книги из ГПНТБ / Бесконтактный контроль потока жидких металлов

Импульсный способ измерения расхода электропроводящих жидкостей [44] отличается тем, что с целью повышения точности измерения о расходе судят по временному сдвигу максимума э. д. с, наведенной в измерительной катушке, относительно пря­ моугольного импульса, питающего катушку возбуждения.

Экспериментальные исследования устройств, использующих •описанные выше способы измерения расхода, показали, что они имеют невысокую (10—20%) точность измерения. Это связано с тем, что крутизна перехода наведенного импульса через нуль оп­ ределяется как скоростью, так и проводимостью контролируемой среды. С уменьшением проводимости контролируемой среды уменьшается крутизна перехода индуцированного импульса че­ рез нуль и тем самым уменьшается разрешающая способность и точность измерения расхода в целом.

Применение системы двух катушек возбуждения, включенных встречно, позволяет увеличить крутизну перехода наведенного импульса через нуль [45]. В этом случае расход определяется по интервалу времени между скачком тока в двух охватывающих трубопровод круговых катушках возбуждения и моментом пере­ хода через нуль э. д. с, индуцированной в охватывающей трубо­ провод круговой измерительной катушке. Измерительная катуш­ ка расположена между катушками возбуждения и сдвинута отно­ сительно середины расстояния между ними в направлении дви­ жения потока.

Теоретические и экспериментальные исследования импульс­ ных методов показали, что время прохождения напряжения на выходе приемной катушки через нуль зависит только от скорости движения проводящей среды в канале. Время прохождения вы­ ходного сигнала через нуль между первым максимумом и мини­ мумом связано со скоростью простым соотношением

ігде / — расстояние от середины передающей катушки до плос­ кости приемной катушки. Измерение этого времени позволяет

определить величину расхода. Если профиль'скорости равноме­ рен, то время т определяется соотношением (1.5) при любой про­ водимости среды. При развитом турбулентном течении импульс­ ный метод, по-видимому, позволяет достаточно точно определить величину средней скорости по формуле (1.5). Случай ламинар­ ного течения должен быть рассмотрен особо. В настоящее время этот вопрос еще полностью не исследован.

Наряду с такими положительными качествами, как простота изготовления датчика (в том числе и высокотемпературной мо­ дели), возможность использования расходомера без предвари­ тельной тарировки на контуре, импульсный измеритель скорости все же обладает и существенными недостатками: необходимость

сложной электронной аппаратуры для точного определения вре­ мени прохождения сигнала через нулевое значение, сравнительно узкий диапазон скоростей при заданном расстоянии /. Для изме­ рения расходов в широком диапазоне необходимо применять не­ сколько датчиков с различным расстоянием /.

§ 4. РАСХОДОМЕРЫ, В КОТОРЫХ В КАЧЕСТВЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ЛИНЕЙНЫЕ ИНДУКТОРЫ

В последние годы в качестве датчиков для бесконтактного из­ мерения скорости (расхода) электропроводящих сред использу­ ются линейные индукторы. Они позволяют создать в рабочем за­ зоре магнитные поля, распределенные в пространстве по опреде­ ленному закону [46]. Такие расходомеры обладают повышенной помехоустойчивостью к внешним электромагнитным полям и, имея соответствующую теплозащиту, могут работать в условиях высоких температур. Другим важным достоинством указанных расходомеров является возможность получить достаточно просто расчетные характеристики, позволяющие рационально выбрать геометрию датчика и частоту тока питания из условия получения максимальной чувствительности.

С целью более удобного проведения анализа все рассматри­ ваемые в дальнейшем расходомеры, в которых в качестве преоб­ разователей применяются линейные индукторы, разделены по типу используемых магнитных полей:

1)бегущего магнитного поля,

2)пульсирующего магнитного поля,

3)пульсирующего магнитного поля с движущейся пространственнойогибающей.

Распределенные таким образом расходомеры в дальнейшем будут классифицированы по физическому явлению, положенному

воснову принципа действия расходомера.

Естественно, такая классификация не претендует на полноту, однако в значительной мере она способствует более глубокому анализу каждого из рассматриваемых расходомерных устройств.

1. Расходомеры, основанные на использовании бегущих маг­ нитных полей. Широкое применение трехфазных индукционных МГД-машин вызвало необходимость исследования взаимодейст­ вия бегущих магнитных полей с электропроводящей средой [47— 49 и др.]. Результаты исследований по взаимодействию бегущего магнитного поля с проводящей средой обобщены в монографии Ю. К. Круминя [50].

Физические закономерности, имеющие место при взаимодейст­ вии бегущего магнитного поля с движущейся электропроводящей

Схема расходомера, в котором используется явление затуха­ ния магнитного поля, показана на рис. 1.21 (11, 21]. Намагничи­ вающий индуктор (4) создает бегущее магнитное поле, которое индуцирует напряжение в катушках (2), расположенных по обе стороны канала с движущейся электропроводящей средой. Фер­ ромагнитное ярмо предназначено для увеличения индукции в ра­ бочем зазоре. Поскольку разность фаз и отношение амплитуд напряжений Ui и U2, снимаемых с приемных катушек (2), зави­ сят от скорости движущейся электропроводящей среды, измере­

На рис. 1.22 показана зависимость сдвига фазы магнитной индукции от скорости потока жидкого натрия, а на рис. 1,23 — зависимость отношения ампли­ туды магнитной индукции от скорости потока жидкого нат­ рия.

пернментальная.

и2

/ -

3 /

\

W T ~ W ~ ~ W

Рис. 1.24. Дифференциальный измеритель расхода с линейными индукторами бегущего электромагнитного поля.

1.2— линейные индукторы возбуждения ; 3, 4 — приемные индукторы; 5 — блок вы­

читания сигналов.

(рис. 1.24). Индукторы питаются от трехфазного генератора. Эти трехфазные намагничивающие индукторы создают в рабочем за­ зоре бегущие в противоположных направлениях магнитные поля. С другой стороны канала напротив намагничивающих индукто­ ров установлены два приемных однофазных индуктора (3) и (4). Катушки каждого приемного индуктора включаются последова­ тельно-согласно. Величина э. д. с , снимаемых с катушек прием­ ных индукторов, зависит от относительной скорости движения среды и поля, а также от частоты тока питания намагничивающих индукторов и проводимости контролируемой среды.

Э.д. с. подаются на вход сравнивающего устройства, на вы­ ходе которого имеется индикатор расхода. Если среда непод­

э. д. с. отличаются, так как вследствие противоположных направ­ лений движения бегущих магнитных полей, создаваемых намаг­ ничивающими индукторами, величины относительных скоростей (скольжений) будут различны. Следовательно, разность этих

На рис. 1.25 показана зависимость выходного напряжения из­ мерителя от скорости движения проводящей среды, измеряемой стробоскопическим методом, т. е. метрологическая характерис­ тика дифференциального измерителя расхода [21]. Проводимость

50 гц, кривая 2 — 360 гц, 3 — 500 гц, 4 — 1000 гц, 5 — 2 кгц. Как видно из рис. 1.25, метрологические характеристики линейны до скоростей 6ч-10 м/сек.

На рис. 1.26 показана зависимость чувствительности измери­ теля от частоты тока питания намагничивающих индукторов. На­ личие оптимальной частоты тока питания датчика позволяет по­ лучить высокую чувствительность индукционного расходомера.

На основе рассмотренной дифференциальной схемы может быть построен измеритель расхода с использованием фазового сдвига между э. д. с , наводимыми в катушках приемных индук­ торов.

Как показали результаты экспериментальных исследований, чувствительность расходомера со встречно включенными индук­ торами, в котором расход определяется по сдвигу фаз, в 2 фаза выше, чем у измерителя, описанного в работе [11].

Рис. 1.27. Дифференциальный измеритель расхода с гидравлической индикацией расхода.

/ — рабочий канал; 2 — две пары линейных индукторов в о з б у ж д е н и я ; 3 — измеритель­ ный канал; 4 — дифманометр; 5 — индикатор р а с х о д а .

Следует отметить, что при фазовом методе индикации показа­ ния дифференциального измерителя расхода практически не за­ висят от нестабильности напряжения питания (погрешность не превышает 1 % при изменении напряжения питания в пределах + 50% от номинального значения) [21].

Индикацию скорости электропроводящей среды можно осу­ ществить, используя как электромагнитные, так и гидравличес­ кие эффекты, возникающие в результате взаимодействия бегущих магнитных полей и контролируемой среды. На рис. 1.27 приве­ дена схема дифференциального измерителя с гидравлической ин­ дикацией скорости [21, 54]. Рабочий канал (1) образован двумя параллельными проточными ответвлениями, между которыми размещен измерительный канал (3), также заполненный элек­ тропроводящей жидкостью.

Выходные патрубки измерительного канала подсоединены к дифманометру (4). Когда скорость (расход) жидкости в рабочем канале равна нулю, на жидкость, заполняющую измерительный канал, будут действовать одинаковые по абсолютной величине, но противоположно направленные силы. При движении среды равновесие сил, действующих на жидкость как в рабочем, так и в измерительном каналах, нарушится. Для бегущего магнитного поля, перемещающегося в направлении движения жидкости, ус-

ловия прохождения через движущийся слой улучшатся, а для бе­ гущего магнитного поля противоположного направления — ухуд­ шатся. Соответственно изменятся величины электромагнитных сил, действующих на жидкость в измерительном канале. Вслед­ ствие этого появится результирующий напор, направленный в сторону движения жидкости в рабочем канале. Величина напора измеряется дифманометром. Если электропроводность жидкости и частота тока питания индукторов не меняются, показания диф­ манометра зависят только от скорости контролируемой среды. В описанном устройстве рабочий канал отделен от измерительного. Это дает возможность для заполнения последнего выбрать жид­ кость с физическими свойствами, обеспечивающими наилучшие метрологические показатели [21].

Предложен ряд устройств для измерения расхода по электро­ магнитной реакции встречно-включенных насосов [55, 56].

Например, одна из фазовых обмоток каждого индуктора под­ ключена к нулевой точке противоположного (рис. 1.28). При от­ сутствии движения жидкости нагрузки обмоток насосов симмет­ ричны и токи между нулевыми точками отсутствуют. Нетрудно убедиться в том, что при наличии направленного движения жид­ кости из-за перераспределения нагрузок симметричность будет нарушена и между нулевыми точками появится напряжение или ток, величина которого будет служить мерой скорости протека­ ющей жидкости. Индикацию скорости контролируемой среды можно осуществлять и по фазе напряжения между нулевыми точками.

Большинство описанных выше измерителей, в которых исполь­ зуются индукторы бегущего магнитного поля, ввиду сложности

Рис. 1.28. Схема включения фазовых обмоток встречно-включенных ин­ дукторов насосов в режиме контроля расхода.

и невысокой надежности устройств может служить лишь в каче­ стве индикаторов расхода жидкометаллических сред.

Как уже отмечалось, в случае, если скорость движения элек­ тропроводящей среды совпадает по величине и направлению со скоростью перемещения бегущего магнитного поля, вторичное магнитное поле отсутствует. Использование этого физического явления позволяет создать синхронные методы измерения рас­ хода. В следящих устройствах скорость перемещения магнитного поля регулируется таким образом, чтобы отсутствовало вторич­ ное магнитное поле [10].

Как известно из теории индукционных МГД-машин, скорость перемещения магнитного поля связана с частотой питания соот­

усиления поля предусмотрен магнитопровод (5). Измерительные катушки (2) подключены к фазочувствительной схеме (4). Час­ тота тока генератора регулируется серводвигателем (7), управ­ ляемым фазочувствительной схемой. Частота тока генератора ав­ томатически устанавливается такой, чтобы сдвиг фазы между напряжениями U\ и U2, снимаемыми с измерительных катушек, равнялся нулю. При этом условии скорость среды v легко опре-

2

Рис. 1.29. Схема следящего измерителя скорости потока электропроводящей среды.

/ — линейный индуктор в о з б у ж д е н и я ; 2 — приемные катушки; 3 — измерительный ка­ нал; 4 — фазочувствительный блок индикации нуля и управления серводвигателем; 5 — ферромагнитное ярмо; 6 — генератор трехфазного тока в о з б у ж д е н и я ; 7 — серводви­ гатель.

Поскольку вторичные поля обра­ щаются в нуль при синхронной скорости движения среды и магнит­ ного поля при любых значениях проводимости среды и геометричес­ ких параметров датчика, метод

можно считать бестарировочным. Однако все сказанное выше справедливо для среды, движущейся как твердое тело.

В случае движения жидкой проводящей среды по каналу всегда имеет место распределение скорости по его сечению. При этом условие равенства нулю вторичного магнитного поля на час­ тоте ac=avo (v0 — средняя по сечению скорость течения прово­ дящей жидкости) нарушается. Естественно, чем ближе профиль скорости к равномерному, тем меньше погрешность в определе­ нии средней скорости движения среды.

Синхронный метод измерения расхода, использующий встреч- но-бегущие магнитные поля разной частоты [12, 23], является дальнейшим развитием рассмотренных методов [10, 21]. Одна извозможных блок-схем указанного измерителя приведена - на рис. 1.30. Намагничивающие линейные индукторы (6) и (10) пи­ таются от трехфазных генераторов (7) и (9) и создают два встречно-бегущих магнитных поля, действующих на электропро­ водящую среду (1). Сигналы, наводимые в приемных индукторах

(2) и (5), подаются на индикатор баланса (4).

При неподвижной проводящей среде и равенстве частот токовпитания намагничивающих индукторов, имеющих одинаковое по­ люсное деление, эти сигналы будут равны. При движении элек­ тропроводящей среды подбором частоты тока питания одного и* индукторов (например, 10) можно добиться равенства относи­ тельных скоростей среды и поля (сої — av = a2 + av), а значит, и равенства вторичных магнитных полей © зоне приемных катушек.

Если трансформаторные э. д. с. (э.д. с. при отсутствии в рабо­ чем зазоре электропроводящей среды) равны во всем диапазоне изменения частоты тока возбуждения, то при равенстве относи-