книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

А К А Д Е М ИЯ НАУК ЛАТВИЙСКОЙ ССР

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

БЕСКОНТАКТНЫЙ

КОНТРОЛЬ

ПОТОКА

ЖИДКИХ

МЕТАЛЛОВ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗИНАТНЕ» РИГА 1973

Г# с . п у б л и ч н а я

на у ч н о - т е х н и ч е с к а я

библиотэн* С'?1 Р

э к з г.-.п;;**

Ч И Т А Л Ь Н О Г О Э Л Л А

А в т о р ы :

ВАЛЕРИЙ ЭДУАРДОВИЧ ЦИРКУНОВ, БРУНО ДОМИНИКОВИЧ ЖЕЙГУР, ГУНАР ЯНОВИЧ СЕРМОНС, РОБЕРТ КАРЛОВИЧ КАЛНИНЬ

БЕСКОНТАКТНЫЙ КОНТРОЛЬ ПОТОКА Ж И Д К И Х МЕТАЛЛОВ. Под общей редакцией В. Э. Ц и р к у н о в а.

Рига, «Зинатне», 1973, 252 с.

В монографии рассматриваются бесконтактные индукционные методы контроля скорости (расхода) электропроводящих сред, в том числе жидких металлов. Дан обзор бесконтактных индукцион­ ных методов измерения расхода, предложенных советскими и за­ рубежными авторами. Излагаются теоретические основы методов и экспериментальные результаты их исследований на жидкометаллических установках. Рассмотрено влияние профиля скорости и проводящих стенок канала на погрешность измерения средней ско­ рости. Большое внимание уделено возможности создания доста^ точно точных беспроливных методов контроля скорости жидких металлов. Приведены результаты исследований по контролю ско­ рости нестационарных потоков. Даны основы расчета и конструи­ рования бесконтактных индукционных расходомеров, приведены схемы типовых блоков регистрирующей электронной аппаратуры. Табл. 6, илл. 159, библ. 169 назв.

©Издательство «Зинатне», 1973

Авторы

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В — индукция магнитного поля; v — скорость среды;

Е— напряженность электрического поля;

р— плотность среды;

]х — магнитная проницаемость среды;

а— проводимость среды;

р— давление;

В0 — характеристическое значение магнитной индукции;

Т0 — характеристическая температура;

F s — коэффициент магнитной силы, M2 /Re;

/— линейная плотность тока;

/— частота тока питания (магнитного поля); А/2я — частота огибающей;

т— полюсное деление индуктора;

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производственных процессов во многих отрас­ лях народного хозяйства требует средств контроля скорости (рас­ хода) различных потоков.

Разнообразие параметров контролируемых сред, диапазонов измерений, технологических условий привело к созданию расхо­ домеров различного принципа действия.

Для измерения расхода используются электромагнитные поля лі теплопередача, инерционные силы и ультразвуковые волны, ЯМР и меченые атомы [1—9].

Существующая в настоящее время классификация приборов для измерения расходов и количеств насчитывает пятнадцать •систем [8]: I — переменного перепада давления, I I —- переменного уровня, I I I — обтекания, IV — тахометрические, V — силовые, VI — силовые перепадные, V I I — тепловые, V I I I — электромаг­ нитные, IX — акустические, X — оптические, X I — ядерно-маг­ нитные, X I I — ионизационные, XIII —• концентрационные, XIV — меточные, XV — парциальные. Все эти приборы Могут быть: л) расходомерами, б) счетчиками (количества), в) расходоме­ рами со счетчиками.

Все более широкое применение высокотемпературных жидкометаллических установок в ядерной энергетике, физико-техни­ ческие эксперименты по созданию непрерывных технологических циклов в металлургии цветных и редких металлов, новые способы производства труб для газовой и нефтяной промышленности тре­ буют создания специальных методов контроля параметров жид­ кого металла.

В химической промышленности при электролитическом произ­ водстве щелочных металлов, в частности калия, с целью автома­ тизации технологического процесса необходимо измерять расход свинцово-калиевого сплава, транспортируемого по трубопроводу

вдистилляционную колонку.

Вэлектрореактивных двигателях расход жидкого металла, используемого в качестве рабочего тела, определяет тягу, разви­ ваемую двигателем. Увеличение удельной мощности энергетиче­ ских установок, проектируемых для транспорта, приводит к зна­ чительному повышению температуры теплоносителя, что в свою очередь требует создания надежных высокотемпературных дат­ чиков.

Для измерения расхода жидких металлов в настоящее время применяются в основном приборы переменного перепада давле­ ния, тепловые и электромагнитные. Однако высокая температура и агрессивность жидкометаллических сред предъявляют жесткие требования к расходомерным устройствам. Практически электро-

способствовали широкому внедрению в измерительную практику расходомеров подобного класса при температурах жидкого ме­ талла до 500—600° С.

Однако вследствие того что непосредственно измеряется не индуцированная в преобразователе расхода э. д. с, а разность потенциалов между электродами, на показания оказывают влия­ ние различные побочные и вторичные эффекты. Возникающие в рабочем участке канала кондукционного расходомера токи вно­ сят косвенную зависимость показаний от условий в измеряемом потоке [3].

Магнитная система датчика расхода обычно располагается непосредственно на трубопроводе, используя его в качестве изме­ рительного канала. Трубопровод в большинстве случаев выполня­ ется из нержавеющих сталей, а электроды привариваются непо­ средственно к внешней стенке трубы.

При использовании электропроводящих каналов показания расходомера зависят как от проводимости среды и стенок канала, так и от величины контактного сопротивления.

Величина контактного сопротивления определяет перераспре­ деление наведенных за счет движения циркуляционных токов между стенками трубопровода и средой и зависит от степени сма­ чиваемости жидким металлом стенок трубопровода. Смачивае­ мость, в свою очередь, зависит как от состояния поверхности, чис­ тоты металла, так и от его рабочей температуры и времени цир­ куляции в контуре. Время установления контактного сопротивле­ ния, исчисляемое часами и даже десятками часов, определяет готовность прибора к измерениям.

Погрешность различных известных модификаций электромаг­ нитных кондукционных расходомеров составляет ± (0,5ч-3) % от предела шкалы. Выпускаемые у нас в стране кондукционные рас­ ходомеры общепромышленного назначения имеют погрешность

± (14:1,5) %, а расходомеры для жидких металлов — ± (2-ьЗ) % от предела шкалы [10].

Теоретический расчет характеристик кондукционного расходо­ мера по разработанной методике возможен, однако они подлежат обязательному экспериментальному контролю. Следовательно, каждый кондукционный расходомер необходимо тарировать на контуре и, кроме того, периодически проверять градуировочную кривую. Поэтому наряду с дальнейшим совершенствованием кон­ дукционного способа измерения расхода ведутся поиск и раз­ работка других способов измерения и в первую очередь бескон­ тактных.

Пондеромоторные и индукционные измерители расхода жид­ ких металлов осуществляют измерение без электрического кон­ такта с контролируемой средой.

Расходомеры электромагнитные пондеромоторные используют

силу, возникающую при движении электропроводящей жидкости в магнитном поле и действующую либо на саму жидкость, вызы­ вая изменение перепада давления [3, 7], либо .на магнитную сис­ тему [11—14]. Эта сила пропорциональна электропроводности контролируемой среды и скорости ее движения. Пондеромоторные расходомеры позволяют получить близкую к линейной зави­ симость сигнала (перепада давления, силы, действующей на маг­ нитную систему) от величины расхода электропроводящей среды.

Недостатками метода, существенно ограничивающими приме- . нение пондеромоторных расходомеров, являются зависимость выходного сигнала от проводимости контролируемой среды, а следовательно, и температуры, сложность измерении при высоких температурах и в агрессивных средах.

Расходомеры электромагнитные индукционные (бесконтакт­ ные) основаны на измерении вторичных магнитных полей, возни­ кающих при движении электропроводящей среды во внешнем магнитном поле. Вторичное магнитное поле в первом приближе­ нии пропорционально расходу (магнитному числу Рейнольдса). Измерение этого индуцированного поля дает возможность опре­ делить расход. Достоинством индукционных расходомеров явля­ ется отсутствие каких-либо контактов с контролируемой средой, сравнительно малый вес, непосредственное получение электриче­ ского сигнала, обусловленного движением электропроводящей среды в магнитном поле, возможность выбора оптимальной час­ тоты тока питания, обеспечивающей высокую чувствительность устройства. Одним из основных преимуществ бесконтактных электромагнитных расходомеров перед коыдукцпонными явля­ ется возможность получения достоверных данных сразу с мо­ мента запуска жидкометаллического контура. Последнее обстоя­ тельство особенно существенно при дозировании жидкого ме­ талла, когда трудно получить стабильную смачиваемость канала. Указанные достоинства особенно важны для расходомеров, пред­ назначенных для работы в условиях высоких температур, ваку­ ума и при наличии электромагнитных помех.

Несмотря на разнообразие предложенных методов, точное и однозначное измерение расхода жидких металлов является слож­ ной проблемой. Именно проблема однозначности показаний, т. е. независимости их от физического состояния в контролируемом потоке и параметров транспортируемой проводящей среды, явля­ ется центральной в задачах измерения расхода.

Не менее важным является создание приборов, позволяющих с достаточной точностью оценить величину расхода без предвари­ тельной градуировки на контуре. Создание градуировочных уста­ новок для жидких металлов требует значительных капитальных затрат, составляющих в зависимости от калибров проверяемых приборов десятки и сотни тысяч рублей [15].