ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2002 года по МПК G01F1/58 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле расхода и температуры в установках с жидкометаллическим теплоносителем, например в высокотемпературных энергетических установках.

В процессе эксплуатации энергетических установок, а также при стендовой отработке их узлов и агрегатов необходимо с высокой точностью контролировать расход (скорость) теплоносителя в широком диапазоне рабочих температур (от 20 до 1000^oС), поскольку точные измерения расхода позволяют оптимизировать параметры как самих установок, так и испытуемых агрегатов, а также повысить их надежность.

Известны электромагнитные кондукционные расходомеры электропроводящих жидкостей с постоянным магнитным полем [1, 2, 3], применяемые для измерения расхода теплоносителя в энергетических установках. Простейший преобразователь расхода теплоносителя представляет собой канал, выполненный в виде металлического трубопровода с двумя электродами и помещенный между полюсами постоянного магнита. Электроды приварены к трубопроводу перпендикулярно магнитному полю и потоку теплоносителя. Принцип действия расходомера основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому наведенная в проводнике электрородвижущая сила (э.д.с.) пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Роль движущегося проводника играет жидкометаллический теплоноситель. Наведенная э.д.с. контролируется измерительным прибором постоянного тока. Недостатком описанного устройства является то, что температура рабочей среды существенным образом влияет на точность измерения расхода. Это связано с изменением электропроводности среды и стенки канала, геометрических размеров канала, а также магнитных свойств магнита под действием температуры. Дополнительная температурная погрешность расходомера может достигать 0,25% на каждые 10^oС. Кроме того, возможно появление дополнительной термической погрешности из-за градиента температур в месте крепления электродов к каналу расходомера, а также в связи с неоднородностью по химическому составу при электродных сварных швов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является электромагнитный кондукционный расходомер с переменным магнитным полем [3], принятый автором за прототип.

Расходомер представляет собой канал, выполненный в виде металлического трубопровода с двумя электродами и помещенный между полюсами переменного магнита. Электроды приварены к трубопроводу перпендикулярно магнитному полю и потоку теплоносителя. Трубопровод и электроды канала расходомера, работающего при температуре теплоносителя до 500^oС, изготавливают из нержавеющей стали Х18Н10Т. Для расходомеров, работающих при температуре теплоносителя до 1000^oС, в качестве конструкционного материала канала используют тугоплавкие сплавы на основе ниобия. Принцип действия расходомера основан на законе электромагнитной индукции, согласно которому наведенная в проводнике электродвижущая сила (э.д.с.) пропорциональна скорости его движения в магнитном поле. Роль движущегося проводника играет жидкометаллический теплоноситель. Наведенная э. д. с. контролируется измерительным прибором переменного тока. Этот расходомер отличается от вышеописанного расходомера с постоянным магнитным полем тем, что в нем система возбуждения выполнена на основе электромагнита. За счет того что в движущемся теплоносителе наводится переменная э.д. с., термическая погрешность измерения расхода исключается. Однако дополнительная температурная погрешность также присуща расходомеру с переменным магнитным полем и может достигать 0,25% на каждые 10^oС. Для повышения точности измерения расхода рабочего тела необходимо контролировать его температуру, например, с помощью термопары, смонтированной на поверхности канала, и в результат измерения вносить соответствующую поправку. Использование поверхностной термопары в самостоятельном конструктивном исполнении в составе расходомера усложняет его конструкцию и ухудшает массогабаритные характеристики.

Задачей изобретения является повышение точности измерения расхода, упрощение конструкции и улучшение массогабаритных характеристик расходомера.

Сущность изобретения заключается в том, что в электромагнитный расходомер электропроводящих жидкостей, содержащий расположенный между полюсами электромагнита переменного тока канал, выполненный в виде металлического трубопровода с двумя электродами, закрепленными на диаметрально противоположных сторонах трубопровода, и подключенный к электродам измерительный прибор переменного тока, введены измерительный прибор постоянного тока с высокоомным входом и конденсатор, а электроды выполнены из разнородных термоэлектродных материалов, при этом прибор переменного тока подключен к электродам через конденсатор, а прибор постоянного тока подключен непосредственно к электродам.

На чертеже представлена конструктивная схема расходомера. Электромагнитный расходомер электропроводящих жидкостей представляет собой канал, выполненный в виде металлического трубопровода 1 с электродами 2 и 3, помещенный между полюсами электромагнита переменного тока 4. Электроды выполнены из разнородной термоэлектродной проволоки, например хромеля и алюмеля, и приварены к диаметрально противоположным сторонам трубопровода 1. Электроды подключены непосредственно к входу измерительного прибора постоянного тока 5 с высокоомным входом и входным фильтром, а через конденсатор 6 электроды подключены к входу измерительного прибора переменного тока 7.

Работает расходомер следующим образом. При движении электропроводящей жидкости в переменном магнитном поле, создаваемом электромагнитом 4, в жидкости наводится э.д.с., определяемая формулой [2]
E = V_cpDB_максSinωt,
где Е - выходная э.д.с., В;
V_cp. - средняя скорость движения жидкости, м/с;
D - внутренний диаметр трубопровода, м;
В_макс. - магнитная индукция. Т;
ω - угловая частота, рад/с.

Эта э. д. с. контролируется измерительным прибором переменного тока 7, отградуированным в единицах измерения расхода. Участок трубопровода 1 с приваренными к нему электродами 2 и 3 образуют горячий спай термопары, термоэлектродвижущую силу которой измеряют прибором постоянного тока 5, отградуированным в единицах измерения температуры. Конденсатор 6 прозрачен для переменного напряжения расходомера и защищает прибор переменного тока 7 от попадания в его цепь постоянного напряжения термопары. Использование измерительного прибора постоянного тока 5 с высокоомным входом и входным фильтром, например, цифрового вольтметра Щ1312 защищает его цепь от переменного напряжения расходомера и не допускает шунтирования этой цепи.

Таким образом, предлагаемый электромагнитный расходомер электропроводящих жидкостей позволяет измерять как расход, так и температуру рабочего тела одним датчиком. Тем самым расширяются функциональные возможности расходомера, упрощается конструкция расходомера и улучшаются его массогабаритные характеристики.

Экспериментальная проверка предлагаемого расходомера проведена на высокотемпературном контуре, работающем в вакуумной камере при температурах до 1000^oС. В качестве теплоносителя использовался литий. Испытания подтвердили правильность выбранных решений.

Источники информации
1. Лысиков Б.В., Прозоров В.К. Термометрия и расходометрия. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 41, 42, 55-76.

2. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1978, с. 520-525, с. 245-260.

3. Яловега Н.В. Специфика измерений теплофизических параметров высокотемпературных энергетических установок. - М.: Атомиздат, 1970, М., 1980, с. 220-228, 237-244.

Изобретение может быть использовано в высокотемпературных энергетических установках с жидкометаллическим теплоносителем. Расходомер содержит расположенный между полюсами электромагнита переменного тока канал в виде металлического трубопровода с двумя электродами, закрепленными на его диаметрально противоположных сторонах и выполненными из разнородных термоэлектродных материалов для образования термопары. Непосредственно к электродам подключен измерительный прибор постоянного тока с высокоомным входом. Через конденсатор к электродам подключен измерительный прибор переменного тока, отградуированный в единицах измерения расхода. Изобретение имеет простую конструкцию и обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет измерения как расхода, так и температуры. 1 ил.

Электромагнитный расходомер электропроводящих жидкостей, содержащий расположенный между полюсами электромагнита переменного тока канал, выполненный в виде металлического трубопровода с двумя электродами, закрепленными на диаметрально противоположных сторонах трубопровода, и подключенный к электродам измерительный прибор переменного тока, отличающийся тем, что в него введены измерительный прибор постоянного тока с высокоомным входом и конденсатор, а электроды выполнены из разнородных термоэлектродных материалов, при этом прибор переменного тока подключен к электродам через конденсатор, а прибор постоянного тока подключен непосредственно к электродам.