ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА Российский патент 2007 года по МПК G01F1/58 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода жидких металлов с помощью электромагнитного способа, т.е. способа, основанного на взаимодействии движущейся жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в жидкости, пересекающей магнитное поле, индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости.

Известен способ измерения расхода жидкого металла, протекающего в магнитном поле через стальную немагнитную трубу [1]. Поскольку измерение производится, как правило, при высокой температуре жидкого металла, не применяют электроизоляционного покрытия внутренней поверхности трубы.

Способ состоит в определении расхода жидкого металла по разности потенциалов между двумя электродами, касающимися наружной поверхности трубы в точках, диаметрально противоположно расположенных по линии, перпендикулярной направлению магнитного поля. Недостатком известного способа измерения является шунтирующее действие стенок трубы, приводящее к частичной потере сигнала и низкой точности определения расхода.

Известен электромагнитный способ измерения расхода жидкого металла, предусматривающий дополнительно к способу, рассмотренному выше, пропускание через электроды стороннего тока такой величины, при которой разность потенциалов между электродами становится равной ЭДС, индуктируемой движением жидкого металла в магнитном поле [2]. В этом способе ток через стенку трубы полностью определяется сторонним током, шунтирующее действие стенок отсутствует, и разность потенциалов между электродами равна ЭДС, индуктируемой взаимодействием потока измеряемой среды с магнитным полем. При этом в качестве меры объемного расхода принимается величина стороннего тока.

Например, в работе [3] описана схема уравновешенного электрического моста, в которой одним из плеч моста является сопротивление между электродами пустой трубы расходомера, т.е. сопротивления, определяемого только стенкой трубы. Такой мост (при пустой трубе) электрически уравновешен при любом напряжении, подведенном к одной из диагоналей. При движении же по трубе потока жидкого металла электрический мост становится разбалансированным, мост уравновешивается только при подведении к диагонали напряжения строго определенной величины, при которой разность потенциалов между электродами становится равной ЭДС, индуктируемой движением по трубе жидкого металла в магнитном поле. При этом мерой расхода могут быть напряжение или ток питания моста.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения расхода в случае, если при эксплуатации прибора по каким-то причинам изменяется сопротивление стенки трубы, т.к. сторонний ток устанавливается строго в соответствии с ранее определенным сопротивлением шунта, образуемым стенкой трубы.

Измерение расхода жидких металлов необходимо, например, при эксплуатации энергетических установок, где жидкий металл используется в качестве теплоносителя.

В процессе длительной эксплуатации прибора возможны изменения толщины стенки трубы, налипание осадков и окислов на внутренней поверхности стенки и вымывание из металла стенки каких-либо компонентов, причем эти эффекты изменяют сопротивление стенки. Так как при всех известных способах измерения [1], [2], [3] по стенке трубы протекает ток, то всякое отклонение от установленного при градуировке сопротивления стенки влияет на показания расходомера.

Предлагаемое изобретение устраняет этот недостаток.

В нем предлагается сторонний ток к электродам подводить такой величины, при которой разность потенциалов между электродами становится равной нулю. Т.е. обеспечивается режим измерения, при котором ток в стенке трубы отсутствует. Во всех точках стенки электрические потенциалы становятся одинаковыми и равными нулю, хотя поток жидкого металла протекает по трубе и существует его взаимодействие с магнитным полем. За меру расхода принимается величина стороннего тока.

Фиг.1 и фиг.2 поясняют способ измерения расхода жидкого металла, при котором сторонний ток может устанавливаться с помощью регулируемого источника постоянного тока, а нулевая разность потенциалов между электродами контролироваться с помощью нуль-индикатора. Для повышения точности измерений желательно иметь потенциальные и токовые электроды, касающиеся одних и тех же точек на внешней стенке трубопровода.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - постоянный магнит, 2 - нуль-индикатор, 3 - труба с электродами - потенциальные электроды, подсоединены к нуль-индикатору 2, а токовые электроды подсоединены к измерителю тока 4 и регулируемому источнику стороннего тока 5. Причем каждая пара электродов, один из которых потенциальный, а другой токовый, касаются одной и той же точки на внешней поверхности трубопровода.

На фиг.2 приведена упрощенная электрическая эквивалентная схема узла трубопровода расходомера. На схеме приняты следующие обозначения: Е - ЭДС, индуктированная в канале в результате взаимодействия скорости потока с магнитным полем, r - внутреннее сопротивление источника ЭДС (сопротивление жидкого металла), R - сопротивление стенки трубопровода, U - напряжение между электродами, j - ток от стороннего источника.

Напряжение между электродами U дописывается выражением:

Причем ЭДС пропорциональна объемному расходу жидкого металла Q.

Из выражения (1) следует, что когда сторонний ток j, пропускаемый через стенку, равен j=E/r, то разность потенциалов между электродами U=0. Электрические потенциалы в любом месте внутри стенки становится одинаковыми между собой и не зависят от величины сопротивления стенки R.

В этом случае ток j несет информацию только об ЭДС Е, т.е. об объемном расходе Q, и сопротивлении теплоносителя r и не зависит от сопротивления стенки. Величина тока измеряется миллиамперметром 4.

Предполагается, что внутреннее сопротивление измеряемой среды r в процессе эксплуатации прибора не изменяется, за исключением ее зависимости от температуры.

Температура теплоносителя контролируется и учитывается при расчете погрешности прибора. Если известен температурный коэффициент сопротивления жидкого металла и его рабочая температура, то поправка на изменение температуры жидкого металла от градуировочной вычисляется по формуле

где j_x - величина стороннего тока, характеризующая расход жидкого металла при рабочей температуре t, j - измеренное значение стороннего тока при рабочей температуре t; α - температурный коэффициент жидкого металла, t₀ - температура жидкого металла при градуировке расходомера.

Расчеты показывают, что Е изменяется от 0 до нескольких мВ, сопротивление r составляет несколько мОм, а ток j изменяется от 0 до 0.4-0.5 А.

Достоинство предлагаемого способа измерения состоит в том, что он позволяет определить расход при отсутствии тока в стенке, а следовательно, при отсутствии влияния изменения сопротивления стенки трубопровода.

Источники изобретения

1. П.П.Кремлевский. «Измерение расхода многофазных потоков». Л.: Машиностроение, 1982.

2. Вельт И.Д. Приборы и системы управления, №10, 1972, стр.17.

3. Авторское свидетельство СССР №200199, Бюллетень №16, 1967.

Изобретение может быть использовано при эксплуатации энергетических установок. Через пару электродов, установленных диаметрально противоположно на внешней стенке стальной немагнитной трубы, по которой протекает жидкий металл, пропускают постоянный ток определенной величины. Мерой объемного расхода жидкого теплоносителя служит величина тока при достижении нулевой разности потенциалов между второй парой электродов, контактирующих со стенкой трубы в тех же точках, что и первая пара. Изобретение повышает точность измерения за счет исключения шунтирующего влияния трубы, канал которой не имеет изоляционного покрытия, а также учета рабочей температуры теплоносителя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитный способ измерения расхода жидкого металла, протекающего в магнитном поле через стальную немагнитную трубу, на внешней стенке которой по линии, перпендикулярной направлению магнитного поля, установлены диаметрально противоположно два электрода, образующие первую пару, включающий пропускание через электроды стороннего тока определенной величины, который принимается в качестве меры объемного расхода жидкого металла, отличающийся тем, что со стенкой трубы в тех же точках, что и первая пара, контактирует вторая пара электродов, на которой выполняют измерение потенциалов, при этом мерой расхода жидкого металла при рабочей температуре служит величина тока j_x, вычисляемая по формуле

j_x=j[1+α(t-t₀)],

где j - измеренное значение стороннего тока при рабочей температуре t; α - температурный коэффициент сопротивления жидкого металла; t₀ - температура жидкого металла при градуировке расходомера, t - рабочая температура жидкого металла, причем величина измеренного значения стороннего тока такова, что разность потенциалов между электродами второй пары равна нулю.