Имитатор расхода имитационным способом

Способ имитационного моделирования электромагнитных расходомеров жидких металлов

Владельцы патента RU 2422780:

Изобретение может быть использовано при эксплуатации энергетических установок с жидкометаллическим теплоносителем. Магнитное поле электромагнитного расходомера, имеющего трубу (1) из немагнитного материала (нержавеющей стали), к наружной поверхности которой приварены два электрода (2), преобразуют в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещаемой в канал трубы (1). Интегрируют электрическое напряжение, полученное на выходных клеммах индукционной катушки, и определяют коэффициент преобразования К_р расходомера. При этом через электроды пропускают ток I, по частоте и фазе равный току I₀, питающему индуктор расходомера, а по величине определяемый выражением где D — диаметр канала трубы (1), Re_m — магнитное число Рейнольдса, R — электрическое сопротивление пустой трубы между электродами, µ₀ — магнитная проницаемость жидкого металла, σ — электропроводность жидкого металла. Изобретение расширяет диапазон имитационного моделирования электромагнитных расходомеров, что обеспечивает возможность поверки при режимах, соответствующих высоким магнитным числам Рейнольдса (Re_m>1). 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения расхода жидких металлов с помощью электромагнитных расходомеров, к технике их имитационного моделирования. Измерение расхода жидких металлов необходимо, например, при эксплуатации энергетических установок, где жидкий металл используется в качестве теплоносителя.

Известны электромагнитные расходомеры жидких металлов, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции [1]. Электромагнитный расходомер имеет: трубу из нержавеющей стали (без изоляционного покрытия внутренней поверхности трубы), два электрода, приваренных к наружной поверхности стенки трубы, и индуктор, создающий низкочастотное импульсное магнитное поле в рабочей зоне канала.

Известно [1], что электромагнитные расходомеры, предназначенные для измерения расхода сред с высокой электропроводностью, в частности жидких металлов, чувствительны к изменению магнитного числа Рейнольдса (Re_m)

где V — средняя скорость потока жидкого металла, D — диаметр канала, µ₀ — магнитная проницаемость жидкого металла, σ — электропроводность жидкого металла. При Re_m>1 возникает известный эффект — снос (смещение) магнитного поля возбуждения в направлении движения потока жидкого металла.

При движении жидкого металла по трубе, в нем, в результате взаимодействия с магнитным полем индуктора, на границах рабочей зоны, т.е. зоны магнитного поля в канале, образуются циркуляционные токи, создающие свои магнитные поля, причем величина циркуляционных токов и соответственно величина создаваемых ими магнитных полей пропорциональны магнитному числу Рейнольдса. По направлению движения жидкого металла на входе в рабочую зону расходомера магнитное поле циркуляционных токов направлено навстречу магнитному полю индуктора, а на выходе из рабочей зоны расходомера магнитное поле циркуляционных токов направлено согласно с магнитным полем индуктора. Таким образом, суммарное магнитное поле циркуляционных токов и индуктора оказывается практически таким же, как магнитное поле индуктора, но смещено на некоторую величину вдоль оси канала, в направлении движения потока жидкого металла. Причем, чем меньше протяженность магнитного поля возбуждения вдоль оси канала, тем значительнее в центральном сечении канала изменение магнитного поля возбуждения и его влияние на показания расходомера. Практически все электромагнитные расходомеры жидкого металла имеют магнитное поле, распределенное вдоль оси канала, на протяжении, приблизительно равном одному диаметру трубы, поскольку такое магнитное поле обеспечивает оптимальные характеристики прибора: максимальную чувствительность при минимальном потреблении энергии для создания магнитного поля. Смещение магнитного поля может вызвать изменение коэффициента преобразования расходомера и внести ошибку в показания прибора.

Сложность исследования расходомеров жидких металлов на проливных стендах вынуждает искать иные, т.е. беспроливные способы исследования расходомеров, в частности способы имитационного моделирования.

Известен способ [2] имитационного моделирования электромагнитных расходомеров ионных жидкостей, т.е. жидкостей, электропроводность которых на несколько порядков ниже, чем электропроводность жидких металлов, поэтому при измерении расхода ионных жидкостей циркуляционные токи и их магнитные поля незначительны, а магнитное число Рейнольдса всегда много меньше единицы. Известный способ [2] предусматривает преобразование магнитного поля расходомера в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещаемой в канал, интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования расходомера К_p. Коэффициент преобразования К_p определяется выражением

где U — напряжение между электродами, I₀ — ток возбуждения магнитного поля индуктором, Q — объемный расход жидкого металла, равный

Индукционная катушка выполнена в виде плоской многослойной печатной платы, причем витки катушки размещены вдоль линий равного значения весовой функции [3]. Индукционная катушка размещается в канале моделируемого расходомера в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды. Причем одна из осей симметрии индукционной катушки совпадает с линией, соединяющей электроды расходомера.

Недостатком известного способа является невозможность моделировать зависимость коэффициента преобразования электромагнитного расходомера от изменения магнитного числа Рейнольдса.

Способ имитационного моделирования [2] является наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа имитационного моделирования работы электромагнитных расходомеров при любых числах Re_m, практически встречающихся в практике измерения расхода жидких металлов.

Эта цель достигается пропусканием электрического тока через электроды в пустую трубу расходомера. Ток I, пропускаемый через электроды и стенку пустой трубы, создает напряжение между электродами, равное

где R — электрическое сопротивление трубы между электродами.

Ток, растекаясь по стенке трубы, занимает вдоль ее оси область порядка одного диаметра трубы. При этом магнитное поле, образуемое током, создает эффект смещения магнитного поля индуктора.

Для того чтобы обеспечить смещение магнитного поля аналогичное, вызываемому магнитным числом Рейнольдса, полярность тока I должна соответствовать полярности сигнала, возбуждаемого между электродами, если бы по каналу протекал жидкий металл в заданном направлении, а частота и фаза тока должны быть одинаковыми с соответствующими параметрами тока питания индуктора I₀. При этом связь величины тока I с Re_m должна соответствовать выражению (5), полученному из совместного решения уравнений (1)-(4).

Чертеж поясняет формирование магнитного поля в пустом канале расходомера с помощью тока I₀ индуктора и тока I, пропускаемого через электроды. На чертеже изображена труба 1, к наружной поверхности которой приварены электроды 2. К электродам 2 подведен ток I. Линиями 3 показано распределение тока I в стенке трубы. Крестиками и точками показано направление магнитного поля, образованное током I, который создается регулируемым источником 4. Крестики указывают направление магнитного поля в плоскость чертежа, а точки — направление магнитного поля из плоскости чертежа. Таким образом, ток I создает магнитное поле, которое, суммируясь с магнитным полем индуктора, смещает магнитное поле индуктора вдоль оси канала в направлении предполагаемого движения потока измеряемой жидкости. На чертеже изображена диаграмма распределения магнитного поля вдоль оси канала при двух режимах, 5 — когда ток I=0, т.е. имитируется Re_m=0, и 6 — когда ток I соответствует некоторому значению Re_m>1.

Оценка влияния магнитного числа Рейнольдса на коэффициент преобразования расходомера производится следующим образом. Магнитное поле в рабочей зоне канала, сформированное токами I₀ и 7, преобразуется в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещенной в канал. Индукционная катушка размещается в канале моделируемого расходомера в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды. Причем одна из осей симметрии индукционной катушки совпадает с линией, соединяющей электроды расходомера. Производится интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования (K_pR) расходомера, соответствующего заданному магнитному числу Рейнольдса. Для этого ток I устанавливается равным значению, вычисленному по формуле (5).

Величина ε, характеризующая относительное изменение коэффициента преобразования расходомера, вызванное изменением магнитного числа Рейнольдса от нулевого до заданного значения, соответствующего току I, равна

Предлагаемый способ имитационного моделирования электромагнитного расходомера жидких металлов позволяет также измерить относительное смещение магнитного поля, вызванное изменением магнитного числа Рейнольдса. Например, необходимо измерить величину смещения магнитного поля при изменении магнитного числа Рейнольдса от значения Re_m1 до значения Re_m2, при условии Re_m1 1), и может использоваться для поверки расходомеров имитационным методом.

1. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Издательство «Машиностроение», Ленинград, 1982 г., 214 с.

2. Патент RU 2146042 C1, 7 G01F 25/00, Бюллетень №6, 2000.

3. Авторское свидетельство СССР, №627343, кл. G01F 25/00, Бюллетень №37, 1978.

Способ моделирования работы электромагнитных расходомеров жидких металлов при их поверке имитационным методом, причем электромагнитный расходомер имеет трубу из нержавеющей стали без изоляционного покрытия внутренней поверхности, два электрода, приваренных к наружной поверхности стенки трубы, и индуктор, питаемый током I₀, создающим низкочастотное магнитное поле в рабочей зоне канала трубы; включающий преобразование магнитного поля расходомера в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещенной в указанный канал в плоскости оси канала и линии, соединяющей указанные электроды, интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, и определение коэффициента преобразования расходомера К_р, отличающийся тем, что через электроды пропускают ток I, по частоте и фазе равный току индуктора I₀, а по величине определяемый выражением
где D — диаметр канала, Re_m — магнитное число Рейнольдса, R — электрическое сопротивление пустой трубы между электродами, µ₀ — магнитная проницаемость жидкого металла, σ — электропроводность жидкого металла.

Источник

Способ поверки электромагнитных расходомеров и имитатор расхода для его осуществления

Владельцы патента RU 2442966:

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике измерения расхода с помощью электромагнитных расходомеров, их поверки имитационным способом. Способ поверки электромагнитных расходомеров с помощью имитатора осуществляют следующим образом. Размещают в измерительном канале первичного преобразователя имитатор расхода, преобразуют полученный сигнал первичного преобразователя в электрическое напряжение и подают полученный сигнал к измерительному устройству электромагнитного расходомера. Имитатору расхода, заполненному измеряемой жидкостью и снабженному электродами, сообщают возвратно-поступательное движение, при этом полученный сигнал подают на вход измерительного устройства, преобразуют и отображают в виде измеренного объема жидкости. Сигналы, снимаемые с электродов имитатора, подают непосредственно на вход измерительного устройства. Технический результат — уменьшение износа электродов при контактировании электродов имитатора и первичного преобразователя и упрощение конструкции имитатора. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике измерения расхода с помощью электромагнитных расходомеров, их поверке имитационным способом.

Известен способ поверки электромагнитных расходомеров (патент RU №2322651, G01F 25/00, 2005 г.), включающий преобразование магнитного поля первичного преобразователя в электрическое напряжение с помощью индукционной катушки, помещаемой в канал расходомера, интегрирование электрического напряжения, полученного на выходных клеммах индукционной катушки, деление в определенном соотношении с помощью делителя и подведение полученного сигнала к измерительному устройству электромагнитного расходомера, свободное пространство в рабочем объеме канала электромагнитного расходомера, предназначенного для измерения расхода, заполняют измеряемой средой, размещенной в секциях контейнера, выполненного из немагнитного и неэлектропроводного материала.

В известном устройстве по патенту №2322651 свободное пространство в рабочем объеме канала электромагнитного расходомера, предназначенного для измерения расхода измеряемой среды, заполняют измеряемой средой, размещенной в секциях контейнера, выполненного из немагнитного и неэлектропроводного материала. Если индукционная катушка представляет собой плоскую печатную плату, помещаемую в канале в плоскости оси канала и линии, соединяющей электроды, то в контейнере предусматривается соответствующая узкая щель, в которую вставляется индукционная катушка. Если индукционная катушка выполнена в виде цилиндрической поверхности и устанавливается в канале по поверхности канала, то наружный диаметр контейнера выполнен меньше внутреннего диаметра индукционной катушки. При градуировке и поверке контейнер вставляется в канал расходомера вместе с индукционной катушкой.

Недостатками известного способа и устройства является невозможность производить раздельную поверку первичного преобразователя и измерительного устройства электромагнитного расходомера, а также в способе градуировки и поверки не участвует важный элемент конструкции первичного преобразователя — электроды. В устройство для градуировки и поверки также входят такие дополнительные устройства, как устройство для интегрирования и преобразования сигналов с катушки индуктивности, резистивные делители, что усложняет и удорожает процесс градуировки и поверки.

Наиболее близким к предлагаемому способу, является способ градуировки и поверки электромагнитных расходомеров (патент RU №2330246, G01F 25/00, 2008 г.), в котором при градуировке первичных преобразователей расхода переменным резистором Rп устанавливается унифицированное для всех первичных преобразователей одного типоразмера (диаметра условного прохода Ду) значение выходного сигнала, пропорционального величине магнитной индукции.

На измерительных устройствах (электронных блоках) программно устанавливаются одинаковые для всех измерительных преобразователей градуировочные коэффициенты, определенные экспериментально для каждого типоразмера первичного преобразователя расхода (соответствующего диаметра условного прохода Ду).

Способ поверки электромагнитных расходомеров заключается в комплектации расходомера первичным преобразователем расхода и электронным блоком, проведении поверки любым известным способом и определении погрешности в соответствующих точках расхода. При несоответствии по каким-либо причинам погрешности измерения проводится простая замена или первичного преобразователя, или измерительного устройства и проводится поверка (градуировка не проводится) погрешности измерения объема.

Этот способ позволяет производить раздельную поверку первичного преобразователя и измерительного устройства электромагнитного расходомера, но в этом способе градуировки и поверки не участвует важный элемент конструкции первичного преобразователя — электроды. В устройство для градуировки и поверки, как и в предыдущем устройстве, входят такие дополнительные устройства, как устройство для интегрирования и преобразования сигналов с катушки индуктивности, резистивные делители, что усложняет и удорожает процесс градуировки и поверки.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ поверки электромагнитных расходомеров и имитатор расхода для его осуществления (положительное решение по заявке на изобретение №2008125539/28 (031050), G01F 25/00), заключающийся в том, что размещают в измерительном канале первичного преобразователя имитатор расхода. Имитатору расхода, заполненному измеряемой жидкостью и снабженному электродами, сообщают возвратно-поступательное движение, при этом электроды имитатора контактируют с электродами первичного преобразователя расхода, с которых снимают сигнал, пропорциональный расходу, полученный сигнал подают на вход измерительного устройства, преобразуют и отображают в виде измеренного объема жидкости.

Имитатор расхода представляет собой цилиндрический полый контейнер, выполненный с тонкими стенками из немагнитного и неэлектропроводного материала, заполненный измеряемой жидкостью, причем по всей длине цилиндрической поверхности имитатора выполнены пазы в месте установки электродов первичного преобразователя расхода, имитатор имеет герметичные, диаметрально противоположно расположенные электроды, расположенные в пазах по всей длине контейнера, пазы имитатора заполнены пористым токопроводящим составом, предназначенным для обеспечения электрического контакта электродов имитатора с электродами первичного преобразователя расхода, наружный диаметр имитатора с необходимой точностью соответствует внутреннему диаметру измерительного канала первичного преобразователя.

Недостатком такого способа и устройства является то, что в процессе поверки информация об измеряемом (имитируемом) расходе передается через скользящие контакты (с электродов имитатора Э1, Э2 на электроды первичного преобразователя расхода), что ограничивает срок службы имитатора, нарушает за счет трения покрытие электродов, присутствует вероятность переменного контактирования.

Этот недостаток устраняется в предлагаемом изобретении.

Задачей изобретения является уменьшение износа электродов при контактировании электродов имитатора и первичного преобразователя расхода, исключения вероятности неконтактирования электродов при движении имитатора и упрощение конструкции имитатора.

Это достигается тем, что в способе поверки электромагнитных расходомеров, заключающемся в том, что переменным резистором Rп, входящим в состав первичного преобразователя расхода, устанавливают унифицированное, определенное экспериментально для каждого типоразмера первичных преобразователей расхода значение выходного сигнала, пропорциональное величине магнитной индукции, причем выходной сигнал является входным сигналом для измерительного устройства, вводят программным способом в измерительное устройство унифицированные для всех измерительных преобразователей градуировочные коэффициенты, определенные экспериментально, размещают в измерительном канале первичного преобразователя имитатор расхода, преобразуют полученный сигнал первичного преобразователя в электрическое напряжение и подают полученный сигнал к измерительному устройству электромагнитного расходомера, имитатору расхода, заполненному измеряемой жидкостью и снабженному электродами, сообщают возвратно-поступательное движение, при этом полученный сигнал подают на вход измерительного устройства, преобразуют и отображают в виде измеренного объема жидкости, сигналы, снимаемые с электродов имитатора, подают непосредственно на вход измерительного устройства.

Имитатор расхода, представляющий собой заполненный измеряемой жидкостью цилиндрический полый контейнер с тонкими стенками из немагнитного и неэлектропроводного материала, наружный диаметр имитатора с необходимой точностью соответствует внутреннему диаметру измерительного канала первичного преобразователя, имитатор имеет герметичные электроды, предназначенные для обеспечения электрического контакта с электродами первичного преобразователя расхода, герметичные электроды расположены диаметрально противоположно в торцовой части имитатора в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля, создаваемого обмотками возбуждения.

С помощью предлагаемого устройства моделируются реальные условия градуировки, поверки, эксплуатации расходомеров, реализуется реальный принцип работы электромагнитных расходомеров (закон электромагнитной индукции).

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображено устройство, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ градуировки и поверки электромагнитных расходомеров, где

1 — имитатор расхода,

2 — первичный преобразователь расхода,

ИУ — измерительное устройство,

R_n — переменный резистор,

Э1, Э2 — электроды,

е1, е2 — эдс, снимаемая с электродов,

I_возб — ток воздуждения,

V_cp — скорость движения имитатора,

OB1, OB2 — обмотки возбуждения,

U — выходной сигнал ИУ, пропорциональный расходу.

На фиг.2 изображен имитатор расхода. Имитатор представляет собой цилиндрический контейнер 1, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, заполненный измеряемой средой. Наружный диаметр имитатора 1 выполнен с определенной точностью и равен внутреннему диаметру канала первичного преобразователя расхода 2. На торце имитатора 1 установлены герметичные диаметрально противоположно расположенные электроды Э1 и Э2. Расстояние между электродами Э1, Э2 зависит от типоразмера первичного преобразователя (диаметра условного прохода D_y) и имеет конкретное значение.

Способ осуществляют следующим образом.

Имитатор 1 устанавливают в измерительный канал первичного преобразователя расхода 2 таким образом, чтобы электроды Э1, Э2 располагались в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля, создаваемого обмотками возбуждения OB1, OB2 при прохождении через них тока возбуждения.

Для имитации скорости протекания жидкости (имитации расхода) с помощью специального устройства (на чертеже не показано) имитатору 1 придается возвратно-поступательное движение в полости измерительного канала первичного преобразователя расхода 2.

Параллельно обмотке возбуждения устанавливается переменный резистор Rп (фиг.1), входящий в состав первичного преобразователя расхода и позволяющий изменять импульсный ток (и, как следствие, величину магнитной индукции), протекающий по обмоткам возбуждения, не меняя общего тока от источника тока.

При градуировке первичных преобразователей расхода переменным резистором Rп устанавливается унифицированное для всех первичных преобразователей одного типоразмера (диаметра условного прохода Ду) значение выходного сигнала, пропорционального величине магнитной индукции.

Величина магнитной индукции магнитного поля первичного преобразователя 2 является одинаковой для всех первичных преобразователей расхода одного типоразмера.

Первичный преобразователь расхода 2 запитывается двухполярным стабилизированным током от измерительного устройства электромагнитного расходомера.

При движении имитатора 1 внутри измерительного канала первичного преобразователя 2 на электродах Э1 и Э2 имитатора 1 наводится ЭДС;

где В — магнитная индукция;

D — расстояние между электродами;

V — скорость перемещения имитатора.

Изменяя скорость движения имитатора (имитируя измерение расхода жидкости в расходомерной установке), изменяем величину входного сигнала, пропорционального расходу, подаваемого на измерительное устройство.

Применением имитатора достигается реальная природа сигнала с электродов. Сигнал с электродов подается непосредственно на измерительное устройство без промежуточных устройств (интеграторов, делителей), первичные преобразователи и измерительные устройства взаимозаменяемы.

Предлагаемое изобретение позволяет исключить износ электродов при контактировании электродов имитатора и первичного преобразователя, исключить вероятность неконтактирования электродов при движении имитатора и упростить конструкцию имитатора.

1. Способ поверки электромагнитных расходомеров, заключающийся в том, что переменным резистором Rп, входящим в состав первичного преобразователя расхода, устанавливают унифицированное, определенное экспериментально для каждого типоразмера первичных преобразователей расхода значение выходного сигнала, пропорциональное величине магнитной индукции, причем выходной сигнал является входным сигналом для измерительного устройства, вводят программным способом в измерительное устройство унифицированные для всех измерительных преобразователей градуировочные коэффициенты, определенные экспериментально, размещают в измерительном канале первичного преобразователя имитатор расхода, преобразуют полученный сигнал первичного преобразователя в электрическое напряжение и подают полученный сигнал к измерительному устройству электромагнитного расходомера, имитатору расхода, заполненному измеряемой жидкостью и снабженному электродами, сообщают возвратно-поступательное движение, при этом полученный сигнал подают на вход измерительного устройства, преобразуют и отображают в виде измеренного объема жидкости, отличающийся тем, что сигналы, снимаемые с электродов имитатора, подают непосредственно на вход измерительного устройства.

2. Имитатор расхода, представляющий собой заполненный измеряемой жидкостью цилиндрический полый контейнер с тонкими стенками из немагнитного и неэлектропроводного материала, наружный диаметр имитатора с необходимой точностью соответствует внутреннему диаметру измерительного канала первичного преобразователя, имитатор имеет герметичные электроды, предназначенные для обеспечения электрического контакта с электродами первичного преобразователя расхода, отличающийся тем, что герметичные электроды расположены диаметрально противоположно в торцовой части имитатора в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля, создаваемого обмотками возбуждения.

Источник