Вихревой преобразователь расхода жидкости
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения расхода жидкости с ионной проводимостью. Полезная модель решает задачу сохранения метрологических характеристик устройства в широком динамическом диапазоне измерения расходов при наличии в жидкости ферромагнитных включений. Техническим результатом данного решения является уменьшение возможности осаждения ферромагнитных включений под электродом. Поставленная задача достигается тем, что в вихревом преобразователе расхода жидкости, включающем в себя измерительный участок трубопровода, выполненный из немагнитного материала, установленные в нем тело обтекания и чувствительный элемент в виде электроизолированного от трубопровода стержневого электрода с электроконтактной частью, а также средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода, выполненное в виде двух плоских постоянных магнитов, расположенных по обе стороны внешней поверхности измерительной части трубопровода с последовательной ориентацией полярности намагниченности, постоянные магниты выполнены в виде круговых колец и расположены соосно оси электроконтактной части стержневого электрода. В данном преобразователе, по крайней мере, один нижний постоянный кольцевой магнит снабжен круговым кольцевым полюсным наконечником, размещенным на торце кольцевого постоянного магнита соосно его оси и обращенным к поверхности трубопровода. Предлагаются геометрические параметры как самих магнитов, так и полюсных наконечников. 1 н.п. ф-лы.; 4 з.п. ф-лы; 5 илл.
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения расхода жидкости с ионной проводимостью, и может найти применение в химической и пищевой промышленности, в коммунальной и промышленной энергетике и др.
Известны вихревые преобразователи расхода или измерители скорости потока, в которых используется постоянное магнитное поле для преобразования периодического вихревого потока, созданного телом обтекания в движущейся электропроводящей жидкости, в электрический сигнал.
В частности известно изобретение «Датчик вихревого расходомера-счетчика жидкости» по патенту РФ №2248528, МПК G01F 1/32, приоритет 28.05.2003 г. Датчик включает измерительный участок металлического трубопровода и средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода. Во внутреннем пространстве измерительного участка трубопровода установлено тело обтекания и чувствительный элемент в виде двух электроизолированных электродов. Средство для создания магнитного поля в измерительном участке внутритрубного пространства выполнено в виде плоского постоянного магнита, который установлен так, что направление его полярности совпадет с геометрической осью стержневого электрода, жестко и герметично укрепленного в теле трубопровода, а длина электроконтактной части стержневого электрода не превышает диаметр трубопровода на этом участке.
Данный датчик имеет недостаток, заключающийся в том, что при появлении в измеряемом потоке жидкости ферромагнитных включений, например металлической стружки, окалины, продуктов коррозии, и других взвешенных частиц, со временем, в зависимости от степени загрязнения жидкости, под электродом на внутренней поверхности трубопровода в зоне
максимальных значений магнитной индукции наблюдается их осаждение. Это в свою очередь приводит к ослаблению чувствительности датчика вплоть до полной потери его работоспособности. Потеря работоспособности датчика связана с появлением утечек электрических зарядов с электрода на корпус прибора через ферромагнитные включения, осажденные магнитным полем на внутренней поверхности измерительного канала, и искажением информационного сигнала из-за колебаний массы осажденных ферромагнитных включений.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и общности конструкции, а также достигаемой цели из известных вихревых преобразователей расхода жидкости, является «Устройство для измерения расхода электропроводной жидкости» по патенту РФ №2143664, МПК G01F 1/32, приоритет 17.06.1999 г.
В данном устройстве сделана попытка сместить зону максимальных значений магнитной индукции на внутренней поверхности трубопровода из под электрода с целью уменьшения возможности утечек электрических зарядов с электрода на корпус прибора через осажденные ферромагнитные включения. Однако данное устройство не устраняет полностью проблемы, связанные с осаждением ферромагнитных включений на внутренней поверхности трубопровода под электродом в присутствии сильного магнитного поля данной магнитной системы. Наличие квазиконического электропроводного образования в окрестности электрода приводит к искажению магнитогидродинамики вихревого потока, вызванному колебаниями квазиконического образования осажденных ферромагнитных включений под воздействием вихревого потока за телом обтекания. Вследствие этого уменьшается амплитуда полезного электрического сигнала, снимаемого с электрода, форма сигнала искажается вплоть до полного исчезновения, что приводит к резкому ухудшению метрологических параметров устройства в целом и тем самым к сокращению времени эксплуатации устройства.
Полезная модель решает задачу создания устройства для измерения расхода жидкости, работоспособного при наличии в жидкости ферромагнитных включений и сохраняющего метрологические характеристики в широком динамическом диапазоне измерения расходов. Техническим результатом данного решения является уменьшение возможности осаждения ферромагнитных включений под электродом за счет уменьшения значений магнитной индукции на внутренней поверхности трубопровода под электродом, при сохранении необходимых значений магнитной индукции в зоне электроконтактной части электрода, т.е. сохранении уровня полезного сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что в вихревом преобразователе расхода жидкости, включающем в себя измерительный участок трубопровода, выполненный из немагнитного материала, установленные в нем тело обтекания и чувствительный элемент в виде электроизолированного от трубопровода стержневого электрода с электроконтактной частью, а также средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода, выполненное в виде двух плоских постоянных магнитов, расположенных по обе стороны внешней поверхности измерительной части трубопровода с последовательной ориентацией полярности намагниченности, постоянные магниты выполнены в виде круговых колец и расположены соосно оси электроконтактной части стержневого электрода. Причем геометрические оси тела обтекания и стержневого электрода параллельны и размещены в продольной осевой плоскости симметрии измерительного участка трубопровода перпендикулярно его продольной геометрической оси. В данном преобразователе расхода жидкости, по крайней мере, один нижний постоянный кольцевой магнит снабжен круговым кольцевым полюсным наконечником, размещенным на торце кольцевого постоянного магнита соосно его оси и обращенным к поверхности трубопровода.
С целью устранения влияния краевых гидродинамических искажений потока у стенки трубопровода на форму и уровень полезного электрического сигнала на электроде, целесообразно электроконтактную часть стержневого электрода преобразователя расхода располагать симметрично относительно продольной оси трубопровода.
Предпочтительно внутренний диаметр кольцевых постоянных магнитов, выбирать из диапазона: Dвм=(2÷10)dэл , а наружный диаметр кольцевых постоянных магнитов определять из соотношения Dнм/Dвм =1,5÷5,0,
где:
Dвм - внутренний диаметр кольцевых магнитов;
Dнм - наружный диаметр кольцевых магнитов;
dэл - диаметр электроконтактной части стержневого электрода.
В частном случае, второй верхний кольцевой постоянный магнит также снабжают круговым кольцевым полюсным наконечником, размещенным на торце кольцевого постоянного магнита соосно его оси, при этом он обращен к поверхности трубопровода.
Более оптимальным являются кольцевые полюсные наконечники, которые в поперечном сечении имеют вид прямоугольника или трапеции. В случае трапециидального профиля поперечного сечения кольцевого полюсного наконечника, он большим основанием опирается на торец соответствующего кольцевого магнита, а меньшим основанием ориентирован на внешнюю поверхность трубопровода. При этом максимальный наружный диаметр кругового кольцевого полюсного наконечника равен или меньше наружного диаметра кольцевого постоянного магнита, а максимальный внутренний диаметр кольцевого полюсного наконечника равен или больше внутреннего диаметра кольцевого постоянного магнита, отношение внутреннего диаметра открытого торца кругового кольцевого полюсного наконечника к его наружному диаметру должно соответствовать условию: 0,80
Dвпн/Dнпн0,995, с обеспечением соотношения: 0,01Sпн/Sм0,65,
где:
Dвпн и D нпн - соответственно внутренней и наружный диаметры открытого торца кругового полюсного наконечника обращенного к трубопроводу;
Sм - площадь торцевой поверхности кольцевого постоянного магнита;
Sпн - площадь открытой торцевой поверхности кольцевого полюсного наконечника, обращенного к трубопроводу;
Высоту полюсного наконечника выбирают из диапазона: 0<hпн1.5hм, где:
h пн - высота полюсного наконечника;
h м - высота кольцевых магнитов.
Увеличение значения Dвм/dэл выше верхнего предела приводит к снижению магнитной индукции в области электроконтактной части электрода, уменьшая отношение уровня полезного сигнала к уровню шума.
Уменьшение значения Dвм /dэл относительно нижнего предела приводит к повышению магнитной индукции в области электроконтактной поверхности электрода с одновременным увеличением вероятности осаждения ферромагнитных включений на внутренней поверхности трубопровода под электродом.
Увеличение значения Dнм/D вм выше верхнего предела приводит к нерациональному увеличению габаритов магнитной системы устройства и, соответственно, и к росту затрат на его изготовление.
Уменьшение значения D нм/Dвм относительно нижнего предела приводит к ослаблению магнитной индукции на электроконтактной поверхности электрода, т.е. к потере чувствительности прибора.
Высота hм кольцевых магнитов определяется необходимым уровнем магнитной индукции в области электроконтактной части электрода. С увеличение высоты полюсного наконечника h пн выше верхнего предела падает значение магнитной индукции в электроконтактной части электрода ниже допустимого уровня.
Соотношение внутреннего диаметра открытого торца кругового кольцевого полюсного наконечника к его наружному диаметру, равно как и соотношение площадей торцевых поверхностей кольцевого постоянного магнита и торцевой поверхности кольцевого полюсного наконечника, обращенного к трубопроводу, выбираются из указанных выше диапазонов, исходя из формирования такого характера распределения магнитного поля на внутренней поверхности трубопровода, который обеспечивает условия отсутствия осаждения продуктов коррозии на внутренней поверхности трубопровода под электродом при минимальном расходе жидкости, и вместе с тем обеспечивает необходимый уровень полезного сигнала на электроконтактной поверхности электрода.
В частных случаях, конкретные значения геометрических параметров как магнитов, так и полюсных наконечников из указанных диапазонов выбирают с учетом как типоразмера стандартной номенклатуры серийно производимых дисковых магнитов, так и типоразмера вихревого преобразователя расхода жидкости.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами. На Фиг.1 представлен вариант вихревого преобразователя расхода жидкости в продольном осевом сечении; Фиг.2 - сечение А-А Фиг.1; на Фиг.3 - возможные варианты магнитной системы; на Фиг.4 - экспериментально определенное распределение магнитной индукции на внутренней поверхности трубопровода по линии АВС пересечения ее с диаметральной плоскостью, содержащей ось симметрии магнитной системы для прототипа (патент РФ №2143664), а на Фиг.5 тоже самое, что и на Фиг.4 для предлагаемого устройства с идентичными верхним и нижним кольцевыми постоянными магнитами, снабженными идентичными полюсными наконечниками (симметричная магнитная система).
Конструкция вихревого преобразователя расхода жидкости содержит измерительный участок трубопровода 1, выполненный из немагнитного материала. Внутри измерительного участка трубопровода 1 установлено тело
обтекания 2 (турбулизатор) и чувствительный элемент в виде электроизолированного от трубопровода стержневого электрода 3 с электроконтактной частью 4. Электроконтактная часть 4 стержневого электрода расположена симметрично относительно продольной геометрической оси 5 трубопровода 1. Тело обтекания 2 и стержневой электрод 3 укреплены в трубопроводе 1 жестко. При этом геометрическая ось 6 тела обтекания 2 параллельна геометрической оси 7 стержневого электрода 3. Данные оси размещены в продольной осевой плоскости симметрии измерительного участка трубопровода 1 перпендикулярно его продольной геометрической оси 5. Стержневой электрод 3 электроизолирован от измерительного участка трубопровода, например, втулкой 8.
Конструкция содержит также средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве измерительного участка трубопровода 1. В представленном варианте средство для создания постоянного магнитного поля выполнено в виде двух плоских постоянных магнитов 9 и 10, расположенных по обе стороны внешней поверхности измерительного участка трубопровода 1 с последовательной ориентацией полярности намагниченности. Постоянные магниты 9 и 10 выполнены в виде круговых колец, расположенных соосно геометрической оси 7 электроконтактной части 4 стержневого электрода 3, с совпадением направления полярности постоянных магнитов 9 и 10. В представленном варианте только нижний постоянный кольцевой магнит 9 снабжен круговым кольцевым полюсным наконечником 11, размещенным на торце кольцевого постоянного магнита 9 соосно его оси и обращенным к поверхности измерительного участка трубопровода 1. В поперечном сечении кольцевой полюсный наконечник 11 имеет вид прямоугольника.
Преобразователь расхода жидкости работает следующим образом. Поток жидкости с ионной проводимостью при прохождении через измерительный участок трубопровода 1 движется вдоль его продольной геометрической оси 5 и взаимодействует с телом обтекания 2, жестко
укрепленным во внутритрубном пространстве. За телом обтекания возникает вихревая дорожка Кармана, представляющая последовательность вихрей, попеременно срывающихся с обеих поверхностей тела обтекания 2 и вызывающих изменение электродвижущей силы (э.д.с.), обусловленной взаимодействием движущейся проводящей жидкости с магнитным полем.
В целом предлагаемая магнитная система с помощью кольцевых полюсных наконечников обеспечивает такое распределение магнитного поля на внутренней поверхности трубопровода 1 под электродом 3, при котором его максимум локализован на узкой овально-кольцевой площадке внутренней поверхности трубопровода, с расстоянием от оси электрода D нм/2 и шириной кольца приблизительно равной (0,0025÷0,1)D нпн, вследствие чего магнитные силы, воздействующие на ферромагнитные включения, в отличие от прототипа, недостаточны для противодействия напору движущейся жидкости, и ферромагнитные включения не могут удержаться на внутренней поверхности трубопровода даже при минимальном расходе, а возможное задержание на некоторое время ферромагнитных включений на поверхности измерительного участка трубопровода 1 не оказывает, в силу удаленности их от электроконтактной части электрода 4, заметного влияния на характер электрического сигнала.
Конструкция вихревого преобразователя расхода жидкости с измененной магнитной системой уменьшила магнитную индукцию под электроконтактной частью 4 электрода (Фиг.5) в 17 раз относительно магнитной системы прототипа (Фиг.4). Сила притяжения ферромагнитных частиц в этой области уменьшилась более чем в 300 раз, а средняя сила притяжения по внутренней поверхности трубопровода 1 под электродом 4 снизилась почти в 10 раз.
Экспериментально установлено, что в предлагаемой конструкции преобразователя расхода, на внутренней поверхности трубопровода под электродом отсутствуют следы отложения ферромагнитных частиц даже при измерении минимальных расходов жидкости. При этом динамический
диапазон измерения расхода и метрологические характеристики преобразователей не изменились.
Применение предлагаемой конструкции прибора обеспечивает надежную его работу во всем заявленном диапазоне расходов без потери метрологических характеристик, увеличивая тем самым временной ресурс работы вихревого расходомера-счетчика жидкости.
1. Вихревой преобразователь расхода жидкости, включающий в себя измерительный участок трубопровода, выполненный из немагнитного материала, установленные в нем тело обтекания и чувствительный элемент в виде, по крайней мере, одного электроизолированного стержневого электрода с электроконтактной частью, а также средство для создания постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве этого трубопровода, выполненное в виде двух плоских постоянных магнитов, расположенных по обе стороны внешней поверхности трубопровода, с последовательной ориентацией полярности намагниченности, причем геометрические оси тела обтекания и стержневого электрода параллельны и размещены в продольной осевой плоскости симметрии измерительного участка трубопровода перпендикулярно его продольной геометрической оси, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в виде круговых колец и расположены соосно оси электроконтактной части стержневого электрода с совпадением направления полярности постоянных магнитов, причем, по крайней мере, один нижний постоянный кольцевой магнит снабжен круговым кольцевым полюсным наконечником, размещенным на торце кольцевого постоянного магнита соосно его оси и обращенным к поверхности трубопровода.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электроконтактная часть стержневого электрода расположена симметрично относительно продольной оси трубопровода.
3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр кольцевых постоянных магнитов определяется как D вм=(2÷10)dэл, а наружный диаметр кольцевых постоянных магнитов определяется из соотношения D нм/Dвм=1,5÷5, где D вм - внутренний диаметр кольцевых магнитов; D нм - наружный диаметр кольцевых магнитов; d эл - диаметр электроконтактной части стержневого электрода.
4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что второй верхний кольцевой постоянный магнит снабжен круговым кольцевым полюсным наконечником, размещенным на торце кольцевого постоянного магнита соосно его оси и обращенным к поверхности трубопровода.
5. Преобразователь по п.1 или 4, отличающийся тем, что в поперечном сечении каждый кольцевой полюсный наконечник имеет вид прямоугольника или трапеции, причем в случае трапецеидального профиля поперечного сечения полюсного наконечника он большим основанием опирается на торец соответствующего кольцевого магнита, а меньшим основанием ориентирован на внешнюю поверхность трубопровода, в любом случае максимальный наружный диаметр кругового кольцевого полюсного наконечника равен или меньше наружного диаметра кольцевого постоянного магнита, максимальный внутренний диаметр кольцевого полюсного наконечника равен или больше внутреннего диаметра кольцевого постоянного магнита, при этом соотношение внутреннего диаметра открытого торца кругового кольцевого полюсного наконечника к его наружному диаметру выбирается из соотношения 0,80Dвпн/Dнпн0,995 с обеспечением соотношения 0,01Sпн/Sм0,65, а высота полюсного наконечника соответствует условию 0<hпн1,5hм, где Dвпн и Dнпн - соответственно внутренний и наружный диаметры торца кругового полюсного наконечника, обращенного к трубопроводу; Sм - площадь торцевой поверхности кольцевого постоянного магнита; Sпн - площадь торцевой поверхности кольцевого полюсного наконечника, обращенного к трубопроводу; hпн - высота полюсного наконечника; hм - высота кольцевых магнитов.
