно упрощается размещение индикаторного электрода и вывод сигнала по сравнению с устройством-прототипом. При этом сохраняется достаточно высокая чувствительность преобразователя.
На прилагаемом чертеже изображена принципиальная схема заявляемого устройства.
Вихревой электромагнитный преобразователь расхода жидкого металла содержит участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой 1, тело обтекания 2 в виде вихреобразующего стержня, продольная ось 3 которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему с полюсами 4, создающую внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции 5, направленную параллельно продольной оси 3 тела обтекания. Чувствительным элементом преобразователя являются приваренные к стенке трубы электроды 6 и 7. Электроды в данном примере устройства установлены последовательно на образующей трубы 8, имеющей пересечение с продольной осью 3 тела обтекания. Электрод 6 является индикаторным и установлен на выходе потока из магнитной системы рядом с полюсом, прилегающим к поверхности трубы. Электрод 7 выполняет роль заземления или "общей точки".
Преобразователь работает следующим образом. Периодический срыв вихрей Кармана с одной и другой сторон тела обтекания 2 вызывает синхронные колебания жидкости на линии диаметра трубы, параллельного продольной оси 3 тела обтекания, и в прилежащей к диаметру области внутритрубного пространства. Эти колебания жидкости направлены перпендикулярно плоскости, в которой лежат оси трубы и тела обтекания. Магнитное поле с составляющей вектора индукции 5, направленной параллельно оси тела обтекания 3 и перпендикулярно направлению указанных поперечных колебаний жидкости, индуцирует синхронные знакопеременные колебания электрического потенциала как на линии диаметра, параллельного оси 3 тела обтекания, и в прилежащей области, так и в электропроводящей стенке трубы. При этом наибольшая амплитуда пульсаций потенциала наблюдается в точках, лежащих на образующей трубы 8, имеющей пересечение с продольной осью 3 тела обтекания, в том числе в месте приварки индикаторного электрода 6.
Выходной сигнал преобразователя с электродов 6 и 7 подается в измерительную схему, где по измеряемому значению частоты пульсаций определяют скорость потока и расход, а по суммарному количеству периодов колебаний за фиксированный промежуток времени определяют количество протекшей жидкости.
Для экспериментальной проверки работоспособности был изготовлен опытный образец устройства с диаметром условного прохода Dy 17 (трубка 20×1.5 мм из нержавеющей стали 12Х18Н10Т). Магнитная система преобразователя включает в себя магнитопровод, магнитные вкладыши из сплава ЮНДК35Т5БА и полюсные наконечники размером 16×16 мм, охватывающие измерительный канал расходомера. Магнитопровод и полюсы выполнены из стали Ст.3. Магнитное поле в контролируемой области направлено главным образом параллельно вихреобразующему стержню. Значение магнитной индукции в центре межполюсного зазора составляет В=0.045 Т.
Индикаторный электрод преобразователя установлен на выходе потока из магнитной системы рядом с полюсом, прилегающим к поверхности трубы. Место приварки индикаторного электрода находится на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания. Второй электрод, выполняющий роль заземления или "общей точки", установлен ниже по направлению потока вне зоны действия магнитного поля.
Устройство было смонтировано в натриевый контур пробоотборной петли реакторной установки БОР-60 и проведены его испытания. Электроды устройства подключались к входу усилителя-преобразователя выходного сигнала. Усиленный сигнал подавался на осциллограф ТЕКТРОНИКС 1002 В, посредством которого проводились визуальный анализ сигнала и измерение частоты регистрируемых колебаний.
3
В результате испытаний, проведенных в диапазоне расхода Q=(0.4-4.0) м/ч при температуре натрия Т=250°С, визуально наблюдали выходной периодический сигнал высокого качества. Соответствующий диапазон измеренных частот составил f=(25-250) Гц. Проверено и подтверждено также, что измеренные значения частоты выходного сигнала и значения расхода натрия связаны между собой прямой пропорциональной зависимостью.
Таким образом, при существенно более простой по сравнению с прототипом конструкции устройства, результаты испытаний заявляемого вихревого преобразователя расхода, проведенных в промышленных условиях, подтверждают его высокую чувствительность и работоспособность.