Способ измерения расхода

 

Использование: в измерительной технике для измерения расхода диамагнитных жидких сред, преимущественно жидкого гелия. Сущность изобретения: способ измерения расхода жидкого гелия заключается в создании жесткого сужения потока в трубопроводе путем формирования кольцевой газовой каверны, примыкающей к внутренней стенке трубопровода посредством неоднородного магнитного поля соленоида, охватывающего трубопровод, отношение высоты которого к его внутреннему диаметру находится в пределах 0,1 - 0,5, и измеряют перепад давления на местном сужении потока. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении расхода диамагнитных жидких сред, преимущественно жидкого гелия.

Известен способ измерения расхода, основанный на зависимости от него перепада давления, создаваемого при сужении (сжатии) потока при помощи помещаемых в трубопровод сужающих устройств (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л. Машиностроение, Лен. отд. 1989, изд. 4-е, с. 10 - 13).

Данный способ используется также при измерении расхода жидкого гелия и других диамагнитных жидкостей. И в этом случае осуществляют сужение потока при помощи помещаемых в трубопровод сужающих устройств, главным образом диафрагмы (МИ 1965-89). Этот способ является наиболее близким к предлагаемому и характеризующим технический уровень отрасли.

Использование сужающих устройств, помимо очевидных их преимуществ, связано также с рядом недостатков, например со снижением технологичности, поскольку неизбежно нарушение целостности трубопровода для размещения в нем сужающего устройства. Кроме того, при измерении расхода жидкого гелия и подобных ему по физическим свойствам жидких сред помещаемые на пути потока сужающие устройства подвергаются активному разрушению вследствие воздействия низкокипящей среды и термической усталости материала, связанной с многократным захолаживанием гидравлической части расходомера.

И, наконец, в тех случаях, когда расход продукта допускается контролировать лишь периодически, постоянно установленные сужающие устройства приводят к неоправданно большим потерям напора.

В патентуемом изобретении сужение потока осуществлено принципиально иным путем и оно лишено указанных недостатков известного способа.

От известного способа измерения расхода жидкого гелия, предусматривающего местное сужение потока в трубопроводе и измерение зависящего от расхода перепада давления на местном сужении, патентуемый способ отличается тем, что местное сужение потока создают с помощью неоднородного магнитного поля соленоида, охватывающего трубопровод, образованием удерживаемой на внутренней поверхности трубопровода кольцевой газовой каверны, причем отношение высоты к внутреннему диаметру соленоида принимают в пределах 0,1 0,5.

Способ поясняется чертежом.

Расходомер, реализующий способ, содержит участок трубопровода 1, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, и датчик 2 перепада давления, подсоединенный импульсными линиями к участку трубопровода по обе стороны от соленоида 3, охватывающего участок трубопровода 1. В качестве соленоида 3 может быть использован сверхпроводящий электромагнит, позволяющий получить магнитное поле с индукцией В₂, равной 15 Тл (Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. М. Мир, 1985, 405 с. с. 10, 14). Для охлаждения электромагнита может быть использована измеряемая среда жидкий гелий. Отношение высоты к внутреннему диаметру соленоида 3 находится в пределах 0,1 - 0,5, что обеспечивает создание в области трубопровода 1, охваченной соленоидом 3 и имеющей одинаковое с ним отношение длины к внутреннему диаметру трубопровода 1, неоднородного магнитного поля, при котором радиальная составляющая индукции магнитного поля на внутренней поверхности участка трубопровода 1 в плоскостях торцов соленоида 3 имеет максимальное значение.

При этом под действием пондеромоторной силы взаимодействия неоднородного магнитного поля и измеряемой среды жидкого гелия происходит его отжатие от внутренней поверхности участка трубопровода 1, охваченного соленоидом 3, и образуется местное сужение потока, являющееся кольцевой газовой каверной 4, имеющей указанное отношение ее длины к внутреннему диаметру трубопровода 1, соблюдение которого необходимо для снижения необратимых потерь давления на полученном местном сужении потока.

Измерение расхода жидкого гелия по данному способу осуществляется следующим образом.

При движении потока жидкого гелия по трубопроводу 1 на немагнитном его участке, охваченном снаружи соленоидом 3, происходит деформация профиля потока вследствие взаимодействия диамагнитной среды (жидкого гелия) с неоднородным магнитным полем, созданным соленоидом 3. При этом пондеромоторная сила взаимодействия магнитного поля и диамагнитной среды стремится удалить последнюю из области, где магнитная индукция имеет максимальное значение, т.е. из области, прилегающей к внутренней поверхности немагнитного участка трубопровода 1 внутри соленоида 3. Вследствие отжатия жидкого гелия от внутренней поверхности немагнитного и неэлектропроводного участка трубопровода 1 образуется устойчивая кольцевая каверна 4, заполненная парами жидкого гелия, магнитная восприимчивость которых на три порядка меньше, чем у жидкого гелия. Образование устойчивой кольцевой газовой каверны 4 в пристеночной области трубопровода 1 вызывает местное сужение потока жидкого гелия. Возникающий на нем перепад давления, как меру расхода, измеряют датчиком 2.

В случае периодического контроля расхода жидкого гелия напряжение на соленоид 3 может подаваться только на время проведения измерений, что позволяет снизить потери напора жидкого гелия в предложенном способе измерения расхода.

Оценка количественных соотношений, характеризующих параметры магнитогидродинамического процесса, происходящего в предложенном способе измерения расхода, может быть произведена с помощью магнитного числа Эйлера Еим, имеющего вид где перепад давления, удерживаемый объемной магнитной силой, действующей со стороны неоднородного магнитного поля соленоида 3 на диамагнитную жидкость, μ₂ - относительная магнитная проницаемость диамагнитной жидкости (для жидкого гелия μ₂= 0,99999652 ), B₂ максимальное значение радиальной составляющей индукции магнитного поля внутри соленоида, 4π·10^-7 Гн/м магнитная постоянная, P∂ = ρV²_o/2 динамической напор потока жидкости, ρ плотность жидкости (для жидкого гелия ρ = 145 кг/м³, ), V₀ максимальная скорость движения жидкости.

В случае измерения расхода жидкого гелия со скоростью потока V₀, равной 1,5 м/с, и использовании соленоида с магнитной индукцией B₂ 7,5 Тл Таким образом при данных условиях магнитная энергия соленоида сравнима с кинетической энергией потока, что подтверждает возможность практического использования предложенного способа измерения расхода.

Формула изобретения

Способ измерения расхода жидкого гелия, включающий измерение перепада давления на местном сужении потока в трубопроводе, отличающийся тем, что местное сужение потока создают путем формирования кольцевой газовой каверны, примыкающей к внутренней стенке трубопровода, посредством неоднородного магнитного поля соленоида, охватывающего трубопровод, отношение высоты которого к его внутреннему диаметру находится в пределах 0,1 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1