ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА Российский патент 2015 года по МПК G01F1/58 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электромагнитным расходомерам, предназначенным для измерения расхода жидких металлов.

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, измерительные электроды, приваренные к наружной поверхности стенки трубы, и индуктор, создающий магнитное поле в рабочей зоне канала трубы. Индуктор может состоять из магнитопровода и постоянных магнитов либо быть электромагнитом, т.е. состоящим из магнитопровода и расположенной на нем индукционной катушки, питаемой электрическим током.

Для измерения расхода жидких металлов в трубах большого диаметра применяют индуктор, создающий магнитное поле в локальной части канала, благодаря чему упрощается конструкция индуктора и расходомера в целом [2]. Магниторовод имеет две полюсные пластины, соединенные скобой, причем полюсные пластины находятся на одной стороне трубы таким образом, что оси каждой полюсной пластины проходят через центр канала перпендикулярно оси канала и образуют между собой угол, меньший 180°, а измерительные электроды находятся диаметрально противоположно на линии, проходящей через центр канала трубы. Индукционная катушка расположена на скобе таким образом, что линия, соединяющая электроды, является осью симметрии катушки.

Недостатком этого расходомера является нелинейность зависимости показаний от объемного расхода жидкого металла. Нелинейность характеристики расходомера вызвана циркуляционными токами в жидком металле, которые при больших расходах образуют вторичные магнитные поля, искажающие магнитное поле возбуждения, создаваемое индукционной катушкой. Величина индуцированного (вторичного) магнитного поля может характеризоваться магнитным числом Рейнольдса (Re_m)

$${\mathrm{Re}}_m=Lv\sigma \mu ;(1)$$

где L - характерный линейный размер, v - скорость потока, σ - электропроводность измеряемой среды, µ - магнитная проницаемость измеряемой среды. В качестве характерного линейного размера L в данном случае понимается расстояние между центрами полюсных пластин индуктора, которое ориентировочно характеризует размеры локального магнитного поля в канале расходомера.

Если магнитное число Рейнольдса достигает значений, больших единицы (Re_m>1), то магнитное поле в канале расходомера претерпевает заметные изменения, вызываемые индуцированными циркуляционными токами в измеряемой среде, которые снижают чувствительность расходомера к расходу жидкого металла. Поскольку магнитное число Рейнольдса зависит от скорости потока, то искажение магнитного поля отсутствует при малых расходах и постепенно возрастает с увеличением расхода, таким образом возникает нелинейная зависимость показаний от расхода.

Расходомер, описанный в патенте [2], является наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения.

Целью изобретения является создание расходомера жидких металлов в трубе большого диаметра с линейной зависимостью показаний от расхода, т.е. нечувствительного к магнитному числу Рейнольдса.

Предлагаемый электромагнитный расходомер жидких металлов отличается от описанного в [2] тем, что вдоль образующей трубы, находящейся внутри угла, меньшего 180°, расположены четыре дополнительных электрода со следующими координатами относительно точки пересечения образующей трубы с линией симметрии индукционной катушки: ±0,538R и ±0,906R, где R - радиус канала.

Измерительное устройство расходомера выполняет последовательно измерения разности потенциалов между одним измерительным электродом, удаленным от индуктора, и каждым из пяти других электродов, находящихся на трубе вблизи индуктора. Затем программно суммируются измеренные разности потенциалов с учетом весовых коэффициентов, присущих применяемому методу интегрирования Гаусса по пяти точкам, и строится зависимость полученной суммы от расхода. При этом достигается линейная характеристика показаний расходомера от объемного расхода вне зависимости от магнитного числа Рейнольдса.

Суть изобретения состоит в следующем. Вторичное магнитное поле, индуцируемое в жидком металле, образуется только на краях участка рабочего магнитного поля, распределенного в канале прибора. Причем если на входе по движению потока оно ослабляет исходное магнитное поле, то на выходе усиливает его в той же мере. В результате сложения исходного и вторичного магнитных полей результирующее поле не изменило своего интегрального значения, однако оказывается смещенным по направлению движения жидкого металла с несколько деформированными краями фронтов. Величина смещения магнитного поля и деформация краев тем больше, чем больше магнитное число Рейнольдса. Смещение магнитного поля возбуждения, естественно, вызывает аналогичное смещение индуцированного электрического поля на внешней поверхности трубы. Если произвести суммирование сигналов, снятых с нескольких точек, размещенных на протяженном участке трубы, захватывающем краевые зоны, то суммарное значение сигналов оказывается линейно связанным с расходом и, следовательно, нечувствительно к магнитному числу Рейнольдса. Измерительный электрод, расположенный на противоположной стороне трубы от индуктора, находится относительно далеко от магнитного поля возбуждения, поэтому имеет практически нулевой электрический потенциал, т.е. мало зависящий от значения расхода и Re_m, в то время как на образующей трубы, где расположены пять электродов, электрическое поле существенно зависит от объемного расхода и магнитного числа Рейнольдса. Расстояние между этими пятью электродами выполнено с учетом применения метода интегрирования Гаусса по пяти точкам [3]. Такое расположение электродов позволяет обеспечить наиболее высокую точность интегрирования сигналов при минимальном числе электродов.

На фиг.1 приведена схема конструкции предлагаемого электромагнитного расходомера жидкого металла.

Электромагнитный расходомер жидкого металла состоит из трубы 1, выполненной из нержавеющей стали, двухполюсного магнитопровода, состоящего из скобы 2 и двух полюсных пластин 3. На центральной части скобы 2 расположена индукционная катушка 4. Полюсные пластины 3 магнитопровода установлены на одной стороне трубы таким образом, что их оси проходят через центр канала перпендикулярно оси канала и образуют между собой угол α, меньший 180°. К трубе приварены электроды, причем один электрод 5 расположен на пересечении с линией симметрии 7 образующей трубы, удален от индукционной катушки, а пять электродов 6 расположены на образующей трубы вблизи индукционной катушки 4.

Электромагнитный расходомер жидкого металла работает следующим образом. К индукционной катушке подводится электрический ток, в результате которого в канале трубы создается локальное магнитное поле между полюсными пластинами индуктора. При движении жидкого металла по каналу трубы в жидком металле, пересекающем магнитное поле, возбуждается электрическое поле, которое вызывает появление в жидком металле и контактирующей с ним стенке трубы циркуляционных токов. В результате протекания токов по стенке трубы создается электрическое поле, которое служит мерой объемного расхода жидкого металла. Измерительное устройство расходомера выполняет последовательно измерения разности потенциалов между одним измерительным электродом 5, находящимся удаленно от индуктора, и каждым из пяти других электродов 6, находящихся вблизи индуктора. Затем суммируются измеренные разности потенциалов с учетом их весовых коэффициентов, которые соответствуют методу интегрирования Гаусса по пяти точкам [3], и строится зависимость полученной суммы от расхода. При этом достигается линейная зависимость показаний от объемного расхода вне зависимости от магнитного числа Рейнольдса.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности метрологических характеристик расходомера.

ИСТОЧНИКИ ИФОРМАЦИИ

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

2. Патент RU №2474791, Бюлл. №4, 2013 г.

3. Г. Корн, Т. Корн, Справочник по математике, Москва «Наука», 1984, 832.

Электромагнитный расходомер жидких металлов, имеющий цилиндрическую трубу, выполненную из немагнитного материала, два измерительных электрода, приваренных к внешней поверхности трубы, индуктор, имеющий индукционную катушку и магнитопровод, имеющий две полюсные пластины, соединенные скобой, причем полюсные пластины находятся на одной стороне трубы таким образом, что оси каждой полюсной пластины проходят через центр канала перпендикулярно оси канала и образуют между собой угол, меньший 180°, а измерительные электроды находятся диаметрально противоположно на линии, проходящей через центр канала трубы, индукционная катушка расположена на скобе таким образом, что линия, соединяющая измерительные электроды, является осью симметрии катушки. При этом вдоль образующей трубы, находящейся на равном расстоянии между полюсами индуктора внутри угла, меньшего 180°, относительно точки пересечения образующей с линией симметрии катушки расположены дополнительные четыре электрода со следующими координатами: ±0,538R и ±0,906R, где R - радиус канала. Технический результат - обеспечение независимости показаний расходомера от магнитного числа Рейнольдса. 1 ил.

Электромагнитный расходомер жидких металлов, имеющий цилиндрическую трубу, выполненную из немагнитного материала, два измерительных электрода, приваренных к внешней поверхности трубы, индуктор, имеющий индукционную катушку и магнитопровод, имеющий две полюсные пластины, соединенные скобой, причем полюсные пластины находятся на одной стороне трубы таким образом, что оси каждой полюсной пластины проходят через центр канала перпендикулярно оси канала и образуют между собой угол, меньший 180°, а измерительные электроды находятся диаметрально противоположно на линии, проходящей через центр канала трубы, индукционная катушка расположена на скобе таким образом, что линия, соединяющая измерительные электроды, является осью симметрии катушки, отличающийся тем, что вдоль образующей трубы, находящейся на равном расстоянии между полюсами индуктора внутри угла, меньшего 180°, относительно точки пересечения образующей с линией симметрии катушки расположены дополнительные четыре электрода со следующими координатами: ±0,538R и ±0,906R, где R - радиус канала.