книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

Отношение синфазных компонент составляющих сигнала от уско­ рения и скоростной составляющей вторичного сигнала при фазо­ вом способе индикации определяется выражениями

Таким образом, как следует из выражения (6.9), измерение мгно­ венной скорости потока при фазочувствительном способе инди­ кации возможно с достаточной степенью точности при соответст­ вующем выборе частоты тока питания. Причем на оптимальной частоте синфазная компонента составляющей сигнала от ускоре­ ния потока отсутствует [3, 4].

Отношения (6.9) и (6.10), так же как и отношение (6.6), опре­ деляют разрешающую способность расходомерного устройства при регистрации быстропеременных процессов.

Количественная оценка неравенства (6.7) может быть произ­

Если необходимо измерить только ускорение потока электро­ проводящей среды, то можно использовать постоянное во вре­ мени магнитное поле возбуждения и получить максимальную раз­ решающую способность. Амплитудно-фазовые характеристики дифференциального измерителя расхода при измерении парамет­ ров нестационарного потока электропроводящей среды изучались на твердой модели. В качестве движущейся проводящей среды использовалась полоса из магний-алюминиевого сплава с удельлой электропроводностью ст = 8,5-106 ом~х -м-1. Установка, блоксхема которой показана на рис. 6.1, представляет собой механи­ ческое устройство, преобразующее вращательное движение в пря-

молинейное поступательное со скоростью, изменяющейся во вре­ мени по гармоническому закону

v(t) = и 0 cos Q,t.

Максимальная длина пути перемещения проводящей полосы 110 мм.

Эксперименты проводились при фиксированном значении мак­ симальной скорости проводящей полосы и0і = 1,04; и 0 2 = 1,49; иоз = = 2,41 м/сек.

Максимальное ускорение при этих скоростях имело соответ­ ственно следующие значения: a0 i = 19,5, о0 2 = 3,92, а 0 з=Ю6 м/сек2.

Для каждого режима движения' частота питания датчика со­ ставляла 25, 50, 100, 200, 400 гц.

Использовался линейный участок метрологической характе­ ристики измерителя скорости. Сигнал, снимаемый с датчика, записывался на фотобумагу шлейфового осциллографа Н-700. Одновременно производилась запись сигнала, обусловленного ускорением проводящей полосы. Сигнал ускорения снимался с •отдельного датчика, намагничивающий индуктор которого запи­ тай постоянным током. Датчик ускорения использовался в каче­ стве контрольного индикатора.

Осциллограммы сигналов, снимаемых с датчиков скорости и ускорения, представлены на рис. 6.2.

При циклическом движении полосы в рабочем зазоре дат­ чика объем металла, проходящего за один цикл движения, был постоянным. Менялись лишь скорость и соответственно ускорение движения металла.

V t і

Скорость записи на фотобумаге шлейфового осциллографа,, частота и амплитуда тока питания датчика оставались постоян­ ными при исследовании каждого из трех режимов движения. Сле­ довательно, площади, ограниченные огибающей сигнала и осьювремени, должны быть равны для всех трех режимов движения.

г

Иными словами, доза металла Q = s0Sv(t)dt должна быть посто-

о

янной для всех режимов движения. Здесь Т — период движения:

Рис. 6.2. Осциллограммы сигналов скорости и ус­ корения, снимаемых с датчиков при одинаковых режимах движения.

полосы, so — площадь поперечного сечения движущейся полосы металла.

Сказанное справедливо лишь в том случае, если величина сигнала от ускорения гораздо меньше амплитуды скоростного сигнала.

Анализ осциллограмм, снятых при указанных выше режи­ мах движения, проводился путем сравнения интегральных пло­ щадей. Было установлено, что равенство доз сохраняется для

различных максимальных скоростей движения в пределах + 5 % ,

Например, при измерении мгновенной скорости полосы (дозы) в случае изменения скорости по гармоническому закону с ампли­

ременных процессов, определяемая как отношение частоты пуль­ саций скорости потока и рабочей частоты тока питания датчика: у=й/а>. Иными словами, разрешающая способность датчика по­ казывает, при какой частоте пульсаций скорости потока жидкого металла возможно неискаженное измерение мгновенной скорости при заданной частоте тока питания датчика.

Таким образом, экспериментальные исследования показы­ вают, что при у=£^0,05 погрешность измерения скорости нестацио­ нарного потока не превышает 5%.

Разрешающая способность у и определяет в основном приме­ нимость бесконтактных методов для измерения мгновенной ско­ рости нестационарного потока жидкого металла.

§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ

ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ Ж И Д К О Г О МЕТАЛЛА

В металлургическом деле при разливе жидкого металла одной из ответственных операций является дозирование его в опреде­ ленных порциях. При равномерном истечении металла из разда­ точной емкости (v — const) для получения заданной порции Q про­ цесс дозирования сводится к открыванию заслонки трубопровода сечением so на определенное время t2 — tu так как

С совершенствованием МГД-устройств для жидких металлов предложены способы дозирования с использованием электромаг­ нитных насосов [5, 6]. Их отличие заключается в том, что исполь­ зуемый вместо заслонки насос обеспечивает более высокую про­ изводительность истечения. В зависимости от величины дозы на­ сос подобно установкам с естественным истечением включается

ввиду того, что после включения насоса поток металла в трубо­ проводе дозатора фактически остается без контроля.

Анализ режима движения жидкого металла в трубопроводе показывает [8, 9], что любой цикл дозирования с применением электромагнитного насоса имеет три характерных этапа (рис. 6.3). После момента включения насоса от £ = 0 до t = t\ происхо­ дит заполнение трубопровода дозатора. Начиная с момента t = tx металл с Нарастающей скоростью выливается из канала доза­ тора. В момент t = t2 насос выключается, скорость истечения жид­ кости падает до нуля, но по инерции неопределенная часть жид­ кости выливается из канала дозатора. Таким образом, количество вылитого металла определяется интегралом от скорости истече­ ния по времени процесса в виде

Установление мгновенной скорости металла в трубопроводе в любой момент времени и, следовательно, контроль количества вы­ литого металла легко осуществляется электромагнитными мето­ дами. Наиболее подходящими для дозирующих устройств явля­ ются расходомеры дифференциального типа (см. гл. I , § 4). Из-за окисления контактов при прерывистом потоке металла и наличия большой погрешности вовсе не применимы кондукцион­ ные расходомеры. Ввиду инерционности.малопригодны синхрон-

Рис. 6.4. Блок-схема дозатора с бесконтактным расходомером в качестве уп­ равляющего звена.

ные методы, а также расходомеры с движущимися механичес­ кими частями.

Блок-схема дозатора с применением бесконтактного расходо­ мера показана на рис. 6.4. На трубопровод, по которому под воз­ действием насоса (/) из раздаточной ванны (2) транспортиру­ ется жидкий металл, устанавливается датчик бесконтактного измерителя скорости (расхода) (3). После включения насоса жид­ кий металл, заполняя трубопровод, проходит через рабочий учас­ ток датчика и выливается в приемную емкость (форму). Сигнал от датчика скорости после усиления и преобразования собственно измерительным блоком (4) поступает на интегратор (5). Как только уровень выходного сигнала интегратора достигает уста­ новленного задатчиком дозы (6), срабатывает блок управления насосом (7) и подача металла в разливную емкость прекраща­ ется. Легко видеть, что если по какой-либо причине скорость жид­ кого металла, например, увеличилась, то благодаря наличию дат­ чика скорости заданная величина проинтегрированного сигнала достигается раньше и соответственно раньше происходит отклю­ чение насоса.

На точность дозирования при помощи бесконтактного устрой­ ства не влияет также изменение давления на входе насоса, что позволяет исключить погрешность, связанную с количеством пре­ дыдущих доз жидкого металла. Учитывается также то количество металла, которое выливается из дозатора после выключения насоса.

Некоторую постоянную погрешность вносит наличие переход­ ных процессов, которые имеют место в начале замера скорости,

Г Л А В А V I I

О С Н О ВЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ Р А С Х О Д О М Е Р О В

§ 1. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ МАГНИТОПРОВОДОВ ДАТЧИКА

Роль магнитопровода (сердечника) датчика заключается в концентрации магнитного потока, создаваемого катушками воз­ буждения, в рабочей зоне, там, где движется контролируемая жидкость.

Благодаря наличию магнитного сердечника происходит упо­ рядочение магнитного потока и в зоне жидкого металла созда­ ются поля с необходимым распределением вдоль трубопровода. Наличие сердечника приводит также к увеличению значения ин­ дукции в рабочей зоне по сравнению с таким же датчиком без магнитного сердечника [1], увеличивая тем самым чувстви­ тельность устройства. В зависимости от геометрии зубцовой зоны и величины рабочего зазора между индукторами индукция благодаря наличию сердечника возрастает в несколько десятков раз [2].

Для изготовления магнитопровода датчика расхода, так же как и для аналогичных электромагнитных измерительных уст­ ройств, применяются магнитомягкие материалы, главным обра­ зом листовая электротехническая сталь.

Магнитомягкие материалы характеризуются высокой магнит­ ной проницаемостью (ц) в области слабых и средних полей. Низ­ кая коэрцитивная сила (Яс ) у этих материалов определяет отно­ сительно низкие потери на перемагничивание, так называемые гистерезисные потерн. Приблизительно тот же порядок имеют потери на вихревые токи, обусловленные переменным магнитным полем возбуждения.

Применение для магнитопровода материалов с низкими поте­ рями на вихревые токи диктуется рядом соображений. Здесь не столь существенными являются к. п. д. и дополнительный нагрев датчика, сколько изменение фазы индукции за счет вторичных полей, образованных вихревыми токами в зубцах магнитопро­ вода. Неидентичность этих токов, а следовательно, и полей, при­

ления магнитомягких материалов указанные потери могут быть существенно снижены. Для снижения потерь на вихревые токи электротехническая сталь изготовляется в виде горячекатаных или холоднокатаных листов толщиной от 0,1 до 1,0 мм. Наряду

с этим снижение потерь на вихревые токи достигается введением в сталь кремния (0,5—4,5%), который, образуя с железом твер­ дый раствор, резко повышает удельное электрическое сопротивле­ ние [3]. По мере прибавления кремния уменьшаются также по­ тери на гистерезис и растет проницаемость в слабых и средних полях. Однако добавки кремния ухудшают механические свой­ ства стали: материал становится хрупким, твердым, при штам­ повке быстро изнашиваются штампы. В результате этого точ­ ность изготовления датчика уменьшается. Заусенцы, возникаю­ щие при работе с тупым рабочим инструментом, необходимо снять — сошлифовать. В противном случае в отдельных зубцах магнитопровода могут возникнуть локальные токовые контуры, приводящие к появлению э. д. с. декомпенсации.

определяется электропроводностью контролируемой среды, гео­ метрией канала и датчика (см.гл. IV, § 2).

Обычно для жидких металлов при сечении трубопровода от 100 до 20 мм рабочая частота лежит в диапазоне 50—1000 гц. Исходя из этого, необходимо выбирать материал магнитопро­ вода. Потери на гистерезис возрастают линейно с частотой, а вих­ ревые потери — квадратично. Таким образом, на повышенных частотах определяющим фактором являются потери на вихревые токи. В результате этого на повышенных частотах увеличение сигнала декомпенсации в значительной степени обусловлено рос­ том интенсивности вихревых токов и их хаотичным распределе­ нием. Для ограничения роста этих токов на повышенных часто­ тах следует выбрать более тонкий прокат.

Отечественная промышленность выпускает листовые кремнис­ тые стали двух видов: горячекатаные и холоднокатаные. В зави­ симости от кристаллографического направления пО'Отношению к направлению проката холоднокатаные материалы имеют раз­ личные свойства. Холоднокатаные текстурные материалы обла­ дают повышенной магнитной проницаемостью и более низкими потерями только при условии, что направление магнитного по­ тока совпадает с направлением проката. При несоблюдении этого условия магнитные свойства этих материалов уступают тако­ вым горячекатаных материалов. Для датчиков расходомеров изза изменяющегося направления потока в зубцах применение холоднокатаной стали нецелесообразно. Из опыта разработки магиитопроводов датчиков можно рекомендовать применение го­ рячекатаных сталей.

В табл. П.2 и П.З (см. приложение) даны основные свойства различных марок электротехнической (Э) стали, рекомендуемых для магнитных систем датчиков.

Первая за буквой цифра (1—4) указывает на степень легиро-