ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01F1/58 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения расхода электромагнитным способом, и может быть использовано для измерения расхода электропроводных жидкостей в безнапорных трубопроводах (с изменяющимся уровнем заполнения канала).

Известны электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей в безнапорных трубопроводах (с изменяющимся уровнем заполнения канала), имеющие участок трубопровода из немагнитного материала, электромагнитную систему, состоящую из магнитопровода и катушек возбуждения, электроды, контактирующие с измеряемой жидкостью, и измерительное устройство [1].

Недостатком таких расходомеров является сложность их применения для измерения расхода в трубопроводах больших диаметров из-за громоздкости электромагнитной системы.

Этот недостаток устранен в расходомере для трубопроводов больших диаметров с электромагнитными преобразователями скорости, являющимся наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению [2]. Такой расходомер имеет канал трубопровода, магнитопровод, выполненный протяженным по вертикальному диаметру канала трубопровода, катушку возбуждения, витки которой распределены равномерно по всей длине магнитопровода, электроды, находящиеся по двум противоположно расположенным внешним образующим корпуса в плоскости поперечного сечения канала, причем электроды на корпусе расположены парами по линиям, перпендикулярным оси корпуса, и измерительного устройства.

Недостатком этого расходомера является низкая точность измерения расхода из-за того, что с низкой точностью измеряется уровень заполнения канала измеряемой средой.

Этот недостаток устранен в предлагаемом расходомере, обладающим высокой точностью измерения в трубах больших размеров (с диаметром более 300-400 мм) как при полностью, так и при не полностью заполненном канале, иными словами при изменяющемся поперечном сечении потока.

Для этого у расходомера имеется участок трубопровода, в котором установлен электромагнитный преобразователь скорости. Преобразователь скорости имеет протяженный магнитопровод, по длине которого распределены витки катушки возбуждения, на внешней стороне корпуса преобразователя скорости расположено n пар электродов. Кроме того, имеется многоканальное измерительное устройство, подключенное к катушке возбуждения и электродам преобразователя скорости. Причем каждый входной канал измерительного устройства подключен к соответствующей ему паре электродов. Многоканальное измерительное устройство состоит из коммутационного устройства и микропроцессорного блока обработки информации и управления коммутационным устройством. Коммутационное устройство обеспечивает поочередное подключение пар электродов к микропроцессорному блоку. Обработка информации выполняется с возможностью вычисления расхода жидкости Q в трубопроводе по формуле

где Q - расход жидкости,
U_i - напряжение между электродами i -й пары,
S_i - площадь зоны, верхняя граница которой проходит по линии, соединяющей i -ю пару электродов,
α_i - весовой (градуировочный) коэффициент, равный
α_i= v_o/U_oi; (2)
V₀ - средняя скорость потока, при которой напряжение между i-й пары электродов равно U_0i;
U_k - напряжение между k-й пары электродов (здесь i = k), которая является первой парой электродов, находящейся ближе всех к границе раздела фаз, причем ниже этой границы;
β_i - весовой (градуировочный) коэффициент, равный
β_i= α_if(h/L); (3)
f(h/L) - зависимость сигнала на электродах от изменения уровня заполнения канала, получаемая экспериментальным или расчетным способом,
h - расстояние от линии раздела фаз до линии, проходящей через пару электродов, которая является первой парой электродов, находящейся ближе всех к границе раздела фаз, причем ниже этой границы.

Сущность изобретения поясняют фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 приведена схема электромагнитного преобразователя скорости. Фиг. 2 поясняет конструкцию и принцип работы расходомера.

Расходомер содержит участок трубопровода 1, преобразователь скорости 2 и измерительное устройство 3. Преобразователь скорости 2 имеет магнитопровод 4, катушку возбуждения 5, корпус 6, электроды 7.

Измерительное устройство 3 содержит источник питания 8, который создает ток возбуждения в катушке 5, и коммутационное устройство 9, обеспечивающее поочередное подключение пары электродов 7 к измерительному устройству, микропроцессорный блок 10. Магнитопровод 4 представляет собой прямой цилиндрический стержень или выполнен из трубы, материал магнитопровода ферромагнитный, например стальной. Если магнитопровод выполнен из трубы, тогда выводы к измерительному устройству 3 от катушки возбуждения 5 и электродов 7 могут располагаться внутри магнитопровода. Витки катушки возбуждения 5 распределены равномерно по всей длине магнитопровода 4. Корпус 6 выполнен из электроизоляционного материала, например из фторопласта, винипласта или резины. На внешней стороне корпуса по двум его образующим расположены электроды. Расстояние между смежными электродами, расположенными по образующей корпуса, не превышает 2 L, где L - расстояние между двумя электродами, расположенными по линии, перпендикулярной оси корпуса.

Электроды парами подключены к входам многоканального измерительного устройства 3, а катушка возбуждения подключена к источнику питания 8. Электромагнитный расходомер устанавливается на горизонтальном трубопроводе таким образом, чтобы ось преобразователя скорости была параллельна направлению силы тяжести, а плоскость, в которой расположены электроды, перпендикулярна направлению движения потока измеряемой жидкости.

Электромагнитный расходомер работает следующим образом (фиг.2).

Поперечное сечение канала условно разделено на зоны, границы которых проходят через линии, соединяющие электроды. Если расходомер содержит n пар электродов, то число зон, на которые разделено сечение потока, составляет (n+1).

К катушке возбуждения 5 подводится ток, при котором возникает магнитное поле с силовыми линиями в канале, параллельными оси корпуса 4 преобразователя скорости. При движении жидкости по каналу в жидкости, пересекающей магнитное поле, возбуждается электрическое поле, напряженность которого согласно закону электромагнитной индукции пропорциональна произведению индукции магнитного поля и скорости потока.

С помощью коммутационного устройства каждая пара электродов поочередно на несколько секунд подключается к микропроцессорному блоку. Микропроцессорный блок отделяет каналы, у которых электроды разомкнуты от каналов, у которых электроды замкнуты жидкостью. Кроме того, блоком отмечается канал, к которому подсоединена пара электродов, затопленная жидкостью и ближе всего находящаяся к поверхности раздела сред. Выше этой пары электродов находится пара с разомкнутой цепью, а ниже - пара с замкнутой цепью.

Измерение сигналов с электродов 7 производится циклично с поочередным опросом каждой пары электродов.

Результаты измерений анализируются в микропроцессорном блоке следующим образом.

При не полностью заполненном трубопроводе различные пары электродов выполняют различное назначение. Пары электродов, которые не омываются потоком, т.е. разомкнуты, используются для сигнализации о том, что уровень заполнения трубопровода измеряемой жидкостью находится ниже их расположения. Пара электродов, которая омывается потоком и находится ближе всего к границе раздела, используется для уточнения положения границы раздела. А остальные пары электродов предназначены для определения средней скорости потока.

Объемный расход жидкости определяется по формуле (1). Если со всех пар электродов имеются сигналы, и эти сигналы распределены между собой пропорционально соответствующим весовым коэффициентам α_i(2), заложенным в памяти микропроцессорного блока, это значит канал полностью заполнен потоком. В случае, если трубопровод не полностью заполнен жидкостью, как, например, представлено на фиг. 2, то между верхними парами электродов, которые не омываются потоком, сигнал будет отсутствовать, тогда измерительное устройство определяет расход по сигналам тех пар электродов, с которых воспринимается сигнал. Причем по сигналу самой верхней первой пары электродов, с которой воспринимается сигнал, в расчет вводится поправка (3), уточняющая положение границы фазового раздела среды. Это можно пояснить следующим образом. Каждый член правой части выражения (1), кроме третьего члена, определяет объемный расход жидкости через соответствующую зону. Первый член определяет расход через зону S₁, второй член определяет расход через зону S_n, четвертый член определяет расход через сумму зон от S₂ до S_n-1. Причем у пар электродов, которые находятся выше раздела сред, сигналы U_i равны нулю, следовательно, и расходы через соответствующие им зоны также равны нулю. Предположим, что при отсчете пар электродов снизу k-я пара электродов является последней из затопленных потоком жидкости, следовательно, зона S_k+1 заполнена жидкостью не полностью. Для устранения погрешности, вызванной неполным заполнением этой зоны, вводится поправка, которую определяет третий член правой части выражения (1). Поправка образуется следующим образом. Сигнал k-й пары электродов зависит не только от скорости потока V_k, но и от изменения граничных условий, т.е. от изменения уровня раздела сред (h/L). Остальные пары электродов не чувствительны к изменению границы раздела сред, если эта граница расположена в S_k+1 зоне. Величина U_iα_i характеризует среднюю скорость потока, измеряемую i-й парой электродов. Очевидно, что скорости V_k и V_k=1 должны быть приблизительно равны между собой, если скорость V_k отличается от V_k=1, следовательно, это вызвано влиянием близко расположенной к k-й паре электродов границы раздела сред. Подбирается коэффициент β_k такой величины, при которой скорость V_k приравнивается к скорости V_k-1. По величине коэффициента β_k (согласно имеющейся в памяти микропроцессорного блока экспериментальной характеристике (3)) определяется уровень расположения границы (h/L) заполнения канала в зоне S_k+1 и уточняется величина расхода жидкости.

Таким образом, использование предложенного решения позволяет измерить расход как при полностью, так и не полностью заполненном жидкостью канале трубопровода, при изменяющемся уровне заполнения канала.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США N 5 369 999, G 01 F 1/58, 1994.

2. Патент США N 4122714, G 01 F 1/58, 1978.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода в трубопроводах большого диаметра (более 300 - 400 мм) при изменяющемся уровне заполнения канала. Внутри трубопровода установлен электромагнитный преобразователь скорости, состоящий из корпуса, протяженного магнитопровода, катушки возбуждения и пар электродов, расположенных по всей длине корпуса на его противоположных сторонах. К электродам подключено многоканальное измерительное устройство, микропроцессорный блок которого выполнен с возможностью вычисления расхода по приводимой расчетной формуле. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расхода за счет учета положения уровня раздела сред в трубопроводе. 2 ил.

Электромагнитный расходомер для измерения расхода в трубопроводе с изменяющимся уровнем заполнения, содержащий участок трубопровода, в котором установлен электромагнитный преобразователь скорости, включающий имеющие общую ось корпус, на внешней стороне которого расположено n пар электродов, и протяженный магнитопровод, по длине которого распределены витки катушки возбуждения, и измерительное устройство, подключенное к катушке возбуждения и электродам преобразователя скорости, отличающийся тем, что измерительное устройство выполнено многоканальным и содержит коммутационное устройство и микропроцессорный блок обработки информации и управления коммутационным устройством, обеспечивающим поочередное подключение пар электродов к микропроцессорному блоку, выполненному с возможностью вычисления расхода жидкости Q в трубопроводе по формуле

где U_i - напряжение между электродами i-й пары;
S_i - площадь зоны, верхняя граница которой проходит по линии, соединяющей i-ю пару электродов;
α_i - весовой (градуировочный) коэффициент, равный α_i = V₀/U_0i; (2)
V₀ - средняя скорость потока, при которой напряжение между i-й парой электродов равно U_0i;
U_k - напряжение между k-й парой электродов (здесь i = k), которая является первой парой электродов, находящейся ближе всех к границе раздела фаз, причем ниже этой границы;
β_i - весовой (градуировочный) коэффициент, равный β_i = α_if(h/L); (3)
f(h/L) - зависимость сигнала на электродах от изменения уровня заполнения канала, получаемая экспериментальным или расчетным способом;
h - расстояние от линии раздела фаз до линии, проходящей через пару электродов, которая является первой парой электродов, находящейся ближе всех к границе раздела фаз, причем ниже этой границы;
L - расстояние между двумя электродами, расположенными по линии, перпендикулярной оси корпуса.