книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

В случае малых магнитных чисел Rem из выражения (4.95) можно определить оптимальную относительную частоту как функ­ цию геометрии датчика:

соопт = а th а ( / г _ > — 1) - f a 2 .

(4.98)

Таким образом, оптимальная частота питания обратно про­ порциональна проводимости контролируемой среды и квадрату полюсного деления. На рис. 4.5 приведена зависимость оптималь­ ной частоты от геометрических параметров датчика.

Если рабочий зазор датчика почти полностью заполнен кон­ тролируемой средой (Ь^А), то оптимальная частота тока воз­ буждения может быть рассчитана по упрощенной формуле

тить, что результаты расчета оптимальной частоты по форму­ лам (4.95) и (4.98) также достаточно точно согласуются с экспе­ риментальными значениями.

Чувствительность датчика на оптимальной частоте в линей­ ной области метрологической характеристики определится следу­ ющим образом:

Поскольку оптимальная частота при малых магнитных числах Рейнольдса Rem является функцией только геометрии, чувстви­ тельность датчика на оптимальной частоте определяется только геометрией и не зависит от электропроводности контролируемой среды. Другими словами, при любой проводимости контролируе­ мой среды (жидкого металла) можно подобрать такую частоту тока питания, при которой чувствительность будет максималь­ ной. Частота тока питания будет тем выше, чем ниже электро­ проводность среды. С увеличением полюсного деления индуктора оптимальная частота тока питания уменьшается (см. формулу (4.99)).

Сравнение выражений (4.91) и (4.100) для чувствительности методов позволяет сделать следующие выводы. Если для следя­ щих расходомеров с уменьшением проводимости среды чувстви­ тельность падает, то для дифференциальных расходомеров выбо­ ром оптимальной частоты питания возможно добиться макси­ мальной чувствительности. Кроме того, чувствительность будет не только максимальна, но и, что особенно важно для практики, постоянна независимо от проводимости контролируемой среды (жидкого металла).

0,8

'А

Ш = 0,6.

фазочувствительного детектора необходимо выполнить условие синфазности сигнального и опорного напряжений. При использо­ вании в измерителе расхода фазочувствительного детектора конструкцию и режим работы датчика расхода следует выбирать таким образом, чтобы выходное напряжение фазочувствитель­ ного детектора было линейным в наибольшем диапазоне измене­ ния Rem , т. е. чтобы был наибольший линейный участок метроло­ гической характеристики прибора — измерителя расхода [10]. Чтобы правильно выбрать фазу опорного напряжения, необхо­ димо проанализировать фазовый состав выходного сигнала, сни­ маемого с датчика, как функцию геометрии и частоты тока воз­ буждения датчика, скорости и проводимости контролируемой среды.

На рис. 4.9 приведена зависимость фазы скоростной компо­ ненты вторичной э.д. с, полученной, в результате расчета [ср = =arctg(Im (g (v)/Reg (v)) — разность фаз между сигналом п током возбуждения], от магнитного числа Рейнольдса для раз­ личных значений й.

Как видно из рис. 4.9, фаза выходного сигнала значительно меняется при изменении частоты тока возбуждения. С увеличе­ нием частоты уменьшается влияние магнитного числа Рейнольдса Rem на фазу выходного сигнала (ц>>0,63). Кроме того, с увели­ чением частоты питания фаза сигнала меняет знак. На графике точками показаны результаты эксперимента.

Воспользуемся выражением (4.94) и определим частоту тока возбуждения, при которой выходное напряжение синфазно с то­ ком (с напряжением, снимае­ мым с шунта, включенного в

гиперболы

На рис. 4.11 приведены годографы векторов сигнала, снимае­ мого с датчика, в относительном масштабе, полученные экспери­ ментальным путем (сплошные кривые) на силуминовом диске с проводимостью сг=1,9-107 ом~1-м~]. Толщина диска 2/3 = 1,4 см, т = 3 см. Величина зазора 2,1 см. Первая точка, нанесенная на

эта зависимость, поскольку и частотная характеристика также имеет ярко выраженный оптимум.

Выходные метрологические характеристики измерителя рас­ хода для а = 0,73 и £ = 0,67 приведены на рис. 4.13. Фаза опорного напряжения выбиралась из условия получения максимальной чувствительности при малых значениях Rem для различных ш, для сравнения выбиралось опорное напряжение, синфазное с то­ ком возбуждения. Сравнение метрологических характеристик производилось по диапазону линейности. Наибольшей линейно­ стью (до 10 м/сек) обладает характеристика (1) при частоте воз­ буждения выше оптимальной (63=2,32, tp0 =—55°). Если фазу опорного напряжения щ установить равной нулю (кривая 2), по­ лучим несколько худшие результаты: линейность характеристики будет сохраняться до скорости и = 5 м]сек и чувствительность при этом будет выше, чем в предыдущем случае. Для частоты ниже оптимальной (со = 0,309, <р0 =0 для кривой 3 и ср0 = 30° для кри­ вой 4) линейность характеристики будет приблизительно одина­ ковой до 3 м/сек.

Результаты для оптимальной частоты (63=1,16) при установ­ лении фазы опорного напряжения <р0= —15° (кривая 5) и сро = 0> (кривая 6) совпадают по линейности и чувствительности до ско­ рости и = 7 м/сек. Следовательно, можно выбрать два режима работы датчика при фазочувствительном способе индикации рас-

хода, обеспечивающие наибольший диапазон линейности метро­ логической характеристики.

Анализ зависимости фазы и амплитуды сигнала как от гео­ метрии датчика, так и от Rem и ш при фазочувствительной сис­ теме индикации позволяет сделать следующие выводы.

При измерении расхода с малым Re,„ рационально выбрать частоту тока питания датчика оптимальной, а фазу опорного на­ пряжения устанавливать синфазно с током возбуждения, так как при этом фаза сигнала близка к фазе тока.

При измерении расходов с большим Rem рационально выби­ рать частоту тока питания выше оптимальной и устанавливать фазу опорного напряжения по максимуму показания прибора на выходе фазочувствительного детектора при малых расходах.

Выбор частоты тока возбуждения выше оптимальной частоты позволяет в некоторой степени увеличить линейный участок мет­ рологической характеристики. Однако, с одной стороны, это уменьшает чувствительность метода, с другой стороны — увели­ чивает величину сигнала, обусловленного неполной геометриче­ ской компенсацией трансформаторной э. д. с, токами утечки и т. п. (э. д. с. дебаланса).

Теоретический расчет амплитудно-фазовых характеристик сиг­ нала как функций частоты ш, так же как и экспериментальные исследования, показали, что при максимуме частотной характе­ ристики, т. е. на оптимальной частоте, фаза сигнала проходит че­

0.8ос=0157

к= 3С.5

0.6

\ 0 . 5 ^ 0 , 4

0,3

0,1

0,04 0,08 0.12 со

жет привести к нелинейной метрологической характеристике в начальном участке. Кроме того, измерители расхода, работаю­ щие на фиксированной частоте питания, как уже отмечалось в начале данной главы, чувствительны к изменению электропро­ водности контролируемой среды. Следовательно, с изменением температуры контролируемой среды появляется дополнительная погрешность, связанная с изменением ее проводимости.

Если в процессе измерений расхода менять частоту питания таким образом, чтобы разность фаз тока питания и сигнала, сни­ маемого с датчика, была равна нулю, то будет обеспечиваться максимальная чувствительность датчика, линейный участок мет­ рологической характеристики будет в несколько раз больше, чем при способе измерения расхода на фиксированной частоте. Пока­ зания прибора не будут зависеть от электропроводности среды, т. е. устройство будет измерять объемный расход [11].

Блок-схема устройства представлена на рис. 4.17. Э . д . с , воз­ никающая за счет движения электропроводящей среды, подается на вторичный прибор, состоящий из усилителя (б), согласующего выходное сопротивление датчика и выходное сопротивление фазочувствительного выпрямителя (7), указателя расхода (8), шунта (9) для снятия опорного напряжения, синфазного с током -