Электромагнитный расходомер

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения расхода электромагнитным методом, и может быть использовано для измерения расхода в трубопроводах электропроводных жидкостей со сложной кинематической структурой потока. Устройство содержит трубу, выполненную из немагнитного и неэлектропроводного материала, магнитопровод, измерительное устройство, источник питания и расположенный на трубе чувствительный элемент (ЧЭ), выполняющие функции возбуждения магнитного поля в канале трубы и измерения электрического поля, индуцируемого в канале в результате взаимодействия потока жидкости с магнитным полем, источник питания и измерительное устройство. Каждый ЧЭ состоит из двух индукционных катушек, расположенных на внешней поверхности трубы диаметрально противоположно друг другу_, и двух электродов, введенных в канал напротив друг друга по диаметру трубы, причем ось электродов, ось катушек и ось канала все взаимно перпендикулярны друг другу и пересекаются в точке центра сечения канала. Индукционные катушки подключены к источнику питания, а измерительные электроды - к измерительному устройству. Оба ЧЭ расположены рядом на трубе, объединены общим магнитопроводом и развернуты относительно друг друга вокруг оси канала на угол 90 градусов. Технический результат заключается в повышении точности расходомера при измерении потоков сложной кинематической структуры. 1 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению, точнее к области измерения расхода электромагнитным методом, и может быть использовано для измерения расхода электропроводных жидкостей.

Известен электромагнитный расходомер [1], содержащий трубу, выполненную из немагнитного и неэлектропроводного материала, магнитопровод и расположенный на трубе чувствительный элемент (ЧЭ), выполняющий функции возбуждения магнитного поля в канале трубы и измерения электрического поля, индуцируемого в канале в результате взаимодействия потока жидкости с магнитным полем; источник питания и измерительное устройство. ЧЭ состоит из двух индукционных катушек, расположенных на внешней поверхности трубы диаметрально противоположно друг другу, и двух электродов, введенных в канал напротив друг друга по диаметру трубы, причем ось электродов, ось катушек и ось канала все взаимно перпендикулярны друг другу и пересекаются в точке центра сечения канала. Причем индукционные катушки подключены к источнику питания, а измерительные электроды - к измерительному устройству.

Расходомер работает следующим образом. Вследствие протекания тока по виткам индукционных катушек в рабочем объеме канала возбуждается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, проходящей через ось электродов и ось канала. При движении электропроводной жидкости по каналу трубы в его рабочем объеме, согласно закону Фарадея индуцируется электрическое поле, напряженность которого пропорциональна скорости потока жидкости. Расходомер имеет измерительное устройство, с помощью которого измеряются разность потенциалов между электродами U и ток питания индукционных катушек I. Значение объемного расхода Q определяется по формуле

где а - градуировочный коэффициент.

Для повышения точности измерения расхода со сложным профилем скорости потока (т.е. со сложной кинематической структурой потока) согласно [1] распределение магнитного поля в рабочем объеме канала выполняется близким обратному закону распределения объемной весовой функции расходомера. Приблизительно такое распределение магнитного поля обеспечивается индуктором, имеющим цилиндрический магнитопровод, ось которого совпадает с осью канала, и ЧЭ, у которого индукционные катушки имеют форму ромба [2]. Каждая индукционная катушка расположена на трубе короткой диагональю вдоль образующей трубы, а длинной диагональю - по периметру трубы. Причем катушки на трубе располагаются таким образом, что длинные оси ромба катушек составляют часть периметра трубы, на котором расположены электроды, а наружная сторона каждой катушки острыми углами ромба близко примыкает к электродам, установленным на трубе противоположно друг другу по диаметру канала.

Однако ЧЭ, выполненный по [2] с катушками ромбовидной формы, имеет распределение магнитного поля только приблизительно соответствующее необходимому, поэтому чувствительность расходомера к асимметрии распределения скорости потока остается все же весьма заметной. В этом состоит его недостаток.

Известен электромагнитный расходомер [3], позволяющий полнее устранить зависимость показаний от неоднородности распределения скорости потока, если асимметрия поля скорости имеет место по линии, перпендикулярной плоскости, проходящей через оси электродов и канала. Электромагнитный расходомер [3] также имеет участок трубы, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, магнитопровод и ЧЭ, также содержащий две катушки возбуждения магнитного поля и два электрода, источник питания и измерительное устройство.

Отличие расходомера от описанного в [2] состоит в том, что измерение сигналов между электродами производится дважды, при двух различных схемах подключения индукционных катушек к источнику питания. Один из режимов измерения соответствует традиционному включению индукционных катушек к источнику питания, при котором магнитные поля катушек взаимно складываются. А другой режим измерения соответствует встречному включению индукционных катушек к источнику питания, при котором магнитные поля катушек взаимно вычитаются. При первом режиме измерения сигнал между электродами характеризует приблизительно среднюю скорость потока, а при втором режиме измерения сигнал между электродами характеризует асимметрию распределения скорости потока по линии, перпендикулярной плоскости, проходящей через оси электродов и канала. Если поток жидкости осесимметричен, т.е. асимметрия распределения скорости относительно оси канала отсутствует, то при втором режиме измерения сигнал между электродами равен нулю. Сигналы на электродах и токи питания индукционных катушек измеряются измерительным устройством и вычисляется объемный расход жидкости по формуле

где U₁, I₁ - напряжение между электродами и ток питания индуктора при согласном включении индукционных катушек, U₂, I₂ - напряжение между электродами и ток питания индуктора при встречном включении индукционных катушек, b, с - коэффициенты, определяемые расчетным или экспериментальным методами.

Упомянутый расходомер обеспечивает более точное измерение расхода, чем [2], т.к. позволяет учитывать асимметрию распределения скорости в канале. Недостатком расходомера [3] является то, что он позволяет вычислить и учесть поправку на асимметрию распределения скорости только вдоль одного определенного направления, а именно вдоль линии, перпендикулярной плоскости, проходящей через ось электродов и ось канала.

Электромагнитный расходомер, описанный в [3], является наиболее близким аналогом к предлагаемому в заявке на изобретение.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения расхода при сложных распределениях скорости потока в рабочем объеме канала расходомера. Эта цель достигается тем, что в предлагаемом расходомере имеется возможность вычислять расход с учетом поправки на асимметрию распределения скорости по двум взаимно ортогональным направлениям поперечного сечения канала.

Как известно, любую сложную кинематическую структуру потока можно представить как сумму двух структур, описываемых по взаимно ортогональным направлениям поперечного сечения канала, пересекающимся в центре канала.

Отличием расходомера от известного состоит в том, что он имеет два одинаковых ЧЭ, размещенных рядом на одной трубе, но развернутых по оси канала относительно друг друга на 90 градусов. Труба с двумя ЧЭ охвачена одним общим цилиндрическим магнитопроводом, причем ось магнитопровода совпадает с осью канала.

Для того чтобы рабочие сечения канала с электродами обоих ЧЭ были бы максимально приближены, индукционные катушки расположены на трубе в шахматном порядке в два ряда таким образом, что смежные катушки практически примыкают своими гранями ромба друг к другу, а острыми углами ромба - к электродам. При этом каждая пара электродов и пара индукционных катушек взаимно расположены на трубопроводе по традиционной схеме электромагнитного расходомера, например, как описано в [2]. Причем плоскости, проходящие через линию, соединяющую электроды и ось трубы каждого ЧЭ, повернуты относительно друг друга вокруг оси канала на 90 градусов. Измерительное устройство обеспечивает измерение сигналов электродов и токов питания у двух ЧЭ. Алгоритм вычисления расхода имеет вид

где величины U₁₁, V₁₂, I₁₁, I₁₂ относятся к первому ЧЭ, U₂₁, U₂₂, I₂₁, I₂₂ относятся ко второму ЧЭ. U₁₁, I₁₁ - напряжение между электродами первого ЧЭ и ток питания индуктора при согласном включении катушек возбуждения магнитного поля, U₂₁, I₂₁ - напряжение между электродами второго ЧЭ и ток питания индуктора при согласном включении катушек возбуждения магнитного поля, U₁₂, I₂₂ - напряжение между электродами и ток питания индуктора первого ЧЭ при встречном включении катушек возбуждения магнитного поля, U₂₂, I₂₂ - напряжение между электродами и ток питания индуктора второго ЧЭ при встречном включении катушек возбуждения магнитного поля.

Таким образом вычисляются поправки на асимметрию потока по двум взаимно перпендикулярным направлениям поперечного сечения канала. Одна поправка определяется по линии, перпендикулярной плоскости, проходящей через ось канала и пару электродов первого ЧЭ, а другая - по линии, перпендикулярной плоскости, проходящей через ось канала и пару электродов второго ЧЭ.

Благодаря этому обеспечивается повышение точности измерения расхода при сложном профиле скорости потока (т.е. при сложной кинематической структуре потока).

Конструкцию электромагнитного расходомера поясняют чертежом.

На чертеже изображена схема расположения катушек и электродов на трубе расходомера. Электромагнитный расходомер имеет трубу 1, выполненную из немагнитного и неэлектропроводного материала. В трубе установлены две пары электродов. Электроды 2 каждой пары расположены по периметру трубы диаметрально друг к другу в двух разных плоскостях поперечного сечения канала. Упомянутые сечения канала, в которых расположены соответствующие пары электродов, размещены по оси трубы на расстоянии, равном приблизительно половине внешнего размера короткой диагонали ромбовидной индукционной катушки. Причем плоскости, проходящие через соответствующие пары электродов и ось канала, находятся под углом 90 градусов друг к другу. На внешней поверхности трубы расположены в шахматном порядке, в два ряда четыре ромбовидные индукционные катушки. Каждая катушка 3 короткой диагональю ромба расположена вдоль образующей трубы, а длинной диагональю ромба - по периметру трубы. Между острыми углами смежных катушек расположены электроды, а гранями ромба индукционные катушки близко расположены друг к другу. Расходомер имеет магнитопровод 4 цилиндрической формы. Он расположен соосно с трубой и охватывает трубу с электродами и четырьмя индукционными катушками.

Работа расходомера состоит в следующем. На горизонтальном участке технологического трубопровода расходомер устанавливается таким образом, чтобы оси, соединяющие каждую пару электродов, находились под углом 45 градусов к горизонтальной плоскости. С помощью измерительного устройства производится периодическое и последовательное подключение индукционных катушек и электродов каждого ЧЭ к общему источнику питания. Вследствие протекания тока по виткам индукционных катушек в рабочем объеме канала возбуждается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, проходящей через ось электродов и ось канала соответствующего ЧЭ. При движении электропроводной жидкости по каналу трубы в его рабочем объеме, согласно закону Фарадея индуцируется электрическое поле, напряженность которого пропорциональна скорости потока жидкости. Расходомер имеет измерительное устройство, с помощью которого измеряются разность потенциалов между электродами каждого ЧЭ и ток питания индукционных катушек. Измерение сигналов каждого ЧЭ производится по очереди в двух режимах. Один из режимов измерения соответствует традиционному включению индукционных катушек к источнику питания, при котором магнитные поля катушек взаимно складываются. А другой режим измерения соответствует встречному включению индукционных катушек к источнику питания, при котором магнитные поля катушек взаимно вычитаются. При первом режиме измерения сигнал между электродами каждого ЧЭ характеризует приблизительно среднюю скорость потока, а при втором режиме измерения сигнал между электродами характеризует асимметрию распределения скорости потока по линии, перпендикулярной плоскости, проходящей через оси электродов и канала. Значение объемного расхода Q определяется по формуле (3).

Электромагнитный расходомер, выполненный по данному изобретению, может найти применение при точном измерении расхода жидкостей со сложной структурой потока.

Литература

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. М., Машиностроение, 1989.

2. Патент США №3,745,824, 1973 г.«INSERT-TYPE ELECTROMAGNETIC FLOWMETER».

3. Патент США, №5,301,556, 1994 г. «FLOW MEASURING APPARATUS».

Электромагнитный расходомер, содержащий трубу, выполненную из немагнитного и неэлектропроводного материала, магнитопровод, измерительное устройство, источник питания и расположенный на трубе чувствительный элемент (ЧЭ), выполняющий функции возбуждения магнитного поля в канале трубы и измерения электрического поля, индуцируемого в канале в результате взаимодействия потока жидкости с магнитным полем, состоящий из двух введенных в участок трубы электродов и двух индукционных катушек, отличающийся тем, что расходомер имеет два одинаковых ЧЭ, расположенных рядом на трубе, объединенных общим магнитопроводом и развернутых относительно друг друга вокруг оси канала на угол 90°.