книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

бегущих компонент поля и контролируемой среды, т. е. при вы­ полнении условия

аа

амплитуды э.д. с. боковых частот будут равны только при со­ блюдении условия (4.74). Поскольку амплитуда э.д. с. пропор­ циональна частоте (боковой) и току питания, условие (4.74) дол­ жно выполняться во всей области изменений частоты огибающей (скорости перемещения пульсирующего магнитного поля в рабо­ чем зазоре датчика).

Выполнение условия (4.74) означает, что амплитуды прямой э.д.с. боковых частот должны быть также равны во всей обла- •сти изменения частоты огибающей. Это можно показать, рассмот­

Итак, выполнение условия (4.74) можно свести к требованию постоянства трансформаторной э. д. с , наведенной в катушке приемного индуктора, при изменении частоты тока питания на­ магничивающего индуктора (частоты огибающей или несущей). Практически указанное обстоятельство является основным кри­ терием точности выполнения условия (4.74). Нарушение этого ус­ ловия приводит к зависимости метрологической характеристики ют скорости перемещения пульсирующего магнитного поля' в ра­ бочем зазоре датчика.

Учитывая, что <g =Re<§, при соблюдении условия /0i(co + Q) = =/о2(со — Q) э.д. с , наведенную в одном витке катушки приемного индуктора, можно представить в виде суммы четырех фазовых компонент:

<§ = <§ і sin at cos Ш+ <§2 cos at sin Qt +

легко выяснить, если рассмотреть случай co/a2 <l. Например, для:

<§4 также является амплитудой вторичной э.д. с, обусловленной относительной скоростью среды и поля.

вия Q = aw). Практически это означает, что определение скорости

лых магнитных числах Рейнольдса. При увеличении Rem (увели­ чении q) выходные характеристики датчиков становятся суще­ ственно нелинейными. Нелинейность выходной характеристики при больших величинах Rem имеет место и для расходомеров, в которых используется эффект синхронности. Это связано с тем, что в реальном потоке имеется распределение профиля скорости по сечению канала. При больших магнитных числах Рейнольдса внешние, более медленные слои жидкости ограничивают глубину проникновения магнитного поля, вследствие этого возникает не­ пропорциональность приращения сигнала приращению скорости.

На величину сигнала дифференциальных измерителей рас­ хода оказывают влияние параметры контролируемой среды, и в первую очередь электропроводность. Поскольку дифференциаль­ ный измеритель расхода фактически определяет магнитное число Рейнольдса (сш), то изменение проводимости среды при неиз­ менном расходе (скорости) приводит к изменению показаний по отношению к расходу <?, а следовательно, к появлению дополни­ тельной погрешности. Электропроводность жидких металлов в значительной степени зависит от температуры, следовательно, та­ рировку дифференциальных измерителей расхода необходимо про­ водить при постоянной температуре. Это в некоторой степени ог­ раничивает применимость указанных устройств, поскольку необ­ ходимо иметь семейство характеристик для различных температур контролируемой среды и, кроме того, контролировать ее. Однако оказывается, что при определенных условиях (которые будут рассмотрены в следующих параграфах) влияние таких факторов, как температура и неравномерность профиля скорости контроли­ руемой среды, на выходную характеристику датчика может быть сведено до минимума.

Поскольку величина скоростного сигнала является функцией как параметров контролируемой среды, так и геометрических па­ раметров датчика, а также частоты тока питания, необходимо определить условия, при которых выходная характеристика дат­ чика будет удовлетворять условию линейности и однозначности. Кроме того, выходная характеристика должна не только удовле­ творять этим двум требованиям линейности и однозначности, но и обладать максимальной крутизной. Это позволит расширить диапазон измерения расхода в сторону малых величин расхода, тем самым увеличив и разрешающую способность метода и — самое главное — существенно уменьшив погрешность измерения расхода.

Таким образом, одним из основных критериев, определяющих эффективность работы датчика измерителя расхода, является его чувствительность (динамический коэффициент преобразования).

Под чувствительностью измерителя будем понимать отноше­ ние приращения величины скоростного сигнала к приращению

скорости на единицу (на 1 м/сек) при фиксированном значении индукции магнитного поля возбуждения на поверхности намаг­ ничивающего индуктора датчика.

Величина чувствительности является критерием, по которому можно судить о применимости того или иного метода для изме­ рения расхода в конкретном случае, особенно для измерения ма­ лых расходов жидкого металла.

Ввиду общности физических процессов, лежащих в основе бесконтактных индукционных измерителей расхода жидких ме­ таллов, в дальнейшем пойдет речь лишь о чувствительности ме­ тода, а не конкретных устройств, реализующих указанные методы. Применение фазочувствительных усилителей, резонансных кон­ туров и т. д. может в значительной степени повысить чувствитель­ ность расходомерного устройства в целом, но ни в коей мере не увеличит чувствительность метода, т. е. не усилит эффекты, свя­ занные с движением контролируемой среды в магнитном поле.

Используя определение чувствительности по (4.84) и соответ­ ствующие выражения (4.52), (4.67), (4.83) для вторичных э. д. с , получим функциональную зависимость чувствительности от пара­ метров среды, датчика и частоты тока питания.

Для следящего расходомера бегущего магнитного поля, со­ гласно (4.52), получим

Поскольку метод выделения бегущей составляющей пульсирую­ щего магнитного поля также основан на явлении, возникающем при синхронном движении контролируемой среды и одной из бе­ гущих компонент поля, чувствительность указанного метода оп­ ределится тем же выражением (4.85).

Чувствительность метода с геометрической компенсацией трансформаторной э.д.с. в линейной области частотной характе­

Нетрудно убедиться в том, что чувствительность метода изме­ рения расхода по отношению скоростной и вихревой компонент вторичного сигнала определится выражением (4.86) для диффе­ ренциального метода измерения расхода.

Чувствительность метода, основанного на использовании пульсирующего магнитного поля с движущейся пространствен­ ной огибающей, в линейной области частотной характеристики, согласно (4.83), определяется выражением

Прежде чем перейти к сравнительному анализу чувствитель­ ности, определим величину индукции на поверхности намагничи­ вающего индуктора для основных типов датчиков измерителей расхода при отсутствии в рабочем зазоре контролируемой среды.

Согласно [8], для датчика бегущего магнитного поля с двусто­ ронним магнитопроводом и односторонней обмоткой возбужде­ ния комплексная амплитуда нормальной составляющей магнит­ ной индукции

Амплитудное значение индукции магнитного поля возбуждения на поверхности намагничивающего индуктора (у— —А)

B0 =Ho/oCth2aA-1 . (4.89)

Для датчиков пульсирующего магнитного поля и пульсирую­ щего магнитного поля с движущейся пространственной огибаю­ щей амплитудное значение индукции определяется этим же выра­

Следовательно, для всех методов измерения расхода, когда в качестве преобразователей используются линейные индукторы, можно записать, что чувствительность

где k — коэффициент пропорциональности, характеризующий приемные катушки датчика; F(a,k) — функция геометрии.

Таким образом, в линейной области частотной и выходной ха­ рактеристик чувствительность прямо пропорциональна проводи­ мости контролируемой среды и частоте тока питания намагничи­ вающего индуктора (скорости среды).

Для методов, использующих следящие системы с бегущим магнитным полем и выделением бегущей составляющей пульси­ рующего магнитного поля, чувствительность тем больше, чем выше скорость контролируемой среды, ибо большим значениям V соответствует большее со (со = аи) .

Следовательно, указанные методы измерения расхода целе­ сообразно использовать лишь при значительных скоростях дви­ жения жидкого металла. Следует напомнить, что для следящих расходомеров трудности измерения малых расходов связаны не только со значительным уменьшением чувствительности, но и со сложностью точного измерения низкочастотных сигналов. Оче­ видно, практически частота тока питания индуктора должна быть не ниже 20 гц. Это означает, что минимальная скорость опреде­ ляется из условия v = 0,4т (т — м, v — м/сек).

Методы имеют ограничения и в верхней области магнитных чисел Рейнольдса (скоростей). Это, в первую очередь, связано с ограничением глубины проникновения магнитного поля медленно движущимися пристеночными слоями жидкого металла. Как бу­ дет показано в главе V, указанные методы как бестарировочные применимы до значений магнитных чисел Рейнольдса не более 0,5-i-0,75.

Частота питания дифференциальных измерителей расхода вследствие иного принципа работы не меняется в процессе изме­ рения, поэтому чувствительность конкретного устройства посто­ янна, что имеет решающее значение для измерения малых расхо­ дов жидких металлов. В этом случае чувствительность дифферен­ циальных измерителей во много раз выше, чем для следящих расходомеров, где используются бегущие и пульсирующие маг­ нитные поля, так как соответствующая синхронная частота полу­ чается низкой ( 1 — 10 гц).

Существенными недостатками дифференциальных измерите­ лей расхода являются: во-первых, зависимость выходной харак­ теристики от изменения электропроводности жидкого металла; во-вторых, необходимость стабилизации тока питания намагни­ чивающего индуктора; в-третьих, необходимость проведения предварительной градуировки датчика на жидкометаллическом контуре.

В линейной области частотной характеристики чувствитель­ ность измерителей, определяющих расход по методу отношений, и дифференциальных измерителей расхода одинакова. Так как, согласно (4.69), отношение скоростной и вихревой составляющих

ных датчиков расхода, однако они могут быть легко распростра­ нены на все типы расходомеров с линейными индукторами в каче­

ростной компоненты вторичной э.д. с. от параметров датчика, контролируемой среды и частоты тока; возбуждения. Эта зависи­ мость определялась выражением (4.63).

На ЭВМ по формуле (4.63) были рассчитаны характеристики двустороннего дифференциального датчика измерителя расхода. На рис. 4.4 приведено семейство частотных характеристик дат­ чика при А = 0,5 и а = 0,39. Это соответствует, например, толщине канала около 8 мм, рабочему зазору датчика 16 мм и полюсному

магнитного числа Рейнольдса Rem оптимальная относительная

параллельного поля, т. е. предположим, что ak~l<l. Это условие практически выполняется во многих случаях применения датчи­

a

Оптимальная частота возбуждения определяется из условия максимума частотной характеристики, т. е. из условия

да

После несложных преобразований нетрудно найти, что максимум частотной характеристики имеет место при выполнении условия

Rem , при котором наблюдается максимум выходной характерис­ тики при фиксированной частоте питания. Нетрудно показать, что максимум имеет место при выполнении условия

которая является траекторией перемещения рабочей точки следя­ щих измерителей расхода.