книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

Именно на решение указанных выше задач и были, направ­ лены исследования по бесконтактным индукционным расходоме­ рам, результаты которых изложены в настоящей работе.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. К р е м л е в с к и й П. П. Расходомеры. М.—Л., Машгиз, 1963.

2.К а т ы с Г. П. Системы автоматического контроля полей скоростей и расходов. М., «Наука», 1965.

3.К о р с у н с к и й Л. М. Электромагнитные гидрометрические приборы. М., Изд-во стандартов, 1964.

11.S h е г с 1 і f f J. A. Patent GB 831226, 1957.

12.S h e г с І і f f J. A. Test with Mercury of a Rotatory Flowmeter For Liqued Metals. AERE (Harwell) Report X/M 169, 1957.

исследование электромеханического метода измерения расхода. — Труды НИИТеплоприбор, 3. М., 1963.

J5. В е л ь т И. Д. Канд. дисс'М., НИИТеплоприбор, 1967.

Г Л А В А I

М Е Т О ДЫ И УСТРОЙСТВА БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ

Р А С Х О Д А Ж И Д К И Х МЕТАЛЛОВ

. § 1. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МЕТОДОВ

При движении электропроводящей жидкости в магнитном поле возникает ряд эффектов, которые являются основой для оп­ ределения скорости контролируемой среды.

Движение жидкости в магнитном поле приводит к появлению в ней электрического поля, напряженность которого равна век­ торному произведению скорости жидкости на величину индукции магнитного поля:

Магнитное поле возбуждения обычно неоднородно по длине трубопровода. Вследствие этого циркулирующие в проводящей жидкости токи замыкаются в краевых зонах, вызывая механиче­ ское взаимодействие между жидкостью и внешней магнитной сис­ темой. Плотность силы взаимодействия

пропорциональна скорости, проводимости контролируемой среды и квадрату индукции магнитного поля возбуждения:

Таким образом, взаимодействие индукционных токов и маг­ нитного поля возбуждения приводит к появлению силы, препятст­ вующей движению контролируемой среды, — тормозящей силы. Магнит, создающий магнитное поле возбуждения, испытывает силу реакции, которая стремится увлечь его вслед за потоком.

Индуцируемые в жидкости за счет движения токи обусловли­ вают появление вторичного магнитного поля, которое, в свою оче­ редь, приводит к искажению первоначального магнитного поля возбуждения. Напряженность вторичного магнитного поля

а отношение вторичного магнитного поля к магнитному полю воз­ буждения пропорционально проводимости и скорости контролі!-

руемой среды. Таким образом, из самых общих представлений следует, что по величине амплитуды вторичного (индуцирован­ ного) магнитного поля нельзя однозначно определить скорость контролируемой среды. Влияние движущейся среды на магнитное поле можно интерпретировать как одновременное прохождение и затягивание поля в направлении 'потока [1].

На основе этих трех рассмотренных эффектов, зависящих от скорости контролируемой среды, и выделены три типа электро­ магнитных расходомеров.

Следует еще раз подчеркнуть, что в то время как разность потенциалов зависит не от физических свойств контролируемой среды, а только от скорости последней, величина индуцирован­ ного магнитного поля и сила взаимодействия зависят и от прово­ димости контролируемой среды.

Многочисленные конструктивные решения индукционных бес­ контактных измерителей расхода основаны на преобразовании магнитного потока, возбужденного наведенными в движущейся электропроводящей среде токами, в электрический сигнал с по­ мощью различных систем измерительных катушек и магнитопроводов.

В случае переменного магнитного поля возбуждения вторич­ ный магнитный поток может быть разделен на две составляющие: магнитный поток, обусловленный собственно движением контро­ лируемой среды в магнитном поле (скоростная составляющая вторичного магнитного поля), и магнитный поток, обусловленный вихревыми токами, возбужденными в проводящей среде (вихре­ вая составляющая вторичного магнитного поля). Следует учесть, что скоростная составляющая вторичного магнитного поля обус­ ловлена лишь поперечной составляющей магнитного поля воз­ буждения ([v В]).

Вихревая составляющая связана с магнитным полем возбуж­ дения и, повторяя конфигурацию поля возбуждения, приводит к изменению величины суммарного магнитного поля. Как скорост­ ная, так и вихревая составляющие индуцированного магнитного поля зависят от геометрии преобразователя и проводимости конт­ ролируемой среды.

Вбольшинстве случаев измерительные катушки регистрируют изменение поперечной компоненты магнитного поля возбуждения, вызванной индуцированным магнитным полем.

Сцелью выявления скоростной компоненты вторичного поля чаще всего применяется встречное включение приемных катушек, либо такое их геометрическое расположение, при котором отсут­ ствует сигнал, обусловленный полем возбуждения (трансформа­ торная э. д. с ) . Иногда применяется электрическая компенсация трансформаторной э. д. с.

Виндукционных бесконтактных расходомерах используются

постоянные, синусоидальные и импульсные во времени магнитные поля возбуждения. Наиболее распространенными являются сину­ соидальные во времени магнитные поля возбуждения.

На рис. 1.1 представлена классификационная схема электро­ магнитных измерителей расхода жидких металлов.

Рассмотрим подробнее индукционные (бесконтактные) расхо­ домеры. По типу преобразователей известные индукционные рас­ ходомеры могут быть разделены на две группы:

1)расходомеры, в которых используются преобразователи трансформаторного и дифференциально-трансформаторного типа;

2)расходомеры, в которых в качестве преобразователей ис­ пользуются линейные индукторы.

Индукционные расходомеры могут быть классифицированы по пространственной конфигурации магнитного поля возбужде­ ния. Для преобразователей первого типа — это либо осесимметричные магнитные поля возбуждения (ОМП) (2—4], либо ради­ альные поля возбуждения (РМП) [5—9].

Простота конструкции датчиков расходомеров, небольшое число катушек — основные достоинства расходомеров с осесимметричным магнитным полем возбуждения (цилиндрического типа). Существенным недостатком конструкции таких Датчиков является сложность их установки на жидкометаллическом кон­ туре, требующей «врезания» участка контура с монтированным датчиком. Датчики такого типа трудно-защитить от теплового воздействия контролируемой среды, поэтому их применение для измерения расхода высокотемпературных жидких металлов огра­ ничено температурными свойствами изоляционных и пропиточных материалов.

Преобразователи трансформаторного типа с радиальным маг­ нитным полем возбуждения более сложны в изготовлении ввиду наличия магнитопровода. Однако в большинстве случаев они легко устанавливаются на контуре без какого-либо существен­ ного изменения конструкции трубопровода и нарушения его це­ лостности.

В преобразователях второго типа — линейных индукторах — используются две основные пространственно-временные струк­ туры магнитного поля возбуждения: бегущие магнитные поля (БМП) [10—12] и пульсирующие магнитные поля (ПМП) [13—17].

Совокупностью этих двух полей является пульсирующее маг­ нитное поле с движущейся пространственной огибающей (ПМПДО) [18, 19].

Из всех указанных расходомеров наиболее простыми, надеж­ ными и обладающими высокой чувствительностью являются

приборы, в которых используются пульсирующие магнитные

П ОЛ Я.

Бесконтактные индукционные расходомеры (БИР) по исполь­ зуемым физическим явлениям, лежащим в основе принципа изме­ рения, могут быть разделены на асинхронные и синхронные.

К асинхронным расходомерам можно отнести приборы, в ко­ торых используются явления «деформации» или «сноса» магнит­ ного поля возбуждения при движении в этом поле электропрово­ дящей среды. Расходомеры, в которых используются преобразо­ ватели трансформаторного и дифференциально-трансформатор­ ного типа, являются расходомерами асинхронного принципа дей­ ствия.

К синхронным расходомерам можно отнести приборы, исполь­ зующие как отсутствие вторичного магнитного поля (пли связан­ ных с этим эффектом) при равенстве скоростей магнитного поля возбуждения и контролируемой среды [10], так и эффекты, имею­ щие место при равенстве относительных скоростей среды и маг­ нитных полей возбуждения [12].

Поскольку индуцированное при движении жидкого металла магнитное поле пропорционально Re,„ (а, у ) , то о скорости кон­ тролируемой среды можно судить по изменению одной из следую­ щих величин: суммарного магнитного поля, индуцированного (вторичного) магнитного поля, тока возбуждения.

Поскольку электрический сигнал полностью определяется амплитудой, частотой и фазой, то каждый из этих параметров может служить источником информации о скорости движения контролируемой среды. В зависимости от конкретных требований, предъявляемых к расходомерным устройствам, определяют один или несколько параметров выходного сигнала.

Основным параметром является амплитуда выходного сиг­ нала, но во многих случаях с целью уменьшения влияния электро­ магнитных помех учитывается и фаза выходного сигнала [20]. Таким образом, применяется амплитудно-фазовая индикация вы­ ходного сигнала — наиболее распространенный вид индикации вы­ ходного сигнала, характерный для асинхронных методов измере­ ния расхода жидкого металла. При амплитудно-фазовой индика­ ции преобразованный выходной сигнал пропорционален магнит­ ному числу Рейнольдса или <ти для конкретного устройства. Раз­ новидностью амплитудно-фазовой индикации является амплитуд­ ная или фазовая индикация суммарного магнитного поля, инду­ цированного магнитного поля, либо измерение амплитуды тока возбуждения [21]. Чаще всего указанные методы применяются в индикаторах расхода, имеющих невысокую точность измерения.

Для синхронных методов характерно использование ампли­ тудно-частотной индикации: определяют частоту тока возбужде­ ния, при которой амплитуда вторичного магнитного поля равна

нулю,'либо амплитуды вторичных магнитных полей равны между собой [22, 23].

Разновидностью амплитудно-частотной индикации, применяе­ мой в асинхронных расходомерах, является определение расхода по отношению амплитуд вторичных магнитных полей, индицируе­ мых двумя группами приемных катушек. При этом, хотя частота тока питания (магнитного поля возбуждения) не меняется в про­ цессе измерения расхода, она является одним из основных пара­ метров при определении скорости контролируемой среды [16, 24].

При амплитудно-частотной индикации преобразованный вы­ ходной сигнал пропорционален скорости контролируемой среды, что позволяет считать такие методы беспроливными.

Следует отметить, что расходомеры, в которых используются импульсные во времени магнитные поля возбуждения, также можно разделить по принципу'измерения на две группы. Однако если расходомеры, в которых скорость контролируемой среды оп­ ределяется по амплитуде импульса, наведенного в приемной ка­ тушке, можно отнести к асинхронным, то расходомеры, опреде­ ляющие скорость по времени перехода выходного сигнала через нуль, строго отнести к синхронным расходомерам нельзя.

В следующем параграфе более подробно рассматриваются расходомеры, описанные в классификационной схеме.

§ 2. РАСХОДОМЕРЫ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ТРАНСФОРМАТОРНОГО

И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА

Использование вторичного магнитного поля для измерения •скорости движения потока электропроводящей жидкости было предложено в 1948 г. Лейде и Лангом [2] и первоначально пред­ назначалось для измерения скорости движения судна.

Датчик измерителя скорости состоит из трех катушек (рис. 1.2,а), расположенных в обтекаемой капсуле. Крайние катушки (2, 3) — возбуждающие — включены таким образом, что резуль­ тирующий магнитный поток через центральную катушку (/) при покоящейся среде близок к нулю. При движении электропрово­ дящей жидкости относительно радиальной компоненты поля воз­ буждения в жидкости индуцируются токи I v , замыкающиеся по контуру, охватывающему приемную катушку (1). При этом в центральной катушке наводится э. д. с, пропорциональная ско­ рости и проводимости контролируемой среды. Контуры вихревых токов 1а и скоростных токов /„. смещены в пространстве, как по­ казано на рис. 1.2, а.

Магнитная система датчиков с осесимметоичньщ ттплрм

библиотек* СССР

Э К З Е М П Л Я Р ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

Вельта її Богденко; в — преобразователь с ферромагнитным

сердечником.

обратима: катушки возбуждения и приемные катушки могут из­ менять свои функции [3, 25, 26].

Такое устройство, предложенное Вельтом и Богденко [3, 25], отличалось от описанного в работе {2] тем, что катушки разме­ щались на трубопроводе (рис. 1.2, б).

В случае использования центральной катушки в качестве воз­ буждающей в крайних приемных катушках влияние поля возбуж­ дения сводится к минимуму их встречным включением. Э.д. с , обусловленная движением жидкости, при встречном включении приемных катушек суммируется вследствие того, что радиальные составляющие поля возбуждения в зоне каждой из приемных ка­ тушек имеют противоположное направление. Таким образом, сиг-