Расходомерное устройство для жидкого металла
Полезная модель может быть использована для измерения расхода жидкометаллических теплоносителей в ядерной энергетике.
Устройство содержит участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде создающего вихри Кармана стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы. Магнитная система, размещенная снаружи трубы, создает внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания. Чувствительный элемент для регистрации частотного сигнала выполнен в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере один из которых является основным сигнальным электродом и установлен в магнитном поле на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания. Дополнительный чувствительный элемент для измерения разности потенциалов, пропорциональной значению расхода, установлен в магнитном поле магнитной системы устройства и выполнен в виде электродов, приваренных на поверхности трубы в концевых точках диаметра, скрещивающегося под прямым углом с продольной осью тела обтекания. 3 илл.
Полезная модель относится к измерительной технике, преимущественно к средствам контроля потоков жидких металлов, и может быть использована, например, для измерения расхода жидкометаллических теплоносителей в ядерных электрических установках.
Известно расходомерное устройство для жидкого металла - вихревой электромагнитный преобразователь расхода (Патент РФ N 2310816 С2, G01F 11/32, G01F 11/58 (2006.01)), содержащий участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему, создающую внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент, для регистрации частотного сигнала, в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере один из которых является основным сигнальным электродом и установлен в магнитном поле на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания, либо вблизи от указанной образующей в пределах полосы допуска.
При взаимном расположении тела обтекания и магнитной системы, используемом в преобразователе, геометрическим местоположением точек на стенке трубы, в которых амплитуда периодических колебаний электрического потенциала, индуцированных вихревой дорожкой Кармана, максимальна, является образующая трубы, имеющая пересечение с продольной осью тела обтекания. Поэтому основные сигнальные электроды в преобразователе следует устанавливать на такой образующей, либо вблизи от нее в пределах полосы допуска, обеспечивающей приемлемую чувствительность.
При удалении электрода от указанной образующей трубы снижается амплитуда пульсаций снимаемого электродом потенциала и, соответственно, чувствительность преобразователя. Кроме сигнальных электродов чувствительный элемент может содержать также расположенный вне зоны действия магнитного поля, приваренный к трубопроводу электрод, выполняющий роль заземления или "общей точки".
Основным достоинством вихревого расходомера является неизменность градуировочной характеристики во времени, обусловленная постоянством гидродинамики процесса кармановского вихреобразования на теле обтекания, и независимость градуировочной характеристики "частота-расход" от возможных неконтролируемых изменений магнитной индукции в преобразователе.
Недостатком устройства является относительная сложность измерения частоты периодического выходного сигнала, а так же инерционность операции измерения частоты, поскольку требуется определенная длительность наблюдения и обработки частотного сигнала. Имеется также ограничение по нижнему пределу измерений: - вихревые расходомеры используются при числах Рейнольдса Re>10000; при меньших значениях числа Re нарушается линейность градуировочной характеристики, а в области Re~(3-4}103 преобразователь теряет работоспособность.
Целью данного технического решения является расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в расходомерном устройстве для жидкого металла, включающем в себя вихревой преобразователь расхода, содержащий участок трубы с немагнигной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему, создающую внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент для регистрации частотного сигнала в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере, один из которых является основным сигнальным электродом и установлен в магнитном поле на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания, либо вблизи от указанной образующей в пределах полосы допуска, в области приложения магнитного поля преобразователя установлен второй чувствительный элемент для измерения разности потенциалов, пропорциональной значению расхода, выполненный в виде электродов, приваренных на поверхности трубы, например, в концевых точках диаметра, скрещивающегося под прямым углом с продольной осью тела обтекания.
Таким образом, кроме функции вихревого преобразователя расхода заявляемое устройство одновременно обеспечивает также выполнение функции электромагнитного преобразователя расхода, а именно, генерацию разности потенциалов, пропорциональной значению расхода (Н.И.Логинов. Электромагнитные преобразователи расхода жидких металлов. М., Энергоиздат, 1981). При этом чувствительные элементы того и другого преобразователей устройства установлены в магнитном поле общей магнитной системы.
На фиг.1, 2 изображена принципиальная схема устройства, на фиг.3 приведены результаты измерений заявляемым устройством, проведенных в натриевой петле ядерной энергетической установки.
Расходомерное устройство для жидкого металла содержит участок трубы с немагнитной электропроводящей стенкой 1, тело обтекания 2 в виде вихреобразующего стержня, продольная ось 3 которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему с полюсами 4, создающую внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции 5, направленную параллельно продольной оси 3 тела обтекания.
Устройство содержит два чувствительных элемента в виде электродов, установленных на поверхности трубы. Чувствительным элементом вихревого преобразователя расхода являются электроды 6, 7 и 8, приваренные последовательно вдоль образующей трубы 9, имеющей пересечение с продольной осью 3 тела обтекания. Электроды 6, 7 установлены в магнитном поле, например, на расстоянии L=0,5D друг от друга (D - внутренний диаметр трубы) и являются основными сигнальными электродами; электрод 8 выполняет роль заземления или «общей точки». Вихревой преобразователь устройства работоспособен при следующих вариантах подключения электродов к измерительному прибору: один сигнальный электрод 6 (или 7) в паре с электродом 8; два сигнальных электрода 6 и 7 в паре друг с другом; два сигнальных электрода 6 и 7 в совокупности с электродом 8 с применением дифференциальной схемы регистрации пульсаций.
На фиг.2 показано размещение второго чувствительного элемента устройства, обеспечивающего функцию электромагнитного преобразователя расхода, являются электроды 10 и 11, приваренные на поверхности трубы в концевых точках диаметра 12, скрещивающегося под прямым углом с продольной осью 3 тела обтекания.
Перед установкой на рабочее место проводят стендовую проливку устройства на образцовой поверочной'! установке, в результате которой определяют градуировочную характеристику вихревого преобразователя в виде Q=a'f, где Q - расход жидкости, м3/ч., f - частота периодического выходного сигнала, Гц; а - коэффициент преобразования, определяемый при проливке. При этом выходной сигнал регистрируется по одной из указанных выше схем подключения электродов 6, 7 и 8, выбранной для использования в устройстве.
Еще раз отметим, что градуировочная характеристика вихревого преобразователя устройства, определенная в результате проливки, является неизменной во времени (при условии неизменности геометрических характеристик измерительного канала и тела обтекания) и не зависит от неконтролируемых изменений магнитной индукции в преобразователе.
Для экспериментальной проверки работоспособности был изготовлено расходомерное устройство (РУ) с диаметром условного прохода Dy 17 (трубка 20×1,5 мм из нержавеющей стали 12×18Н 1OТ). Магнитная система преобразователя включает в себя магнитопровод, магнитные вкладыши из сплава ЮНДК35Т5БА и полюсные наконечники размером 5 16×16 мм, охватывающие измерительный канал РУ. Магнитопровод и полюсы выполнены из стали Ст.3. Магнитное поле в контролируемой области направлено главным образом параллельно вихреобразующему стержню. Значение магнитной индукции в центре межполюсного зазора составляет В=0,045 т. Устройство содержит два чувствительных элемента - две пары электродов, приваренных на наружной поверхности измерительного канала:
- для измерения частоты f, Гц кармановского вихреобразования на теле обтекания - электроды 7 и 8 (фиг.1) вихревого расходомера (ВР) устройства;
- для измерения разности потенциалов U, мВ, пропорциональной значению расхода натрия в канале - электроды 10 и 11 (фиг.2) электромагнитного расходомера (ЭМР) устройства.
Первичная градуировка вихревого преобразователя РУ проведена на образцовой поверочной установке. В результате стендовой проливки установлено, что градуировочная характеристика ВР при числах Рейнольдса, Re>10000 имеет вид Q=a·f, где Q - расход натрия м3/ч, f - частота выходного сигнала, Гц; а=0,01608 - значение коэффициента преобразования, измеренное при проливке; погрешность коэффициента преобразования - не более 0,5%.
Затем устройство было смонтировано в натриевый контур пробоотборной петли реакторной установки БОР-60 и проведены его испытания. Электроды ВР и ЭМР устройства подключались к входам специально разработанного усилителя - преобразователя выходных сигналов. Усиленный и очищенный от наводок промышленной частоты (50±2) Гц сигнал ВР подавался на осциллограф ТЕКТРОНИКС 1002 В, посредством которого проводились визуальный анализ сигнала и измерение частоты регистрируемых колебаний. Одновременно, преобразованный и очищенный от сетевых наводок сигнал ЭМР устройства U, мВ измерялся мультиметром МУ-65.
Измеренным значениям Uj, мВ, i=1,2,
N ставились в соответствие значения расхода натрия Qi, м3/ч рассчитываемые по значениям частоты fi, Гц, i=1,2N и градуировочной характеристике Qj=0,01608fj вихревого расходомера РУ. Результаты измерений, проведенных в диапазоне расхода Q=(0,4-4,0) м3/ч при температуре натрия Т=250 ОС, приведены на фиг.3.
Данные измерений, обработанные методом наименьших квадратов, описываются прямой пропорциональной зависимостью Q=1,166U+0,039, градуировочная характеристика ЭМР заявляемого устройства; сренеквадратическое отклонение измеренных точек от аппроксимирующей прямой составляет 0,011 м3/ч; относительная погрешность измерения расхода с использованием ЭМР устройства составляет не более 1%.
Таким образом, результаты испытаний заявляемого РУ, проведенных в промышленных условиях, подтверждают высокую чувствительность и работоспособность ВР и ЭМР устройства. Продемонстрирована также функциональная возможность само поверки РУ, а именно проведения первичной градуировки (периодической поверки) ЭNIP устройства по месту эксплуатации с использованием ВР устройства в качестве опорного средства измерений.
Расходомерное устройство для жидкого металла, включающее вихревой преобразователь расхода, содержащий участок трубы с немагнигной электропроводящей стенкой, тело обтекания в виде вихреобразующего стержня, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, размещенную снаружи трубы магнитную систему, создающую внутри трубы за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и чувствительный элемент для регистрации частотного сигнала в виде приваренных на поверхности трубы электродов, по крайней мере, один из которых является основным сигнальным электродом и установлен в магнитном поле на образующей трубы, имеющей пересечение с продольной осью тела обтекания, либо вблизи от указанной образующей в пределах полосы допуска, дополнительно снабжено вторым чувствительным элементом для измерения разности потенциалов, пропорциональной значению расхода, выполненным в виде электродов, приваренных на поверхности трубы, например, в концевых точках диаметра, скрещивающего под прямым углом с продольной осью тела обтекания.
