СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ Российский патент 2016 года по МПК G01F25/00 

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода электропроводных жидкостей с помощью электромагнитных расходомеров [1], [2], к технике их имитационного моделирования.

Известен способ [3], [4] 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. Коэффициент преобразования К_р определяется выражением

где U - напряжение между электродами, I - ток возбуждения магнитного поля индуктором, Q - объемный расход жидкого металла.

Индукционная катушка выполнена в виде плоской многослойной печатной платы, причем витки катушки размещены вдоль линий равного значения весовой функции. Индукционная катушка размещается в канале моделируемого 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 [3], [4] является низкая точность моделирования электромагнитных расходомеров, если измеряемая среда обладает высокой электропроводностью, например жидкий металл.

Известно [1], что при высокой электропроводности измеряемой среды у электромагнитных расходомеров проявляется чувствительность к влиянию на результат измерения магнитного числа Рейнольдса (Re_m)

где D - диаметр канала, µ - магнитная проницаемость жидкого металла, σ - электропроводность жидкого металла. При Re_m>1 возникает известный эффект - снос (смещение) магнитного поля возбуждения в направлении движения потока жидкого металла.

При движении жидкого металла по трубе, в нем, в результате взаимодействия с магнитным полем индуктора, на границах рабочей зоны, т.е. зоны магнитного поля в канале, образуются циркуляционные токи, создающие свои магнитные поля, причем величина циркуляционных токов и соответственно величина создаваемых ими магнитных полей пропорциональны магнитному числу Рейнольдса. По направлению движения жидкого металла на входе в рабочую зону расходомера магнитное поле циркуляционных токов направлено навстречу магнитному полю индуктора, а на выходе из рабочей зоны расходомера магнитное поле циркуляционных токов направлено согласно с магнитным полем индуктора. Таким образом, суммарное магнитное поле циркуляционных токов и индуктора оказывается практически таким же, как магнитное поле индуктора, но смещено на некоторую величину λ=f(Re_m) вдоль оси канала, в направлении движения потока жидкого металла. Чем выше Re_m, тем больше снос магнитного поля. Под линейным размером λ понимается расстояние центров площадей эпюр распределения магнитного поля в плоскости оси канала, перпендикулярной линии, соединяющей электроды. Чем выше значение магнитного числа Рейнольдса, тем больше линейный размер λ, т.е. расстояние центра площади эпюры образованного распределения магнитного поля, от его первоначального положения, когда жидкий металл был неподвижен.

В [3], [4] описан способ имитационного моделирования электромагнитного расходомера в режиме малых магнитных числах Рейнольдса (при Re_m<1), т.е. когда практически отсутствует снос магнитного поля. Индукционная катушка устанавливается в канале расходомера при λ=0, т.е. таким образом, чтобы ее оси симметрии совпадали с осью канала и линией, соединяющей электроды. При включении магнитного поля расходомера в индукционной катушке наводится сигнал, пропорциональный сигналу, возникающему между электродами при движении измеряемой среды, соответствующем Re_m<1. Согласно [3], [4] с помощью индукционной катушки осуществляется преобразование магнитного поля расходомера в электрическое напряжение, интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования расходомера К_р.

Поскольку коэффициент преобразования К_р определяется магнитным полем в рабочей зоне канала, т.е. в зоне расположения электродов, то при сносе магнитного поля его величина в рабочей зоне уменьшается, соответственно уменьшается и коэффициент К_р. Т.о. смещенное положение магнитного поля изменяет коэффициент преобразования расходомера и вносит ошибку в показания расходомера. Чем выше значение магнитного числа Рейнольдса, тем больше линейный размер λ, тем становится слабее магнитное поле в центральном поперечном сечении канала, тем больше снижается величина коэффициента К_р, тем больше ошибка измерения расхода.

Функция λ=f(Re_m) поддается как расчету, так и определению на основе экспериментальных исследований модели расходомера [5].

Сложность исследования расходомеров жидких металлов на проливных стендах вынуждает искать иные, т.е. беспроливные способы исследования расходомеров, в частности способы имитационного моделирования.

Способ имитационного моделирования [3], [4] является наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа имитационного моделирования работы электромагнитных расходомеров при числах Re_m, больших единицы, встречающихся в практике измерения расхода жидких металлов.

Эта цель достигается тем, что определение коэффициента К_р производится при нескольких положениях индукционной катушки, различающихся смещением λ вдоль оси канала относительно линии, соединяющей электроды в направлении, противоположном предполагаемому направлению потока жидкого металла.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем.

В положении индукционной катушки, расположенной смещено на величину λ, катушка воспринимает магнитное поле такого распределения в канале расходомера, которое эквивалентно магнитному полю, снесенному в направлении движения потока при соответствующем магнитном числе Рейнольдса. Иными словами положение индукционной катушки, смещенное относительно центрального поперечного сечения канала, моделирует соответствующий эффект влияния магнитного числа Рейнольдса.

При Re_m>1 наблюдается смещение магнитного поля относительно линии, соединяющей электроды, в направлении движения потока. Этот же эффект воспроизводится аналогичным смещенным положением индукционной катушки вдоль оси канала в противоположном направлении относительно линии, соединяющей электроды. Таким образом, имитационное моделирование эффекта смещения магнитного поля при больших числах Re_m осуществляется беспроливным способом смещением индукционной катушки относительно ее штатного положения по [3], [4] вдоль оси канала на ту же величину, но в противоположном направлении.

Реализация способа имитационного моделирования влияния магнитного числа Рейнольдса на сигнал расходомера состоит в следующем. Задаются значениями объемного расхода жидкого металла Q, для которых необходимо определить K_р. Для этих значений объемного расхода вычисляются магнитные числа Рейнольдса согласно выражению (2). Далее соответствие величины λ задаваемым значениям Q и Re_m вычисляется, либо берется на основе экспериментальных материалов [5].

Располагая индукционную катушку в соответствии с рассчитанными значениями λ, определяются коэффициенты преобразования К_р. После чего строится зависимость между объемным расходом и коэффициентом К_р во всем диапазоне измеряемых расходов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности имитационного моделирования электромагнитных расходомеров при режимах, соответствующих высоким магнитным числам Рейнольдса (Re_m>l).

Источники информации

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

2. Патент RU №2431118, Бюл. №28, 2011 г.

3. Авторское свидетельство 165910, Бюл. №20, 1964 г.

4. Патент RU 2146042, Бюл. №6, 2000 г.

5. Васильев В.Ф., Лаврентьев И.В. Концевые эффекты в магнитогидродинамических каналах при конечных магнитных числах Рейнольдса, - ПМТФ, 1971, №3, с. 19-27.

Изобретение относится к имитационному способу моделирования электромагнитных расходомеров с помощью индукционной катушки, помещаемой в канал расходомера, и определения коэффициента преобразования К_р. Способ позволяет моделировать электромагнитный расходомер при измерении расхода жидких металлов и при высоких магнитных числах Рейнольдса Re_m. Реализация способа имитационного моделирования влияния магнитного числа Рейнольдса на сигнал расходомера состоит в следующем. Задаются значениями объемного расхода жидкого металла Q, для которых необходимо определить K_р. Для этих значений объемного расхода вычисляются магнитные числа Рейнольдса, далее, соответствие величины λ задаваемым значениям Q и Re_m вычисляется, либо берется на основе экспериментальных материалов. Располагая индукционную катушку в соответствии с рассчитанными значениями λ, определяются коэффициенты преобразования К_р. После чего строится зависимость между объемным расходом и коэффициентом К_р во всем диапазоне измеряемых расходов. Технический результат - повышение точности имитационного моделирования электромагнитных расходомеров при режимах, соответствующих высоким магнитным числам Рейнольдса. 1 з.п. ф-лы.

1. Имитационный способ 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, отличающийся тем, что определение коэффициента производится при одном или нескольких положениях индукционной катушки, различающихся смещением λ вдоль оси канала относительно линии, соединяющей электроды в направлении, противоположном предполагаемому направлению потока жидкого металла, причем величина λ является функцией магнитного числа Рейнольдса λ=f(Re_m).

2. Имитационный способ по п. 1, отличающийся тем, что функцию λ=f(Re_m) определяют расчетным или экспериментальным способом.