ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА Российский патент 2010 года по МПК G01F1/58 G01N27/76 

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода ферромагнитных пульп 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.

Ферромагнитные пульпы представляют собой двухфазное или трехфазное вещество - смесь твердой и жидкой фаз, а в некоторых присутствует еще и газообразная фаза. Пульпа относится к категории неустойчивых суспензий, т.к. она содержит твердые частицы сухой металлосодержащей массы размером от 0,05 мм до 0,5 мм, которые в покоящейся или ламинарно-движущейся суспензии выпадают под действием сил гравитации в неподвижный осадок.

Течение таких пульп происходит в турбулентном режиме, т.к. процессы взвешивания и переноса сколько-нибудь крупных частиц отрицательной плавучести возможны только при наличии пульсаций скорости и давления в несущей их жидкости. Движение пульпы более сложное, чем движение однородной жидкости. Картина течения такого рода смесей усложняется в основном из-за наличия поверхности раздела фаз, которая по существу играет роль подвижных границ по отношению к несущей жидкости и обуславливает существование дополнительных сил межфазного взаимодействия, внешних - для каждой фазы в отдельности и внутренних - для смеси в целом.

Характерными признаками таких потоков являются практически равномерное распределение частиц в поперечном сечении канала и симметричный профиль осредненной продольной скорости. Потери энергии легких частиц происходят в основном в результате переноса количества движения, т.е. аналогично потерям энергии несущей жидкости вследствие ее турбулентного перемешивания. С гидравлической точки зрения такие потоки можно рассматривать как условно однородные жидкости, плотность которых отличается от плотности несущей среды.

В металлургической промышленности представляет интерес определение расхода сухой металлосодержащей массы, транспортируемой по трубопроводу гидравлическим способом. Точнее - необходимо определение расхода той металлосодержащей твердой фазы пульпы, которая до и после транспортировки гидравлическим способом отделена от жидкой, т.е. сухой, хотя при транспортировке твердая, металлосодержащая масса смешана с несущей жидкостью, которой обычно является вода.

Известен электромагнитный способ измерения расхода пульпы [1]. Способ предусматривает протекание потока пульпы через немагнитную трубу с изоляционным покрытием канала и двумя электродами. Труба помещена в переменное магнитное поле, образуемое индуктором, состоящим из намагничивающей катушки, размещенной на внешней поверхности трубы, и магнитопровода. Через намагничивающую катушку пропускают переменный ток I, вызывающий образование поперечного переменного магнитного поля в канале трубы. Согласно закону электромагнитной индукции в результате взаимодействия с магнитным полем движущейся по трубе пульпы в ней между электродами возникает разность потенциалов, пропорциональная скорости движения пульпы. Способ реализуется в электромагнитных расходомерах. Однако известные электромагнитные расходомеры чувствительны к изменению магнитных свойств измеряемой среды и поэтому не позволяют получить необходимой точности измерения расхода пульп с изменяющимися магнитными свойствами. Это можно пояснить следующим образом. Как известно [1], значение объемного расхода пульпы Q, измеренного с помощью электромагнитного расходомера, определяется отношением

где U_э - разность потенциалов между электродами, I - ток питания индуктора, α₁ - градуировочный коэффициент, µ_n - магнитная проницаемость пульпы.

Согласно выражению (1), значение объемного расхода обратно пропорционально магнитной проницаемости измеряемой среды, и поэтому погрешность измерения пульп, магнитная проницаемость которых изменчива и неконтролируема, может достигать больших значений.

Металлосодержащая масса рассматриваемых пульп всегда содержит в себе значительное количество ферромагнитных элементов (железа, никеля, кобальта), обладающих высокой магнитной проницаемостью.

Недостатком описанного выше способа измерения расхода пульп является невозможность измерения расхода сухой металлосодержащей массы, т.к. не позволяет отделить твердые компоненты пульпы от несущей их жидкой фазы. Кроме того, указанный способ не обеспечивает необходимой точности измерения при изменении магнитной проницаемости пульпы.

Наиболее близким прототипом предлагаемому изобретению является известный способ измерения расхода сухой металлосодержащей массы ферромагнитных пульп, протекающих в магнитном поле через стальную немагнитную трубу, описанный в [1]. Он предусматривает измерение объемного расхода электромагнитным способом и плотности пульпы - радиоизотопным способом. При этом расход Q_m сухой металлосодержащей массы в пульпе рассчитывают по алгоритму

где ρ - плотность сухой металлосодержащей массы, т.е. твердой фазы пульпы, ρ_n - плотность пульпы, ρ_ж - плотность жидкой фазы пульпы, т.е. несущей жидкости.

Обычно объемный расход и плотность пульпы измеряют соответственно с помощью электромагнитного расходомера и радиоизотопного плотномера общепромышленных типов. Плотность несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает вода, принимается равной ρ_ж=1,0 г/см³.

Недостатки известного способа измерения расхода сухой металлосодержащей массы, состоят в следующем.

- Расчет расхода по формуле (2) сухой металлосодержащей массы не учитывает газовую фазу, которая входит в состав многих пульп.

- Расчет не позволяет получить приемлемой точности измерения расхода сухой металлосодержащей массы слабоконцентрированных пульп, когда плотность пульпы ρ_n и плотность жидкой фазы ρ_ж близки по своим значениям.

- Способ не обеспечивает необходимой точности измерения при изменении магнитной проницаемости измеряемой среды.

Предлагаемое изобретение устраняет эти недостатки.

Предлагаемый электромагнитный способ измерения расхода Q_m сухой металлосодержащей массы ферромагнитной пульпы состоит в следующем. Пульпа протекает через немагнитную трубу с изоляционным покрытием канала и двумя электродами, на поверхности которой расположены намагничивающая и измерительная катушки, имеющие общую ось, перпендикулярную оси канала и осям электродов. Магнитопровод охватывает трубу с катушками. При пропускании тока I через намагничивающую катушку измеряют разность потенциалов между электродами U_э и напряжение U, возбуждаемое в измерительной катушке.

Расход сухой металлосодержащей массы пульпы вычисляют по формуле

где α, k - градуировочные коэффициенты, D - диаметр канала трубы, µ - магнитная проницаемость сухой металлосодержащей массы.

Плотность сухой металлосодержащей массы измеряют известным способом, широко применяемым на обогатительных фабриках. Он состоит в следующем. Берется лабораторная проба (представительная порция) сухой массы, измеряется ее масса и помещается в сосуд. Затем сосуд заполняется специальным раствором на спиртовой основе, обладающим хорошей смачиваемостью с частицами сухой массы. Плотность вычисляется по формуле

где V_p - объем раствора, заливаемого в сосуд, V_см - объем смеси раствора с порцией сухой массы, m - масса сухой порции, измеренная с помощью взвешивания.

Магнитная проницаемость сухой металлосодержащей массы измеряется с помощью предлагаемого расходомера до его монтажа на трубопроводе следующим способом. Расходомер устанавливается на горизонтальную плоскость таким образом, что ось канала оказывается перпендикулярной к этой плоскости. Объем канала, предварительно измеренный, равномерно заполняется сухой металлосодержащей массой. Плотность заполненной массы в канале расходомера вычисляется по формуле

где ρ_мк - плотность в канале расходомера смеси сухой металлосодержащей массы с воздухом, V_к - объем канала расходомера, m_мк - сухая металлосодержащая масса, заполняющая канал, измеренная с помощью взвешивания.

Далее методом «вольтметра-амперметра» [2] измеряется магнитная проницаемость µ_мк смеси сухой металлосодержащей массы с воздухом, находящейся в канале прибора. Прибор включается в работу, переменный ток, пропускаемый через намагничивающие катушки, создает магнитное поле в канале. Переменное магнитное поле, проникающее через измерительные катушки, наводит в них напряжение U, пропорциональное интенсивности поля и суммарной площади витков измерительных катушек. По результатам измерения напряжения U в измерительных катушках и тока I в намагничивающих катушках вычисляется µ_мк по формуле

Объемную концентрацию содержания сухой металлосодержащей массы в канале расходомера φ можно представить в виде отношения магнитной восприимчивости смеси сухой массы с воздухом χ_в к магнитной восприимчивости сухой металлосодержащей массы χ_m, т.е.

Решая совместно уравнения (6) и (7), вычисляем магнитную проницаемость сухой металлосодержащей массы µ по формуле

Достоинство предлагаемого способа измерения расхода состоит в том, что он обладает следующими преимуществами по сравнению с известными.

Позволяет определить расход сухой металлосодержащей массы во всех ферромагнитных пульпах, в том числе и в пульпах, содержащих неопределенную газовую фазу.

На точность вычисления расхода сухой металлосодержащей массы практически не влияет изменение физических свойств жидкой и газообразной среды в составе пульпы.

Исключается из применения радиоизотопный плотномер. Отпадает необходимость в измерении плотности пульпы, плотности ее жидкостно-газовых компонент и в вычислении разности этих плотностей, т.е. (ρ_n-ρ_ж).

Практически устраняется погрешность измерения, вызываемая изменением магнитной проницаемости пульпы.

Источники

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

2. Васильченко Е.В. «Каталог радиолюбительских схем». Издательство Солон-Пресс, 2003.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода ферромагнитных пульп. Пропускают ток I через намагничивающую катушку, расположенную на поверхности немагнитной трубы с изоляционным покрытием канала, двумя электродами и магнитопроводом, охватывающим трубу с катушкой. Измеряют разность потенциалов U_э между электродами и напряжение U, возбуждаемое в расположенной на поверхности немагнитной трубы измерительной катушке. Измеренные величины используют для вычисления расхода пульпы по приводимой формуле. Изобретение повышает точность измерения расхода сухой металлосодержащей массы ферромагнитной пульпы.

Электромагнитный способ измерения расхода Q_m сухой металлосодержащей массы ферромагнитной пульпы, протекающей через немагнитную трубу с изоляционным покрытием канала, двумя электродами, намагничивающей катушкой, расположенной на поверхности немагнитной трубы, и магнитопроводом, охватывающим трубу с катушкой, предусматривающий при пропускании тока I через намагничивающую катушку измерение разности потенциалов U_э между электродами, отличающийся тем, что при пропускании тока I через намагничивающую катушку измеряют напряжение U, возбуждаемое в расположенной на поверхности немагнитной трубы измерительной катушке, имеющей с намагничивающей катушкой общую ось, перпендикулярную оси канала и осям электродов, при этом расход сухой металлосодержащей массы пульпы вычисляют по формуле

где ρ - плотность сухой металлосодержащей массы;
α, k -градуировочные коэффициенты;
D - диаметр канала трубы;
µ - магнитная проницаемость сухой металлосодержащей массы.