книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

вания стали кремнием: 1 — нормальные, 2 — пониженные, 3 — низкие, 4 — высоколегированные. В обозначении марки это ука­ зывается соответствующей цифрой. Если на втором месте стоит цифра 4, то это значит, что нормированы потери при частоте 400 гц. Степень текстуровки обозначается О. Материал с особо низкими потерями в обозначении содержит букву А.

Некоторой спецификой работы датчика является повышенная окружающая температура. У всех ферромагнетиков существует так называемая точка Кюри, т. е. температура, выше которой практически полностью теряются магнитные свойства материала. Для электротехнических сталей эта температура составляет 730— 770° С. Однако магнитные параметры не являются постоянными величинами, не зависящими от температуры материала. Так, ве­

областью датчиков расходомеров, это изменение существенно меньше. Кроме того, вследствие размагничивающего действия зазора эффективный температурный коэффициент (ссд) получа­ ется еще меньшим. В этом случае в силе выражение

магничивания (возбуждения).

Приближенно по этой формуле можно оценить и влияние ста­ рения материала от времени, т. е. ухудшения магнитных свойств. При этом оказывается, что эффект старения наиболее выражен в области малых значений индукции [4]. Так, при значениях В по­

Таким образом, рекомендуется практиковать искусственное старение [4, 5] путем длительной выдержки материала при опре­ деленной температуре.

Известно несколько режимов нагрева электротехнической ста­ ли с целью искусственного старения: например, нагрев при 100° С в течение 600 часов или при 200° С в течение 12 часов. По лите­ ратурным данным, после таких операций величина индукции практически остается неизменной. Следовательно, после изготов­ ления магнитной системы до испытаний датчика необходимо про­ вести его старение.

Таким образом, марка стали для магнитбпровода датчика не является критической. В основном необходимо стремиться приме-

нять материал с минимальными потерями на вихревые токи, например Э-44, используя достаточно тонкий прокат (0,2— 0,35 мм). Не рекомендуется применение специальных высокопроницаемых сплавов типа пермаллой. Эти материалы очень чувст­ вительны к режиму технологической обработки и другим внеш­ ним физическим факторам. Так, например, зажатие в оправку магнитопровода, изготовленного из пермаллоя, приводит к умень­ шению магнитной проницаемости и росту магнитных потерь.

Ввиду большого зазора, как уже отмечалось ранее, нестабиль­ ность магнитных параметров датчика сказывается незначительно. Как показала практика, основная причина нестабильности пока­ заний определена самой конструкцией датчика, выбором крепле­ ния индукторов и их установкой на трубопроводе.

Вприложении даны технические параметры для тонколисто­ вой электротехнической стали различных марок.

§2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКА

Вбольшинстве случаев датчик измерителя расхода состоит из двух линейных индукторов: приемного и намагничивающего. Последний может быть двух типов: однофазный — пульсирую­ щего магнитного поля, трехфазный — бегущего магнитного поля. Приемный индуктор представляет собой однофазную систему. Расчет датчика включает в себя два этапа:

1)расчет геометрии канала и полюсного деления намагничи­ вающего индуктора при заданном диаметре трубопровода;

2)расчет геометрии намагничивающего и приемного индукто­ ров при выбранном полюсном шаге.

Анализ чувствительности, влияния неравномерности профиля скорости, высших пространственных гармоник поля показывает, что геометрические параметры датчика и канала необходимо вы­ бирать из следующих условий [6]:

0,75<сс<1,0; /г^0,75; аа^2; 2Д/т^0,5 . (7.1)

Здесь ~a = ab; а = п/т, т — полюсное деление намагничивающего индуктора; 2Ь — толщина канала, 2а — ширина канала; k — bjA\ 2А — воздушный зазор датчика (см. рис. 5.1).

На рис. 7.1 представлены зависимости оптимальной частоты и линейного динамического диапазона от относительного зазора, рассчитанные по формуле (4.101). Увеличение полюсного деле­ ния (2Д/т<0,5) приводит к уменьшению оптимальной частоты тока питания, уменьшая при этом линейный динамический

одинаковых размерах /к , /д , D, a, b имели различные геометричес­ кие формы.

Для входного переходника минимальный коэффициент гид­

При отношении площадей сечения на входе и выходе переход­ ника nD2/\Qab=l для коэффициента гидравлического сопротив­ ления выходного переходника можно использовать выражение

размеров плоского участка канала (2а и 2Ь) при заданном диаметре трубопровода. В общем случае раз­ меры канала могут быть вычислены по формулам

a = 0,443DC 1 - ' / =; b = 0,443 DC,'/..

Величина рабочего зазора датчика выбирается из условия не­ обходимой теплозащиты обмоток датчика от перегрева. Если температура жидкого металла не превышает 300° С, то в особых мерах теплозащиты обмоток датчика в условиях естественного охлаждения нет необходимости. В этом случае для теплоизоля­ ции датчика, работающего при температуре окружающей среды до 40° С, достаточно 1—2-миллиметрового слоя стеклоткани. При этом температура корпуса датчика даже при длительной работе не превышает 150—180° С. Температура обмотки на 10—20% ниже.

При более высоких температурах жидкого металла необхо­ димо применять специальные высокотемпературные обмоточные провода и высокотемпературные компаунды для заливки кату­ шек датчика. В этом случае необходимо также применение маг­ нитных материалов с более высокой точкой Кюри (пермаллой, пермендюр и др.).

Технология изготовления датчика и его конструкция подробно описаны в § 3 настоящей главы.

Расчет геометрии намагничивающего индуктора. Величина полюсного деления индуктора определяет геометрию индуктора в целом. Она должна быть выбрана таким образом, чтобы при максимальной величине первой гармоники индукции магнитного поля возбуждения в середине рабочего зазора датчик имел ми­ нимальный вес и минимальное значение высших пространствен­ ных гармоник поля. Согласно результатам, полученным в работе [9], величину третьей пространственной гармоники поля можно существенно уменьшить, если отношение ширины паза 1п к по­ люсному шагу х равно 0,56. Как показали экспериментальные

тановки датчика прямолинейного участка. На рис. 7.7 приведена зависимость веса индукторов датчика от величины т при различ­ ных соотношениях сторон канала Ь/а. С увеличением полюсного деления вес датчика растет весьма значительно.

Намагничивающий индуктор бегущего магнитного поля рас­ считывается по известной методике [7] с учетом выбранной вели­ чины полюсного деления (7.10). Рекомендуется применять двух­ слойную обмотку с наполовину заполненными тремя крайними пазами с каждой стороны и числом полюсов, равным 5 [12, 13].

Расчет геометрии приемного индуктора. Как показывает опыт, рациональным является выбор ширины паза приемного ин­ дуктора не более 0,4т (т/2) и максимальной глубины паза, рав­ ной т (т/2). Ширина и длина приемного индуктора равна ширине и длине намагничивающего. Увеличение числа катушек прием­ ного индуктора более 3—5 нецелесообразно, так как пропорцио­ нально числу катушек растет также нестабильность собственной помехи. Последнее обстоятельство весьма существенно при изме­ рении расхода высокотемпературных сред в трубопроводах диа­ метром менее 20 мм. Необходимо учесть, что на крайних зубцах приемного индуктора катушки не размещаются. Методика рас­ чета геометрии приемного индуктора одинакова для датчиков всех типов.

Выбор частоты тока питания датчика. Частота тока питания при использовании синхронных методов определяется диапазо­ нном измеряемых скоростей.

Для дифференциальных расходомеров с датчиками пульсиру­ ющего поля рабочая частота рассчитывается по формуле (4.96):

^ _ xth nx~l (А — Ъ) +nb 2|л0а&т2

При этом линейный диапазон метрологической характеристики может быть оценен исходя из условия (4.101):

Rem *<0,4Reт опт-

Для расширения динамического диапазона, как уже отмечалось в главе IV, можно использовать метод с подстройкой частоты тока на оптимум. Поскольку для измерителей расхода определя­ ющим фактором является магнитное число Рейнольдса, то с целью расширения линейного динамического диапазона в ряде случаев рациональным является уплощение канала.

Для измерителей расхода по методу отношений рабочая час­ тота выбирается равной 0,3—0,5/ОПт. При этом, естественно, сни­ жается и линейный динамический диапазон, который не превы­ шает половины динамического диапазона дифференциального расходомера с фиксированной частотой тока питания.

Магнитопровод индуктора крепится при помощи уголков к по­ дошве теплоотводящего ребра. На зубцах магнитопровода ин­ дуктора расположены приемные катушки и катушки возбужде­ ния, выводы от которых после соединения в группы припаяны к разъему типа ШР для соединения с кабельной линией на измери­ тельный прибор. Индукторы между собой крепятся с помощью колонн, приваренных к основанию (нижней подошве теплоотво­ дящего ребра). Колонны имеют дистанцеры для крепления верх­ него съемного индуктора на определенном расстоянии от ниж­ него,' проходят через основание, на котором крепится верхний ин­ дуктор, и затягиваются гайками. В случае необходимости на колоннах может быть размещен конструктивный элемент крепле­ ния датчика к измерительному участку канала.

Выбор конструктивного исполнения датчиков бесконтактных расходомеров в основном обусловлен назначением расходомер­ ного устройства и условиями эксплуатации.

К определяющим условиям эксплуатации датчика (преобра­ зователя) расходомерного устройства относятся: а) максималь­ ная рабочая температура контролируемой среды, б) допустимая максимальная температура обмоток и магнитопровода индукто­ ров, что в свою очередь определяется термостойкостью материала обмоток катушки. Разница температур контролируемой среды и индуктора определяет выбор системы охлаждения магнитопро­ вода. В зависимости от местонахождения датчика расходомера может быть применен теплоотвод естественной конвекцией воз­ духа окружающей среды, принудительный теплоотвод потоком газа или жидкости, а в условиях, где это необходимо, тепловое излучение с поверхностей конструктивных элементов датчиков.

Выбранная схема охлаждения определяет конструкцию сис­ темы теплоотвода, при этом необходимо соблюдать основное тре­ бование ко всем конструкциям датчиков расходомеров: стабиль­ ность геометрических параметров датчика в интервале рабочих температур. Необходимо обеспечить постоянство рабочего зазора и стабильность конструкции, не допускающей перемещения ин­ дукторов датчика между собой вдоль измерительного канала. Также необходимо обеспечить неизменное положение намагничи­ вающих и приемных катушек на зубцах индуктора.

В случае, если, например, датчик расходомера (преобразова­ тель) находится в лабораторных или цеховых помещениях и теп­ лоотвод возможно осуществить либо естественной конвекцией ок­ ружающей среды, либо принудительным воздушным или жид­ костным потоком, то обеспечить обмоткам датчика требуемый температурный режим не составляет принципиальных трудностей.

Как показал опыт эксплуатации экспериментальных дат­ чиков расходомеров на натриевых контурах Института физики АН Латвийской ССР, даже длительная работа датчиков без