ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 2001 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 измеряемой жидкостью).

Известны электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей, имеющие участок трубопровода из немагнитного материала, электромагнитную систему (индуктор), состоящую из магнитопровода и катушек возбуждения, электродов, контактирующих с измеряемой жидкостью, и измерительного устройства [1].

Недостатком таких расходомеров является низкая чувствительность к изменению уровня заполнения канала измеряемой средой и поэтому их низкая точность измерения.

Этот недостаток частично устранен в электромагнитном расходомере [2], предназначенном для измерения потоков при не полностью заполненном канале.

Электромагнитный расходомер [2] также имеет участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, две катушки возбуждения, имеющие общую ось, перпендикулярную оси канала, и магнитный корпус, охватывающий трубопровод с катушками возбуждения. В отличие от [1] расходомер [2] имеет не одну, а несколько пар электродов, например две или три пары, расположенные в центральном сечении трубопровода по его периметру. С помощью управляемого коммутационного устройства расходомера осуществляется программное переключение катушек возбуждения к источнику питания: поочередное, согласное и встречное включение обеих катушек. В зависимости от схемы включения катушек в канале расходомера создается различное распределение магнитного поля.

Измерительное устройство расходомера многоканальное с числом каналов, соответствующим числу пар электродов.

В основе работы электромагнитного расходомера лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, подчиняющееся закону электромагнитной индукции. Особенность работы известного расходомера [2] состоит в следующем. При движении потока по каналу в жидкости возникает электрическое поле, которое определяется скоростью потока, распределением магнитного поля в канале и "живым" сечением, т.е. площадью поперечного сечения потока жидкости. При этом магнитное поле возбуждения периодически меняется в зависимости от различной схемы включения катушек. Сигналы, снимаемые парами электродов, усиливаются в измерительном устройстве расходомера и запоминаются. Таким образом готовится база данных при магнитных полях, образованных различным включением катушек к источнику питания. Далее вычислительное устройство по специальному алгоритму рассчитывает среднюю скорость потока и площадь "живого сечения", а следовательно, и объемный расход измеряемой среды.

Электромагнитный расходомер [2] является наиболее близким аналогом расходомеру, выполненному по предлагаемому изобретению. Недостатком расходомера [2] является слабая чувствительность к изменению "живого" сечения потока. Это объясняется тем, что магнитное поле, образованное катушками возбуждения, ось которых вертикальна и перпендикулярна оси канала, создает потенциальное электрическое поле в потоке жидкости. Зависимость электрического поля в канале расходомера от изменения граничных условий, т.е. от изменения уровня заполнения канала жидкостью, определяется только неоднородностью распределения магнитного поля вдоль вертикальной оси, вызванной изменением компоненты магнитного поля, направленной вдоль оси канала. При применяемом в расходомере [2] расположении катушек компонента магнитного поля, направленная вдоль оси канала, небольшая и определяется протяженностью индуктора вдоль образующей трубопровода. Чем короче индуктор вдоль канала, тем эта компонента выше, т.е. тем выше чувствительность расходомера к изменению уровня заполнения канала, однако при этом снижается чувствительность расходомера к скорости потока, т.к. уменьшается компонента магнитного поля, направленная по вертикали, т. е. перпендикулярно линиям, соединяющим пары электродов. Здесь следует отметить, что при безнапорном течении жидкости по трубопроводу с изменением расхода почти пропорционально ему изменяется "живое" сечение потока и почти не изменяется его средняя скорость.

Расходомер, выполненный по предлагаемому изобретению, свободен от этого недостатка: обладает высокой чувствительностью как к скорости потока, так и к изменению площади "живого" сечения потока.

Предлагаемый электромагнитный расходомер отличается тем, что имеет дополнительно две катушки возбуждения с общей осью, совпадающей с осью канала расходомера. Эти дополнительные катушки расположены на трубопроводе, включены навстречу друг другу и равноудалены от центрального сечения канала, в котором расположены электроды.

Конструкция и принцип действия расходомера поясняют фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 изображена конструкция расходомера, где 1 - участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала; 2 - корпус расходомера, одновременно являющийся магнитопроводом; 3 и 3' - две катушки возбуждения, расположенные на трубопроводе, их общая ось совпадает с осью канала, а плоскости витков параллельны поперечному сечению канала; 4 и 4' - две катушки возбуждения, их общая ось перпендикулярна оси канала; 5 и 5' - пара электродов, расположенная по диаметру канала, соединяющая их линия перпендикулярна оси канала; 6 и 6' - пара электродов, расположенная по хорде, параллельной линии электродов 5 и 5'.

На фиг. 2 изображено распределение магнитного поля в канале, вызванное различными парами катушек возбуждения. На фиг. 2а изображено распределение магнитного поля, образованное двумя катушками возбуждения, общая ось которых перпендикулярна оси канала, где 1 - трубопровод, 2 - корпус и одновременно магнитопровод, 4 и 4' - катушки возбуждения, общая ось которых перпендикулярна оси канала, 5 и 5' - электроды, расположенные по диаметру канала, 6 и 6' - электроды, расположенные по хорде, 7 - силовые линии магнитного поля. На фиг. 2б изображено распределение магнитного поля в канале, образованное катушками возбуждения, общая ось которых совпадает с осью канала, где 1 - трубопровод, 2 - корпус и одновременно магнитопровод, 3 и 3' - катушки возбуждения, общая ось которых совпадает с осью канала, 7 - силовые линии магнитного поля. На фиг. 2в изображено распределение магнитного поля в центральном сечении канала (где расположены электроды), образованное двумя катушками возбуждения, общая ось которых совпадает с осью канала, где 1 - трубопровод, 2 - корпус и одновременно магнитопровод, 5 и 5' - пара электродов, расположенная по диаметру канала, 6 и 6'- пара электродов, расположенная по хорде, 8 - радиальная компонента магнитного поля.

На фиг. 3 изображена схема расходомера, где 1 - трубопровод, 3 и 3' - катушки возбуждения, общая ось которых совпадает с осью канала, 4 и 4' - катушки возбуждения, общая ось которых перпендикулярна оси канала, 5 и 5' - пара электродов, расположенная по диаметру канала, 6 и 6' - пара электродов, расположенная по хорде, 9 - коммутатор, 10 - источник питания, 11 - измерительный канал сигнала, снимаемого с пары электродов 5 и 5', 12 - измерительный канал сигнала, снимаемого с пары электродов 6 и 6', 13 - вычислитель.

Работа расходомера состоит в следующем.

Если уровень жидкости в канале находится между полным заполнением и половиной поперечного сечения канала, то измерение расхода производится путем обработки сигналов, снимаемых с пары электродов, которые расположены по диаметру канала (5 и 5', фиг. 3). Если уровень заполнения находится ниже расположения электродов 5 и 5', то сигнал с них будет отсутствовать по причине разомкнутости электродов электропроводной жидкостью. В этом случае измерение расхода осуществляется путем обработки сигналов, снимаемых только с пары электродов, которые расположены по хорде (6 и 6', фиг. 3) и омываются измеряемой средой.

Измерение расхода осуществляется при двух режимах включения катушек возбуждения, которые создаются поочередно. Когда к источнику питания подключены катушки, ось которых перпендикулярна оси канала, то в центральном сечении канала образуется в основном вертикальная компонента магнитного поля (см. фиг. 2а); в этом случае сигнал, возбуждаемый на электродах, определяется средней скоростью потока и мало зависит от уровня заполнения канала. Сигнал, снимаемый с электродов, запоминается вычислителем. Затем отключаются катушки возбуждения 3 и 3' и источник питания 10 подключается к катушкам 4 и 4', общая ось которых совпадает с осью канала (фиг. 3). Поскольку эти катушки включены навстречу друг другу, то в центральном сечении канала возникает значительная радиальная компонента магнитного поля, которая резко изменяется по радиусу трубы, быстро уменьшаясь к центру канала до нуля (см. фиг. 2б и 2в). Сигнал, возникающий от взаимодействия этого магнитного поля с потоком жидкости, обладает высокой чувствительностью к изменению уровня заполнения канала и скорости движения измеряемой среды. При полном заполнении канала сигнал между электродами 5 и 5' равен нулю в силу полной симметрии электрического поля относительно линии 5-5'. По мере снижения уровня жидкости сигнал на электродах 5 и 5' увеличивается и достигает максимального значения, когда уровень приближается к линии, соединяющей рассматриваемую пару электродов. В том случае, если уровень жидкости опустился ниже расположения электродов 5 и 5', то измерение расхода и уровня производится по сигналам, снимаемым с электродов 6 и 6'. Полученный сигнал запоминается вычислителем. По результатам измерений сигналов, соответствующих двум режимам питания катушек возбуждения, вычисляется объемный расход жидкости и уровень заполнения канала.

Использование предложенного решения позволяет расширить функциональные возможности электромагнитного способа измерения расхода: измерять расход при изменяющемся уровне заполнения канала трубопровода с высокой чувствительностью как к скорости потока, так и к изменению площади "живого" сечения потока.

Источники информации
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, "Машиностроение", Л. 1989, стр. 408-434.

2. Патент США, N 5,301,556, 1994 г., FLOW MEASURING APPARATUS.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода электропроводных жидкостей в трубопроводах. Техническим результатом является возможность измерения расхода электромагнитным способом в трубопроводах больших диаметров при не полностью заполненном канале, т.е. изменяющемся уровне заполнения канала, и в напорных трубопроводах при измерении расхода многофазных сред, например пульп. Расходомер имеет участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, две катушки возбуждения, имеющие общую ось, перпендикулярную оси канала, несколько пар электродов, расположенных в центральном сечении трубопровода по его периметру, и магнитный корпус, охватывающий снаружи трубопровод с катушками возбуждения. Две дополнительные катушки возбуждения с общей осью, совпадающей с осью канала расходомера, расположены на трубопроводе и равноудалены от центрального сечения канала, в котором расположены электроды. 3 ил.

Электромагнитный расходомер, содержащий участок трубопровода, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, первую пару катушек возбуждения, имеющих общую ось, перпендикулярную оси канала, несколько пар электродов, расположенных в центральном сечении трубопровода по его периметру, и магнитный корпус, охватывающий снаружи трубопровод с катушками возбуждения, отличающийся тем, что содержит вторую пару катушек, имеющих общую ось, совпадающую с осью канала, расположенных на трубопроводе и равноудаленных от центрального сечения канала, при этом два режима включения пар катушек возбуждения создаются поочередно.