Вихревой электромагнитный преобразователь расхода жидкого металла

Изобретение может быть использовано для измерения жидкометаллических теплоносителей в ядерной энергетике. Преобразователь расхода содержит участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде создающего вихри Карман стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы. Магнит, размещенный снаружи трубы, создает внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, составляющая вектора магнитной индукции которого параллельна продольной оси тела обтекания. На поверхности трубы приварены электроды чувствительного элемента преобразователя, по крайней мере один из которых является индикаторным и установлен под одним из полюсов магнита на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания. В варианте выполнения два индикаторных электрода установлены в сечениях трубы, отстоящих друг от друга на заданном расстоянии. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к средствам контроля потоков жидких металлов, и может быть использовано, например, для измерения расхода и количества жидкометаллических теплоносителей в ядерных энергетических установках.

Известен вихревой электромагнитный расходомер-счетчик жидкости (Патент РФ №2085854 C1, G01F 1/32, 27.07.1997), который в соответствующем варианте исполнения может использоваться для жидкого металла. Принцип работы устройства основан на взаимодействии вихревой дорожки Кармана с продольным магнитным полем, направленным параллельно оси трубопровода. Устройство содержит трубопровод из немагнитного материала с телом обтекания, ось которого перпендикулярна оси трубопровода, магнитную систему, чувствительный элемент в виде двух электродов, по крайней мере, один из которых размещен в области приложения магнитного поля, и блок обработки сигналов. Магнитная система устройства выполнена в виде двухполюсного С-образного магнита, полюса которого размещены последовательно вдоль линии пересечения наружной поверхности трубы с плоскостью продольных осей трубопровода и тела обтекания. Электроды устройства установлены на поверхности трубы между полюсами магнита на образующей, параллельной оси трубопровода.

Недостатком устройства при реальных магнитных и весо-габаритных параметрах С-образного магнита является недостаточная концентрация магнитной индукции в контролируемой зоне потока, что обусловлено высокой степенью рассеивания магнитного поля в пространстве. При этом с уменьшением скорости потока снижается чувствительность устройства, что существенно ограничивает диапазон его работоспособности по расходу жидкости.

Известен вихревой электромагнитный преобразователь расхода для электропроводящих жидкостей, принцип работы которого основан на взаимодействии вихревой дорожки Кармана с поперечным магнитным полем, направленным перпендикулярно оси трубопровода (Патент РФ №1838789, кл. 5G01P 5/08, G01F 1/32, 1992). Устройство содержит участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенный снаружи трубы магнит, создающий внутри трубы за телом обтекания поперечное магнитное поле, направленное параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных от стенки трубы индикаторных электродов, установленных на внутренней поверхности трубы последовательно вдоль одной образующей трубы, при этом плоскость, в которой лежат указанная образующая и ось трубы, перпендикулярна вектору индукции магнитного поля, а также используемого при подключении измерительной схемы третьего электрода, электрически соединенного с трубопроводом, выполняющего роль заземления или общей точки.

При соответствующем варианте исполнения индикаторных электродов (см., например, Н.И.Логинов. Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов, М.: Энергоиздат, 1981, с.23-24) устройство может применяться для жидкометаллических потоков. При незначительном влиянии контактного сопротивления на границе жидкий металл - стенка трубы, например в стальной трубе с натриевым теплоносителем, индикаторные электроды могут быть выполнены электроконтактными со стенкой трубы, в том числе, в виде стержней, приваренных на наружной поверхности трубы (Н.И.Логинов. Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов, М.: Энергоиздат, 1981, с.11-18).

Недостатком описанного устройства является низкая чувствительность, что обусловлено неоптимальным размещением электродов в преобразователе, а именно их размещением в области минимальных значений амплитуды пульсаций индуцированного электрического потенциала.

Целью изобретения является увеличение чувствительности без повышения магнитных и весо-габаритных показателей магнитной системы и без усложнения конструкции чувствительного элемента преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревом электромагнитном преобразователе расхода жидкого металла, содержащем участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенный снаружи трубы магнит, создающий внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере, один из которых является индикаторным. При этом индикаторный электрод установлен под одним из полюсов магнита на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания, или вблизи от указанной образующей в пределах полосы допуска. Преобразователь может содержать два индикаторных электрода, установленных в сечениях трубы, отстоящих друг от друга на расстоянии L=0.5D, где D - внутренний диаметр трубы.

Экспериментальным путем установлено, что при данном взаимном расположении тела обтекания и магнитной системы геометрическим местоположением точек на стенке трубы, в которых амплитуда колебаний электрического потенциала, индуцированного вихревой дорожкой Кармана, имеет максимальное значение, является образующая трубы, имеющая пересечение с продольной осью тела обтекания. Соответственно, индикаторные электроды в преобразователе следует устанавливать на такой образующей, либо вблизи от нее на расстоянии не более δ=0.15D, где D - внутренний диаметр трубопровода.

Максимальную амплитуду выходного сигнала имеет преобразователь с двумя индикаторными электродами, установленными последовательно вдоль указанной образующей трубы на расстоянии друг от друга, равном половине геометрического периода вихревой дорожки Кармана. Приблизительно оно равно половине внутреннего диаметра трубы. При таком межэлектродном расстоянии потенциалы в точках установки электродов пульсируют в противофазе, и амплитуда разностного сигнала имеет максимальное значение. С уменьшением или увеличением межэлектродного расстояния в результате расфазировки пульсаций амплитуда разностного сигнала уменьшается.

При прочих равных условиях амплитуда выходного сигнала в заявляемом устройстве на порядок выше по сравнению с устройством - прототипом (Патент РФ №1838789, кл. 5G01P 5/08, G01F 1/32, 1992).

На чертеже изображена принципиальная схема заявляемого устройства.

Вихревой электромагнитный преобразователь расхода жидкого металла содержит участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой 1, тело обтекания 2 в виде вихреобразующего стержня, продольная ось 3 которого перпендикулярна оси трубы, размещенный снаружи трубы магнит с полюсами 4, создающий внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции 5, направленную параллельно продольной оси 3 тела обтекания. Чувствительным элементом преобразователя в данном примере являются приваренные к стенке трубы электроды 6, 7, 8. Электроды установлены последовательно вдоль образующей трубы 9, имеющей пересечение с продольной осью 3 тела обтекания. Электроды 6, 7 являются индикаторными, размещенными на стенке трубы под одним из полюсов магнита. Электрод 8 выполняет роль заземления или "общей точки". Индикаторные электроды 6, 7 установлены на расстоянии L=0.5D друг от друга, где D - внутренний диаметр трубы.

Преобразователь работоспособен при следующих вариантах подключения электродов к измерительному прибору: один индикаторный электрод 6 (или 7) в паре с электродом 8; два индикаторных электрода 6 и 7 в паре друг с другом; два индикаторных электрода 6 и 7 в совокупности с электродом 8 с применением дифференциальной схемы регистрации пульсаций.

Преобразователь работает следующим образом. Периодический срыв вихрей Кармана с одной и другой стороны тела обтекания 2 вызывает синхронные колебания жидкости на линии диаметра трубы, параллельного продольной оси 3 тела обтекания, и в прилежащей к диаметру области внутритрубного пространства. Эти колебания направлены перпендикулярно плоскости, в которой лежат оси трубы и тела обтекания. Магнитное поле с составляющей вектора индукции 5, направленной параллельно оси тела обтекания 3 и перпендикулярно направлению указанных поперечных колебаний жидкости, индуцирует синхронные знакопеременные колебания электрического потенциала как на линии диаметра, параллельного оси 3 тела обтекания, и в прилежащей области, так и в электропроводящей стенке на концах указанного диаметра. При этом амплитуда пульсаций в концевых точках диаметра максимальна по сравнению с другими точками окружности сечения трубы. Таким образом, установленный в концевой точке индикаторный электрод 6 (или 7) в паре с электродом 8 ("общая точка") обеспечивает самую высокую амплитуду выходного сигнала в схеме с одним индикаторным электродом.

Максимальная амплитуда выходного сигнала преобразователя достигается в схемах с двумя индикаторными электродами 6 и 7, установленными вдоль образующей трубы 9 на расстоянии L=0.5D друг от друга, близком по значению к половине геометрического периода вихревой дорожки Кармана. При этом потенциалы в точках установки электродов 6 и 7 пульсируют практически в противофазе.

Выходной сигнал преобразователя с соответствующих электродов подается в измерительный прибор, где по измеряемому значению частоты пульсаций определяют скорость потока и расход, а по суммарному количеству периодов колебаний за фиксированный промежуток времени определяют количество протекшей жидкости.

Для экспериментальной проверки работоспособности был изготовлен опытный образец устройства с диаметром условного прохода Dy38 (труба 44×3 из нержавеющей стали 12Х18Н10Т). Магнитная система преобразователя с полюсами, охватывающими трубу, создает магнитное поле, направленное параллельно вихреобразующему стержню. Значение магнитной индукции в центре межполюсного зазора составляет В=0.088Т.

На поверхности трубы под одним из полюсов магнита на одной образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью вихреобразующего стержня, приварены два электрода на расстоянии 19 мм друг от друга, а также третий электрод вне зоны действия магнитного поля.

Устройство было смонтировано в контур натриевого расходомерного стенда и проведены его испытания. Электроды устройства подключались к входу усилителя У71 по указанным выше схемам. С выхода усилителя сигнал подавали на частотомер Ч3-54 и параллельно на осциллограф.

В результате испытаний в диапазоне расхода натрия Q=(0.25-20)м³/ч наблюдали выходной периодический сигнал высокого качества для всех выше перечисленных схем подключения электродов. В частности при значении расхода Q=20 м³/ч (T_Na=300°C) для одноэлектродных схем (пары 6-8 и 7-8, фиг.1) наблюдали сигнал с частотой f=120 Гц и амплитудой А=±2.5 мВ. Для схем с двумя индикаторными электродами амплитуда разностного выходного сигнала приблизительно в 1.6 раза выше, А=±4 мВ. Одновременно измерялись амплитуды выходных сигналов с электродов, приваренных на поверхности трубы по схеме устройства-прототипа. Соответствующие значения составили А=±0.3 мВ для одноэлектродного и А=±0.45 мВ для двухэлектродного преобразователей, то есть в 8-9 раз меньше по сравнению с заявляемым устройством.

Высокая амплитуда выходного сигнала в заявляемом устройстве обеспечивает высокую чувствительность и хорошую помехозащищенность преобразователя, что существенно упрощает разработку вторичной аппаратуры.

1. Вихревой электромагнитный преобразователь расхода жидкого металла, содержащий участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенный снаружи трубы магнит, создающий внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере, один из которых является индикаторным, причем индикаторный электрод установлен под одним из полюсов магнита на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания, или вблизи от указанной образующей в пределах полосы допуска.

2. Вихревой электромагнитный преобразователь по п.1, характеризующийся тем, что содержит два индикаторных электрода, установленных в сечениях трубы, отстоящих друг от друга на расстоянии L=0,5D, где D - внутренний диаметр трубы.