Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ

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]. Расходомер имеет трубу из нержавеющей стали без изоляционного покрытия внутренней поверхности, два электрода, приваренных к наружной поверхности стенки трубы, индуктор, создающий магнитное поле в рабочей зоне канала трубы и измерительного устройства. 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. В [2] приведена конструкция электромагнитного расходомера с индуктором, состоящим из магнитопровода и расположенной на нем индукционной катушки, питаемой электрическим током. У расходомера [2] индуктор крепится к трубе только в местах на поверхности трубы, в которых электрический потенциал индуцированного электрического поля всегда равен нулю вне зависимости от скорости потока жидкого металла. Измерительное устройство обеспечивает питание индукционной катушки низкочастотным импульсным биполярным током I и измерение разности потенциалов между электродами U_s. При этом мерой расхода жидкого металла Q служит отношение измеренной разности потенциалов между электродами к току питания индуктора, т.е.

Где k - постоянный коэффициент, характеризующий конструкцию расходомера. Достоинством такого решения является компактность конструкции и высокие метрологические характеристики при измерении расхода жидких металлов, обладающих хорошим и стабильным электрическим контактом со стенками канала трубы. Такими металлами являются, например, жидкий натрий (Na), литий (Li), калий (K) и др.

Недостаток известной конструкции магнитного расходомера, описанного в [2], состоит в том, расходомер имеет низкую точность измерения жидкого свинца (Pb) или сплава свинца и висмута (Pb44,5%Bi55,5%). Эти металлы имеют нестабильный электрический контакт со стенкой трубы, выполненной из нержавеющей стали. При измерении этих металлов появляется дополнительное контактное электрическое сопротивление между жидким металлом и стенкой трубы, которое вызывает дополнительную погрешность измерения вследствие своего непостоянства. Значительное контактное сопротивление возникает вследствие плохого смачивания внутренней поверхности трубы, последнее имеет место, когда угол смачивания больше 90°.

Целью изобретения является создание электромагнитного расходомера для жидких металлов, обладающих плохой смачиваемостью со стенкой трубы и, следовательно, нестабильным электрическим контактом со стенкой канала расходомера. Предлагаемый электромагнитный расходомер предназначен для измерения расхода свинца (Pb) и сплава свинца и висмута (Pb44,5%Bi55,5%).

Для достижения этой цели у электромагнитного расходомера имеется вторая пара электродов, введенных внутрь трубопровода до контакта с пограничным слоем жидкого металла изолированно от стенки трубопровода, а измерительное устройство имеет второй канал измерения, подключенный к электродам второй пары. При этом мерой расхода служит сумма разностей потенциалов двух пар электродов, произведенная с весовыми коэффициентами.

Где U_µ - разность потенциалов между электродами, контактирующимися с жидким металлом, λ_s и λ_µ - весовые коэффициенты, определяемые расчетным или экспериментальным методом.

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

Электромагнитный расходомер жидкого металла состоит из трубы 1, выполненной из нержавеющей стали без электроизоляционного покрытия, и индуктора, представляющего собой электромагнит, состоящий из магнитопровода 2 с полюсами 3 и индукционной катушки 4. Для крепления индуктора к трубе у полюсов вдоль их оси имеются отверстия, т.е. оси отверстий совпадают с осями полюсов 5. Индуктор закреплен к трубе с помощью стоек 6, вставленных в вышеупомянутые отверстия полюсов. Стойки приварены к трубе 1 в местах пересечения образующей трубы с осью полюсов 5. С противоположной стороны стойки завинчены гайками. В стенке трубы вдоль линии, перпендикулярной линии, соединяющей центры полюсов и ось канала, имеются два отверстия, в которые вставлены втулки 10, выполненные из нержавеющей стали. Внутрь каждой втулки 10 вставлен керамический изолятор 9 с электродом 7. Таким образом, герметично и изолированно от стенки трубы введены два электрода 7, контактирующих с жидким металлом. Рядом с отверстиями к внешней поверхности трубы 1 приварены два электрода 8. Обе пары электродов подведены по соответствующим измерительным каналам к измерительному устройству.

Электромагнитный расходомер жидкого металла работает следующим образом. К индукционной катушке подводится низкочастотный импульсный биполярный ток, в результате которого в канале трубы создается импульсное биполярное магнитное поле. При движении жидкого металла по каналу в жидком металле, пересекающем магнитное поле, возбуждается электрическое поле, которое образует циркуляционные токи в жидком металле и контактирующей с ним стенке трубы. Сигналы U_s и U_µ каждой пары электродов измеряются только в те промежутки времени, когда индукция магнитного поля постоянна, причем его полярность периодически инвертируется. Период переходного процесса не является информативным и исключается из процесса измерения. Применение импульсного магнитного поля позволило отделить информативную составляющую сигнала от электромагнитных помех, изменение которых во времени не кратно частоте изменения магнитного поля возбуждения. Таким образом, помехи, вызванные промышленной частотой и термоЭДС, полностью устранены.

Контактное сопротивление между стенкой и жидким металлом различно влияет на сигналы, снимаемые с каждой пары электродов U_s и U_µ. Например, с увеличением контактного сопротивления разность потенциалов между электродами, контактирующими с пограничным слоем жидкого металла U_µ, увеличивается, в то время как разность потенциалов между электродами, контактирующими с внешней стенкой трубы U_s, уменьшается. При этом их сумма (с учетом весовых коэффициентов) остается приблизительно постоянной.

У электрода, касающегося пограничного слоя жидкого металла, за счет его плохой смачиваемости может возникать собственное нестабильное контактное сопротивление, которое, однако, не влияет на результат измерений, поскольку оно существенно меньше входного сопротивления измерительного устройства. Суммирование усредненных значений сигналов каждой пары электродов обеспечивает существенное снижение влияния нестабильности контактного сопротивления между жидким металлом и трубой.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности измерения расхода свинца (Pb), сплава свинца и висмута (Pb44,5%Bi55,5%) и др.

Источники информации

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

2. Патент РФ №2431118, бюлл. №28, 2011 г.