СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ С ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ СТЕНКОЙ КАНАЛА Российский патент 2011 года по МПК G01F25/00 G01F1/58 

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода жидких металлов с помощью электромагнитных расходомеров, к технике их имитационного моделирования. Измерение расхода жидких металлов необходимо, например, при эксплуатации энергетических установок, где жидкий металл используется в качестве теплоносителя.

Известны электромагнитные расходомеры жидких металлов, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции [1]. Электромагнитный расходомер имеет: трубу из нержавеющей стали (без изоляционного покрытия внутренней поверхности трубы), два электрода, приваренных к наружной поверхности стенки трубы, и индуктор, создающий низкочастотное импульсное магнитное поле в рабочей зоне канала.

Мерой расхода является напряжение между электродами, возникающее в результате взаимодействия потока электропроводной жидкости с магнитным полем.

Отсутствие электроизоляционной футеровки канала расходомера приводит к тому, что на показания расходомера влияет шунтирующее действие стенки трубы.

По стенке трубы и в жидкости протекают циркуляционные токи, шунтирующие электрическое поле в жидкости и вызывающие снижение напряжения между электродами, оцениваемое коэффициентом k_t, который определяется из выражения

где d и D - диаметры трубы (внутренний и наружный); σ и σ_t - электропроводность жидкости и материала трубы,

Значение k_t≥1. Оно тем ближе к единице, чем меньше разница между d и D, т.е. чем тоньше стенка трубы и чем меньше отношение σ_t/σ.

Коэффициент k_t, представленный выражением (1), соответствует условиям, когда магнитное поле в канале распределено однородно. Практически все электромагнитные расходомеры жидкого металла имеют неоднородное магнитное поле, однородная часть которого распределена вдоль оси канала только на длине, не более (1,0~0,5) диаметра трубы, поскольку такое магнитное поле обеспечивает оптимальные характеристики прибора: максимальную чувствительность при минимальном потреблении энергии для создания магнитного поля. В настоящее время действительное значение шунтирующего эффекта у исследуемого расходомера оценивается экспериментально с помощью проливного расходомерного стенда, работающего на жидком металле. Сложность исследования расходомеров жидких металлов на проливных стендах вынуждает искать иные, т.е. беспроливные способы исследования расходомеров, в частности способы имитационного моделирования.

Известен способ [2] имитационного моделирования электромагнитных расходомеров, предусматривающий преобразование магнитного поля расходомера в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещаемой в канал, интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования расходомера К_р.

Индукционная катушка выполнена в виде плоской многослойной печатной платы, причем витки катушки размещены вдоль линий равного значения поверхностной весовой функции [3]. Индукционная катушка размещается в канале расходомера в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды. Причем одна из осей симметрии индукционной катушки совпадает с линией, соединяющей электроды расходомера.

Недостатком известного способа является невозможность моделировать зависимость коэффициента преобразования электромагнитного расходомера от шунтирующего действия электропроводной стенки канала, поскольку поверхностная весовая функция получена для расходомера с изолированной стенкой канала и, следовательно, не отражает шунтирующий эффект, вызванный электропроводной стенкой канала.

Способ имитационного моделирования [2] является наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа имитационного моделирования работы электромагнитных расходомеров с токопроводящей стенкой канала.

Эта цель достигается тем, что индукционная катушка, помещаемая в канал исследуемого расходомера, имеет витки, размещенные вдоль линий равного значения поверхностной весовой функции другого расходомера, т.е. расходомера с неэлектропроводной стенкой канала. Причем другой расходомер является физической моделью исследуемого расходомера. Под физической моделью исследуемого расходомера понимается расходомер с изолированной стенкой канала, внутрь которой вставлены электроды, контактирующие с измеряемой жидкостью. В канале физической модели имеется неподвижный пограничный слой измеряемой жидкости, создающий циркуляционные токи в жидкости, такие же какие имеются в исследуемом расходомере (оригинале). Для того чтобы неподвижный пограничный слой измеряемой жидкости создавал тот же эффект шунтирования электрического поля в жидкости, что и токопроводящая стенка канала, необходимо обеспечивать равенство коэффициентов k_t для оригинала и модели. У физической модели неподвижный пограничный слой имеет ту же электропроводность, что и движущаяся жидкость, т.е. σ_t/σ=1, поэтому коэффициент k_t для физической модели вычисляется по формуле (2), полученной из выражения (1).

где D_m - диаметр канала физической модели, d_m - диаметр центральной области канала модели расходомера, в которой скорость жидкости имеет ту же величину и распределение, что и в расходомере-оригинале, т.е. d_m=d. Толщина неподвижного пограничного слоя λ у физической модели равна

Ниже приводится пример расчета физической модели электромагнитного расходомера жидкого натрия с диаметром канала 100 мм при рабочей температуре жидкого натрия 300°С.

Труба расходомера-оригинала выполнена из нержавеющей стали, электропроводность σ_t которой при температуре 300°С равна 0.2·10⁷ См/м. Электропроводность жидкого натрия σ при температуре 300°С составляет 6·10⁶ См/м. Т.е. отношение σ_t/σ=0,333. Другие параметры расходомера-оригинала - следующие: d=100 мм, D=110 мм, k_t=0,962.

Параметры физической модели расходомера жидкого натрия при температуре 300°С и при условии равенства правых частей выражений (1) и (2) принимают следующие значения: диаметр канала D_m=103,95 мм, толщина неподвижного пограничного слоя λ=1,95 мм, d_m=100 мм.

Физическая модель воспроизводит тот же шунтирующий эффект, который вызван электропроводной стенкой канала. Физическая модель отличается от расходомера-оригинала тем, что у нее стенка канала неэлектропроводна, диаметр канала D_m отличается от диаметра канала d расходомера-оригинала, и это отличие учтено с помощью коэффициента k_t, т.е.

В канале физической модели существует неподвижный слой измеряемой жидкости, толщина которого равна λ.

Предлагаемый способ имитационного моделирования электромагнитного расходомера жидкого металла с электропроводной стенкой канала осуществляется следующим образом. В канал расходомера помещается индукционная катушка, причем одна из осей симметрии индукционной катушки совпадает с линией, соединяющей электроды расходомера. Индукционная катушка выполнена в виде плоской многослойной печатной платы, имеет витки, размещенные вдоль линий равного значения поверхностной весовой функции физической модели исследуемого расходомера. Под действием переменного низкочастотного импульсного магнитного поля, создаваемого индуктором, в индукционной катушке наводится электрическое напряжение. Согласно [2] производится интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования расходомера К_р.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности имитационного моделирования электромагнитных расходомеров с электропроводной стенкой канала.

Источники информации

1. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Издательство «Машиностроение», Ленинград, 1982 г., 214 с.

2. Патент RU 2146042 C1, 7 G01F 25/00, Бюллетень №6, 2000.

3. Авторское свидетельство СССР, №627343, кл. G01F 25/00, Бюллетень №37, 1978.

Изобретение предназначено для имитационного моделирования работы электромагнитных расходомеров, используемых для измерения расхода жидкометаллического теплоносителя в энергетических установках. С помощью индукционной катушки преобразуют магнитное поле расходомера в электрическое напряжение. Витки индукционной катушки размещены вдоль линий равного значения поверхностной весовой функции расходомера - физической модели электромагнитного расходомера жидкого металла, представляющей собой расходомер, имеющий трубу со стенкой канала, выполненной из электроизоляционного материала диаметром D_m=k_td, где D - наружный диаметр трубы, d - диаметр канала со стенкой из электропроводного материала, k_t - коэффициент, зависящий от соотношения d/D и электропроводности материала трубы и жидкометаллической среды. Интегрируют электрическое напряжение, полученное на выходных клеммах индукционной катушки, и определяют коэффициент преобразования расходомера. Изобретение повышает точность имитационного моделирования электромагнитных расходомеров с токопроводящей стенкой канала.

Способ имитационного моделирования работы электромагнитного расходомера для измерения жидкометаллической среды, имеющего электроды, вставленные в стенку канала диаметром d, выполненную из электропроводного материала, включающий преобразование магнитного поля расходомера в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, витки которой размещены вдоль линий равного значения поверхностной весовой функции, помещаемой в канал расходомера, интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования расходомера, отличающийся тем, что витки индукционной катушки размещены вдоль линий равного значения поверхностной весовой функции расходомера - физической модели указанного электромагнитного расходомера жидкого металла, представляющей собой расходомер, имеющий трубу со стенкой канала, выполненной из электроизоляционного материала диаметром, равным D_m=k_td, где коэффициент k_t - коэффициент, определяемый выражением:

где D - наружный диаметр трубы;
σ_t- электропроводность материала трубы;
σ - электропроводность жидкометаллической среды.