RU2791036C1 - Correlation method for determining the flow rate of liquid metal and electrodeless electromagnetic flowmeter of liquid metal "pif" (perm induction flowmeter) for its implementation - Google Patents
Correlation method for determining the flow rate of liquid metal and electrodeless electromagnetic flowmeter of liquid metal "pif" (perm induction flowmeter) for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791036C1 RU2791036C1 RU2022117252A RU2022117252A RU2791036C1 RU 2791036 C1 RU2791036 C1 RU 2791036C1 RU 2022117252 A RU2022117252 A RU 2022117252A RU 2022117252 A RU2022117252 A RU 2022117252A RU 2791036 C1 RU2791036 C1 RU 2791036C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inductors
- liquid metal
- measuring
- flow rate
- flow
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к приборостроению, в частности, к области измерения расхода электромагнитным методом, и может быть использовано для измерения расхода жидких металлов, в том числе, в ядерных энергетических установках.The invention relates to instrumentation, in particular, to the field of flow measurement by the electromagnetic method, and can be used to measure the flow of liquid metals, including in nuclear power plants.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому способу, выбранным за прототип, является корреляционный способ определения расхода жидкого металла (см. патент на изобретение СССР №1620848, опубл. 15.01.91), заключающийся в регистрации флуктуаций магнитного поля в двух измерительных сечениях, расположенных на известном расстоянии друг от друга, и измерении времени пролета флуктуациями этих измерительных сечений, по которому судят о расходе жидкого металла, при этом, проводят регистрацию флуктуаций магнитного поля термических токов при помощи индукционных катушек.The closest known analogue to the proposed method, selected as a prototype, is a correlation method for determining the flow rate of liquid metal (see USSR patent No. 1620848, publ. distance from each other, and measuring the time of flight of fluctuations of these measuring sections, which is used to judge the flow of liquid metal, while recording fluctuations of the magnetic field of thermal currents using induction coils.
В реальных устройствах с трубопроводами всегда имеются электромагнитные наводки от работающих электромагнитных насосов, которые значительно зашумляют полезный сигнал. Для надежной работы данного способа необходимо хорошее отношение сигнал/шум, что требует наличия в потоке контрольной жидкости флуктуаций температуры с амплитудой, достаточной для наведения значительных термических токов, и последующей регистрации их магнитного поля индукционными катушками. Это, в свою очередь, требует наличия на участке трубопровода до расходомерного устройства, использующего данный способ, сильных градиентов температуры (например, тройники, в которых смешиваются разнотемпературные потоки, участки охлаждения труб и т.п.), что далеко не всегда может быть выполнено.In real devices with pipelines, there are always electromagnetic pickups from operating electromagnetic pumps, which significantly noise the useful signal. For reliable operation of this method, a good signal-to-noise ratio is required, which requires the presence of temperature fluctuations in the control liquid flow with an amplitude sufficient to induce significant thermal currents, and subsequent registration of their magnetic field by induction coils. This, in turn, requires the presence of strong temperature gradients in the pipeline section up to the flow meter using this method (for example, tees in which flows of different temperatures are mixed, pipe cooling sections, etc.), which can not always be done .
Также использование данного способа подразумевает допущение о том, что температурные возмущения распространяются со скоростью потока. Данное допущение работает только в некотором диапазоне расхода (см. статью Application of the temperature correlation method to measuring the flow rate of liquid sodium в журнале Магнитная гидродинамика, том 54, номер 4, страницы 547-557 за авторством Колесниченко И.В., Мамыкина А.Д, Голбрайха Е. и Павлинова A.M., 2021 год). А для расширения этого диапазона необходима дополнительная калибровка расходомерного устройства, использующего данный способ, а также выбор правильного расположения регистрирующих катушек относительно источника температурных флуктуаций.Also, the use of this method implies the assumption that temperature disturbances propagate with the flow velocity. This assumption works only in a certain flow range (see the article Application of the temperature correlation method to measuring the flow rate of liquid sodium in the journal Magnetohydrodynamics, volume 54,
Таким образом, недостатками данного способа являются:Thus, the disadvantages of this method are:
1. Ограничение работоспособности и надежности способа требованием наличия в потоке контрольной жидкости флуктуаций температуры достаточной амплитуды, а, следовательно, и наличия источников этих температурных флуктуаций (тройников, в которых смешиваются разнотемпературные потоки, участков охлаждения труб и т.п.)1. Restriction of the operability and reliability of the method by the requirement for the presence of temperature fluctuations of sufficient amplitude in the control fluid flow, and, consequently, the presence of sources of these temperature fluctuations (tees in which different-temperature flows are mixed, pipe cooling sections, etc.)
2. Косвенность определения расхода жидкости из-за того, что расход определяется по переносу флуктуаций поля температуры, а не скорости2. Indirect determination of the liquid flow rate due to the fact that the flow rate is determined by the transfer of fluctuations of the temperature field, and not the velocity
3. Ограничение диапазонов расхода контрольной жидкости и диаметров трубопровода3. Limitation of control fluid flow ranges and pipeline diameters
Целями предлагаемого изобретения являются:The objectives of the invention are:
1. Отсутствие особых требований к потоку контрольной жидкости (например, неизотермичность).1. No special requirements for the flow of the control fluid (for example, non-isothermal).
2. Повышение достоверности способа за счет того, что проводятся прямые, а не косвенные измерения поля скорости.2. Increasing the reliability of the method due to the fact that direct rather than indirect measurements of the velocity field are carried out.
3. Расширение диапазонов расхода контрольной жидкости и диаметров трубопровода.3. Expansion of control fluid flow ranges and pipeline diameters.
Для достижения этих целей предлагается корреляционный способ определения расхода жидкого металла, заключающийся в регистрации флуктуаций магнитного поля в двух измерительных сечениях, расположенных на известном расстоянии друг от друга, и измерении времени пролета флуктуациями этих измерительных сечений, по которому судят о расходе жидкого металла, при этом, при помощи индукторов переменного вращающегося поля, включенных сонаправленно либо противоположно направленно в непрерывном либо импульсном режиме, генерируют возмущения поля скорости в плоскости, ортогональной направлению основного потока, и при помощи индукторов постоянного магнитного поля, дополненными измерительными катушками, регистрируют флуктуации магнитного поля, вызванные этими возмущениями.To achieve these goals, a correlation method is proposed for determining the flow rate of liquid metal, which consists in registering magnetic field fluctuations in two measuring sections located at a known distance from each other, and measuring the time of flight of fluctuations in these measuring sections, which is used to judge the flow rate of liquid metal, while , with the help of inductors of an alternating rotating field, connected co-directionally or oppositely in a continuous or pulsed mode, they generate perturbations of the velocity field in a plane orthogonal to the direction of the main flow, and with the help of inductors of a constant magnetic field, supplemented by measuring coils, fluctuations of the magnetic field caused by these indignation.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что при помощи индукторов переменного вращающегося поля, включенных сонаправленно либо противоположно направленно в непрерывном, либо импульсном режиме, генерируют возмущения поля скорости в плоскости, ортогональной направлению основного потока, и при помощи индукторов постоянного магнитного поля, дополненными измерительными катушками, регистрируют флуктуации магнитного поля, вызванные этими возмущениями.A distinctive feature of the proposed method is that with the help of variable rotating field inductors connected co-directionally or oppositely in continuous or pulsed mode, perturbations of the velocity field are generated in a plane orthogonal to the direction of the main flow, and with the help of constant magnetic field inductors, supplemented by measuring coils , register the fluctuations of the magnetic field caused by these perturbations.
Направление вращения магнитного поля в генерирующих индукторах выбираются совпадающими либо противоположными с целью расширения диапазона измеряемых расходов и повышения точности на малых расходах. Включенные разнонаправленно вращающиеся магнитные поля создают мелкомасштабные флуктуации скорости небольшой интенсивности, преимущественно в плоскости сечения трубы - при малых расходах они будут надежно зафиксированы регистрирующими индукторами, однако, при больших расходах такие мелкомасштабные слабые пульсации скорости будут быстро сглажены основным потоком. В случае больших расходов следует включить вращающиеся магнитные поля сонаправленно, тем самым расширив область воздействия, повысив степень закрутки потока и создав флуктуации скорости большой амплитуды, которые будут надежно зафиксированы регистрирующими индукторами.The direction of rotation of the magnetic field in generating inductors is chosen to be the same or opposite in order to expand the range of measured flow rates and improve accuracy at low flow rates. The switched on multidirectional rotating magnetic fields create small-scale velocity fluctuations of low intensity, mainly in the plane of the pipe section - at low flow rates they will be reliably fixed by registering inductors, however, at high flow rates such small-scale weak velocity fluctuations will be quickly smoothed out by the main flow. In the case of high flow rates, rotating magnetic fields should be turned on in a co-directional manner, thereby expanding the area of influence, increasing the degree of swirling of the flow, and creating large-amplitude velocity fluctuations that will be reliably recorded by recording inductors.
Известен электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение СССР №166514, опубл. 19.11.1964), содержащий прямоугольный трубопровод и две прямоугольные индукционные катушки.An electromagnetic flow meter is known (see USSR patent No. 166514, publ. 11/19/1964), containing a rectangular pipeline and two rectangular induction coils.
Расходомер работает следующим образом. Генератор импульсов питает генерирующую катушку, расположенную над каналом таким образом, что ось катушки лежит в плоскости сечения канала, импульсами определенной формы. Это вызывает появление наведенных токов в контролируемой электропроводной жидкости, которые увлекаются ей со скоростью, равной скорости контролируемого потока. За счет затухания и движения токов в измерительной катушке, расположенной ниже по потоку таким образом, что ее ось перпендикулярна плоскости сечения канала, наводится ЭДС. Момент перехода ЭДС от первого положительного значения к отрицательному является мерой расхода электропроводящей жидкости.The flow meter works as follows. The pulse generator feeds the generating coil located above the channel in such a way that the coil axis lies in the channel section plane with pulses of a certain shape. This causes the appearance of induced currents in the controlled electrically conductive liquid, which are carried away by it at a speed equal to the speed of the controlled flow. Due to the attenuation and movement of currents in the measuring coil, located downstream in such a way that its axis is perpendicular to the plane of the channel section, an EMF is induced. The moment of transition of the EMF from the first positive value to the negative value is a measure of the flow rate of the electrically conductive fluid.
Недостатками указанного расходомера являются малый диапазон измеряемого расхода при фиксированном расстоянии между катушками, а также прямоугольная форма канала - наибольшее распространение, например, в атомной промышленности получили трубы круглого сечения.The disadvantages of this flow meter are the small range of the measured flow rate at a fixed distance between the coils, as well as the rectangular shape of the channel - the most common, for example, in the nuclear industry are round pipes.
Известен вихревой электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ №2090844, опубл. 20.09.1997), содержащий трубопровод из немагнитного материала с телом обтекания в виде вихреобразующего стержня, ось которого перпендикулярна к оси трубопровода, размещенный на наружной поверхности трубопровода двухполюсный магнит и чувствительный элемент в виде индукционной катушки, подключенной к блоку обработки сигнала.Known vortex electromagnetic flow meter (see patent for the invention of the Russian Federation No. 2090844, publ. 20.09.1997), containing a pipeline made of non-magnetic material with a shedder body in the form of a vortex-forming rod, the axis of which is perpendicular to the axis of the pipeline, placed on the outer surface of the pipeline bipolar magnet and sensitive an element in the form of an induction coil connected to a signal processing unit.
Вихревой расходомер работает следующим образом. Генерируемые телом обтекания вихри, сходящие поочередно с одной и другой стороны стержня, образуют двойную вихревую дорожку Кармана с вектором завихренности, параллельным продольной оси тела обтекания. При прохождении вихря в области приложения магнитного поля, направленного преимущественно вдоль оси трубопровода, в области вихря возникает замкнутый электрический ток и, соответственно, вторичное магнитное поле, вектор индукции которого направлен по оси индукционной катушки. В результате в катушке индуцируется импульсный ток, частота которого пропорциональна частоте следования вихрей и, соответственно, расходу жидкости. Сигнал с индукционной катушки поступает в блок обработки, где по измеряемому значению частоты определяют скорость потока и расход, а по суммарному количеству периодов частоты за фиксированный промежуток времени определяют количество протекшей жидкости.Vortex flowmeter works as follows. The vortices generated by the bluff body, descending alternately from one and the other side of the rod, form a double Karman vortex street with a vorticity vector parallel to the longitudinal axis of the bluff body. When a vortex passes in the area of application of a magnetic field directed mainly along the axis of the pipeline, a closed electric current and, accordingly, a secondary magnetic field arises in the vortex area, the induction vector of which is directed along the axis of the induction coil. As a result, a pulsed current is induced in the coil, the frequency of which is proportional to the repetition rate of the vortices and, accordingly, to the flow rate of the liquid. The signal from the induction coil enters the processing unit, where the flow rate and flow rate are determined from the measured frequency value, and the amount of fluid that has leaked is determined from the total number of frequency periods for a fixed period of time.
Недостатком данного расходомера является необходимость во внедрении внутрь трубопровода тела обтекания, что является нежелательным, а в случае измерения расхода жидкометаллического теплоносителя в ядерных энергетических установках и недопустимым.The disadvantage of this flow meter is the need to introduce a bluff body into the pipeline, which is undesirable, and in the case of measuring the flow rate of a liquid metal coolant in nuclear power plants, it is unacceptable.
Известен времяпролетный электромагнитный расходомер электропроводных жидкостей (см. патент на изобретение СССР №1340296, опубл. 07.02.90), содержащий в двух измерительных участках источники приложенного к трубопроводу магнитного поля с парой электродов в каждом участке и устройство измерения временного сдвига между сигналами.A time-of-flight electromagnetic flow meter for electrically conductive liquids is known (see USSR patent No. 1340296, publ. 02/07/90), containing in two measuring sections sources of a magnetic field applied to a pipeline with a pair of electrodes in each section and a device for measuring the time shift between signals.
Расходомер работает следующим образом. При прохождении через магнитное поле датчиков вихревых неоднородностей продольного типа, ось вращения которых сонаправлена с продольной осью трубопровода, под полюсами магнитов индуцируются электродвижущие силы, направленные вдоль оси трубопровода. Падение напряжения на участке между электродами является полезным сигналом. Время запаздывания между сигналами первого и второго датчиков определяется с помощью устройства измерения временного сдвига между сигналами. Устройство может работать также и в меточном режиме, когда с помощью специального завихрителя создаются короткие дискретные метки потока. С одной стороны описанное устройство достаточно универсально, с другой, требует наличие электродов, несмотря на свою индукционную природу. В случае неизотермического потока в этих электродах будут генерироваться термические токи, создавая помехи и влияя на точность и чувствительность прибора. Со временем электрический контакт будет ухудшаться вследствие накопления окислов на внутренней поверхности трубы, что также будет уменьшать точность и чувствительность прибора, а, значит, будет требоваться периодическая калибровка. Также наличие электродов подразумевает неразъемность устройства и трубы, что делает невозможным монтаж расходомера на трубу в составе промышленного контура. Кроме того, устройство в данной конфигурации не сможет работать на трубах с большим диаметром из-за сложности масштабирования его магнитной системы.The flow meter works as follows. When passing through the magnetic field of sensors of vortex inhomogeneities of the longitudinal type, the axis of rotation of which is co-directed with the longitudinal axis of the pipeline, electromotive forces directed along the axis of the pipeline are induced under the poles of the magnets. The voltage drop in the area between the electrodes is a useful signal. The delay time between the signals of the first and second sensors is determined using a device for measuring the time shift between the signals. The device can also operate in the marking mode, when short discrete flow marks are created using a special swirler. On the one hand, the described device is quite universal, on the other hand, it requires the presence of electrodes, despite its inductive nature. In case of non-isothermal flow, thermal currents will be generated in these electrodes, creating noise and affecting the accuracy and sensitivity of the instrument. Over time, the electrical contact will deteriorate due to the accumulation of oxides on the inner surface of the pipe, which will also reduce the accuracy and sensitivity of the device, which means that periodic calibration will be required. Also, the presence of electrodes implies the inseparability of the device and the pipe, which makes it impossible to mount the flowmeter on a pipe as part of an industrial circuit. In addition, the device in this configuration will not be able to work on pipes with a large diameter due to the difficulty of scaling its magnetic system.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому устройству, выбранным за прототип, является безэлектродный электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ 2520165, опубл. 20.04.2014), состоящий из трубы, трех индукционных катушек и магнитопровода, у которого индукционные катушки выполнены в виде плоских многослойных печатных плат, магнитопровод представляет собой плоскую пластину, причем катушки и магнитопровод расположены на внешней поверхности трубы, образуя три параллельных слоя, из которых первый слой, расположенный непосредственно на трубе, занимают две катушки, торцами плат соприкасающиеся друг с другом по линии центрального периметра трубы, а второй и третий слои образуют, соответственно, третья катушка и магнитопровод, расположенные симметрично относительно центрального периметра трубы.The closest known analogue to the proposed device, selected as a prototype, is an electrodeless electromagnetic flowmeter (see patent for the invention of the Russian Federation 2520165, publ. 04/20/2014), consisting of a pipe, three induction coils and a magnetic circuit, in which the induction coils are made in the form of flat multilayer printed circuit boards, the magnetic circuit is a flat plate, and the coils and the magnetic circuit are located on the outer surface of the pipe, forming three parallel layers, of which the first layer, located directly on the pipe, is occupied by two coils, the ends of the boards are in contact with each other along the line of the central perimeter of the pipe , and the second and third layers form, respectively, the third coil and the magnetic circuit located symmetrically with respect to the central perimeter of the pipe.
Расходомер работает следующим образом. При движении жидкого металла происходит его взаимодействие с магнитным полем. В жидком металле возникает электрическое поле, пропорциональное скорости металла и напряженности магнитного поля, причем электрическое поле ортогонально как направлению движения жидкого металла, так и силовым линиям магнитного поля. Благодаря электрическому полю возникают контуры циркуляционных токов в плоскостях в жидком металле, параллельных плоскостям витков индукционных катушек. Циркуляционные токи образуют вторичное магнитное поле в канале, напряженность которого пропорциональна измеряемой скорости потока жидкого металла. Недостатками вышеуказанного устройства являются:The flow meter works as follows. When a liquid metal moves, it interacts with a magnetic field. An electric field arises in the liquid metal, which is proportional to the speed of the metal and the strength of the magnetic field, and the electric field is orthogonal both to the direction of movement of the liquid metal and to the magnetic field lines. Due to the electric field, circuits of circulating currents arise in planes in the liquid metal parallel to the planes of the turns of the induction coils. Circulating currents form a secondary magnetic field in the channel, the strength of which is proportional to the measured flow rate of the liquid metal. The disadvantages of the above device are:
1. Неразъемность устройства и трубы, что делает невозможным монтаж расходомера на трубу в составе промышленного контура.1. Integrity of the device and the pipe, which makes it impossible to mount the flowmeter on a pipe as part of an industrial circuit.
2. Ограниченный диапазон температуры измеряемой среды. В силу того, что устройство располагается непосредственно на поверхности трубы между ним, трубой и измеряемой средой неизбежен тепловой контакт. Печатные платы в зависимости от выбранного материала и способа пайки имеют ограничения по температуре эксплуатации от 120 до 170 градусов Цельсия. При измерении расхода жидких металлов возникает необходимость работы на температурах жидкой среды до 450 градусов Цельсия, что исключает возможность применения расходомерного устройства данного (накладного) типа.2. Limited temperature range of the measured medium. Due to the fact that the device is located directly on the surface of the pipe between it, the pipe and the measured medium, thermal contact is inevitable. Printed circuit boards, depending on the selected material and soldering method, have operating temperature limits from 120 to 170 degrees Celsius. When measuring the flow of liquid metals, it becomes necessary to work at temperatures of the liquid medium up to 450 degrees Celsius, which excludes the possibility of using a flow meter of this (attached) type.
3. Ограниченный диапазон диаметров труб. Устройство в силу специфики своей конструкции измеряет скорость течения среды в пристеночной области, в которую достаточно проникает магнитное поле генерирующей катушки. Поэтому, во-первых, устройство требует калибровки из-за необходимости учитывать форму профиля течения, а, во-вторых, не может использоваться для измерения расхода в трубах больших диаметров с требуемой точностью по тем же причинам.3. Limited range of pipe diameters. The device, due to the specifics of its design, measures the flow velocity of the medium in the near-wall region, into which the magnetic field of the generating coil penetrates sufficiently. Therefore, firstly, the device requires calibration due to the need to take into account the shape of the flow profile, and, secondly, it cannot be used to measure flow in pipes of large diameters with the required accuracy for the same reasons.
4. Необходимость в калибровке устройства.4. The need to calibrate the device.
Целями предлагаемого изобретения являютсяThe objectives of the present invention are
1. Возможность установки на трубопровод в составе промышленного контура (разъемность).1. Possibility of installation on a pipeline as part of an industrial circuit (separability).
2. Расширение диапазонов допустимой температуры измеряемой среды и допустимого диаметра трубы.2. Expansion of the ranges of the permissible temperature of the measured medium and the permissible diameter of the pipe.
3. Избавление от необходимости в калибровке.3. Getting rid of the need for calibration.
Для достижения этих целей предлагается безэлектродный электромагнитный расходомер, состоящий из индукционных катушек и магнитопровода, содержащий четыре индуктора, каждый из которых представляет из себя наборный шестисекционный магнитопровод, каждая секция которого имеет стержень прямоугольного сечения, направленный к геометрическому центру магнитопровода, с надетой на него индукционной катушкой, два индуктора из четырех дополнены измерительными катушками, надетыми на стержень и подключенными к устройству измерения, при этом все индукторы крепятся на раму, состоящую из шпилек и трехсекционных щечек.To achieve these goals, an electrodeless electromagnetic flowmeter is proposed, consisting of induction coils and a magnetic circuit, containing four inductors, each of which is a stacked six-section magnetic circuit, each section of which has a rectangular rod directed towards the geometric center of the magnetic circuit, with an induction coil put on it , two of the four inductors are supplemented with measuring coils put on the rod and connected to the measuring device, while all the inductors are mounted on a frame consisting of studs and three-section cheeks.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что оно содержит четыре индуктора, каждый из которых представляет из себя наборный шестисекционный магнитопровод, каждая секция которого имеет стержень прямоугольного сечения, направленный к геометрическому центру магнитопровода, с надетой на него индукционной катушкой, два индуктора из четырех дополнены измерительными катушками, надетыми на стержень и подключенными к устройству измерения, при этом все индукторы крепятся на раму, состоящую из шпилек и трехсекционных щечек.A distinctive feature of the proposed device is that it contains four inductors, each of which is a stacked six-section magnetic circuit, each section of which has a rectangular rod directed towards the geometric center of the magnetic circuit, with an induction coil put on it, two of the four inductors are supplemented with measuring coils put on a rod and connected to a measuring device, while all inductors are mounted on a frame consisting of studs and three-section cheeks.
Предлагаемые корреляционный способ определения расхода жидкого металла и безэлектродный электромагнитный расходомер жидкого металла для его осуществления поясняются фиг. 1, фиг. 2, где приведена схема конструкции электромагнитного расходомера жидкого металла в разрезе и фиг. 3, где показано фото устройства (без трубы).The proposed correlation method for determining the flow rate of liquid metal and an electrodeless electromagnetic liquid metal flow meter for its implementation are illustrated in Fig. 1, fig. 2, which shows a diagram of the construction of an electromagnetic flowmeter of liquid metal in the section and Fig. 3, which shows a photo of the device (without a pipe).
На схеме показана труба 1, на которую надевается расходомер, состоящий из четырех индукторов, каждый из которых состоит из магнитопровода 2 и индукционных катушек 3, надетых на стержни магнитопровода 2.The diagram shows
Магнитопровод 2 собирается из шести одинаковых секций и является наборным.The
Два индуктора из четырех составляют индукционный генератор завихренностей вращающегося поля (генерирующий модуль).Two of the four inductors make up the induction generator of vorticity of the rotating field (generating module).
Два остальных индуктора дополнены измерительными катушками 4 и образуют регистрирующий модуль. Этот модуль подключен к устройству измерения (на фиг. не показано).The other two inductors are supplemented with measuring
Регистрирующие модули разнесены на расстояние большее, чем расстояние между генерирующими модулями. Это расстояние подбирается, исходя из предусмотренного техническим заданием максимального расхода для расходомерного устройства. Это необходимо для обеспечения достаточной величины времени прохождения возмущений от одного регистрирующего модуля к другому.The recording modules are separated by a distance greater than the distance between the generating modules. This distance is selected based on the maximum flow rate for the flow meter provided for by the technical specifications. This is necessary to ensure a sufficient time for the passage of perturbations from one recording module to another.
Генерирующий и регистрирующий модули жестко крепятся на раму, состоящую из шпилек 6 и щечек 5. Щечки 5 также составляются из трех секторов. С помощью щечек 5 может производиться центровка относительно трубопровода, однако жесткого соединения с каналом нет.The generating and recording modules are rigidly mounted on a frame consisting of
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is carried out as follows.
В каждом индукторе генерирующего модуля создается вращающееся магнитное поле путем подключения индукционных катушек 3 к трехфазному питанию. Бегущее по кругу в плоскости, ортогональной направлению основного потока контрольной жидкости, магнитное поле увлекает за собой рабочую среду в области между стержней магнитопроводов 2, закручивая ее.A rotating magnetic field is created in each inductor of the generating module by connecting the
Направление вращения в индукторах генерирующего модуля может быть как сонаправленным, так и противоположным, и выбирается исходя из условий эксплуатации, а именно диаметра трубы и величины расхода. Созданная завихренность потока перемещается со скоростью потока рабочей среды и проходит последовательно индукторы регистрирующего модуля, изменяет постоянное магнитное поле, созданное их катушками 3, вызывая отклик в измерительных катушках 4. Сигнал от катушек 4 поступает в измерительный модуль (на рисунке не показан), где при помощи корреляционного анализа вычисляется время пролета завихренности от одного к другому индуктору регистрирующего модуля. Зная расстояния между ними, можно вычислить объемный расход рабочей среды. Полученное значение расхода не зависит ни от электропроводности, ни от температуры рабочей среды.The direction of rotation in the inductors of the generating module can be both co-directional and opposite, and is selected based on the operating conditions, namely the pipe diameter and flow rate. The created vorticity of the flow moves at the speed of the flow of the working medium and passes sequentially through the inductors of the recording module, changes the constant magnetic field created by their
Устройство может работать также и в меточном режиме, при котором генерирующий модуль работает в импульсном режиме, а измерительный модуль измеряет время пролета завихренности от генерирующего модуля до регистрирующего модуля с помощью сигналов от катушек 4.The device can also operate in a marking mode, in which the generating module operates in a pulsed mode, and the measuring module measures the time of flight of the vorticity from the generating module to the recording module using signals from
В расходомере используется способ генерации пульсаций скорости, который заключается в применении электромагнитных сил, созданных в локальной области канала с помощью индукторов вращающегося магнитного поля. Регистрация таких пульсаций осуществляется также с помощью электромагнитной системы, которая реализует метод электромагнитных корреляций (МЭК).The flow meter uses a method for generating velocity pulsations, which consists in applying electromagnetic forces created in the local area of the channel with the help of rotating magnetic field inductors. Registration of such pulsations is also carried out with the help of an electromagnetic system that implements the method of electromagnetic correlations (IEC).
На фиг. 4 показан пример расчетной диаграммы эволюции профиля аксиальной компоненты скорости жидкого металла вдоль оси канала для методики МЭК. Численное исследование МЭК показало, что существуют режимы генерации пульсации, реализуемой электромагнитным индуктором, при которых всплеск скорости практически не теряет своей интенсивности вдоль потока.In FIG. Figure 4 shows an example of a computational diagram of the evolution of the profile of the liquid metal axial velocity component along the channel axis for the MEC technique. A numerical study of the IEC showed that there are modes of generation of pulsation, realized by an electromagnetic inductor, in which the burst of speed practically does not lose its intensity along the flow.
На фиг. 5 показан пример расчетной корреляционной функции для наилучшего режима реализации методики МЭК. При удачном расположении электромагнитных датчиков регистрации пульсации скорости, достигается высокая степень корреляции при восстановлении значений скорости.In FIG. 5 shows an example of a calculated correlation function for the best mode of implementing the IEC methodology. With a good location of the electromagnetic sensors for registering the speed pulsation, a high degree of correlation is achieved when restoring the speed values.
Расчеты проводились в рамках математической модели, основанной на уравнениях магнитной гидродинамики. Рассматривались режимы, в которых магнитное число Рейнольдса меньше единицы - это означает, что процесс переноса магнитного поля потоком можно не учитывать и применять безындукционное приближение. Поэтому задачи электродинамики и гидродинамики изучались раздельно.The calculations were carried out within the framework of a mathematical model based on the equations of magnetohydrodynamics. Regimes were considered in which the magnetic Reynolds number is less than unity, which means that the process of magnetic field transfer by the flow can be ignored and the non-inductive approximation can be used. Therefore, the problems of electrodynamics and hydrodynamics were studied separately.
Электродинамические исследования математической модели, основанной на уравнениях Максвелла, проводились в приложении Ansys Emag с помощью метода конечных элементов.Electrodynamic studies of the mathematical model based on Maxwell's equations were carried out in the Ansys Emag application using the finite element method.
Гидродинамические исследования математической модели, основанной на уравнениях Навье-Стокса с использованием полуэмпирической модели турбулентности LES, проводились в приложении Ansys Fluent с помощью метода конечных объемов. Анализ корреляций пульсаций и перевод данных с электродинамической расчетной сетки на гидродинамическую проводился в приложении Matlab. Начало координат располагается на оси цилиндрического канала и связано с положением центра генерирующего модуля. Ось OZ направлена вдоль канала, а оси ОХ и OY лежат в плоскости, ортогональной оси OZ, и образуют правую тройку векторов.The hydrodynamic studies of a mathematical model based on the Navier-Stokes equations using the LES semi-empirical turbulence model were carried out in the Ansys Fluent application using the finite volume method. The analysis of pulsation correlations and the transfer of data from the electrodynamic computational grid to the hydrodynamic one were carried out in the Matlab application. The origin of coordinates is located on the axis of the cylindrical channel and is associated with the position of the center of the generating module. The OZ axis is directed along the channel, while the OX and OY axes lie in a plane orthogonal to the OZ axis and form the right triple of vectors.
В данных исследованиях в генерирующем модуле направление вращающихся магнитных полей было встречно: одно вращалось по часовой стрелке, другое - против, относительно оси канала. Генерирующий модуль работает в импульсном режиме, причем время импульса и время между импульсами являются предметом проводимого научного исследования. Для заданного расхода существуют интервалы наилучших значений этих двух времен, при которых достигается наибольшая степень корреляции в измерительном модуле. Интенсивность электромагнитных сил также является предметом исследования. Для каждого жидкого металла она будет разной при одинаковом значении тока на обмотках, питающих генерирующий модель.In these studies in the generating module, the direction of the rotating magnetic fields was opposite: one rotated clockwise, the other counterclockwise, relative to the channel axis. The generating module operates in a pulse mode, and the pulse time and the time between pulses are the subject of ongoing scientific research. For a given flow rate, there are intervals of the best values of these two times, at which the greatest degree of correlation is achieved in the measuring module. The intensity of electromagnetic forces is also the subject of research. For each liquid metal, it will be different for the same value of current on the windings that feed the generating model.
Для представленных в качестве примера графиков, ток на питающих обмотках равен 1 А, длительность импульса равна 1 с, а период между ними 10 с. Изучены изотермические процессы в широком диапазоне расхода жидкого металла (от 1 до 10 куб.м. в час). Обнаружено, что каждому расходу соответствует набор параметров, который обеспечивает наилучшие условия для измерения. Для представленных графиков расход галлиевого сплава при комнатной температуре равен 5.65 куб.м. в час.For the graphs presented as an example, the current on the supply windings is 1 A, the pulse duration is 1 s, and the period between them is 10 s. Isothermal processes were studied in a wide range of liquid metal consumption (from 1 to 10 cubic meters per hour). It was found that each flow rate corresponds to a set of parameters that provides the best conditions for measurement. For the presented graphs, the consumption of gallium alloy at room temperature is 5.65 cubic meters. at one o'clock.
Наилучшее положение датчиков также является предметом исследования. Изучалась степень корреляции двух пульсирующих сигналов, создаваемых полем скорости в фиксированных локализованных областях действия датчиков. Обнаружено, для каждого набора рабочих параметров расходомера: расхода жидкого металла, его электропроводности, времени длительности импульса, периоду между импульсами, соответствует два значения положения датчиков, обеспечивающих наилучшие условия для измерения с высокой степенью корреляции. Для представленных графиков наилучшее расстояние от первого датчика до генерирующего модуля равно 0.3 м, а расстояние между датчиками 0,1 м.The best position of the sensors is also the subject of research. The degree of correlation of two pulsating signals generated by the velocity field in fixed localized areas of the sensors was studied. It was found that for each set of operating parameters of the flow meter: liquid metal flow rate, its electrical conductivity, pulse duration time, period between pulses, there correspond two values of the position of the sensors that provide the best conditions for measurement with a high degree of correlation. For the presented graphs, the best distance from the first sensor to the generating module is 0.3 m, and the distance between the sensors is 0.1 m.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2791036C1 true RU2791036C1 (en) | 2023-03-01 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU172073A1 (en) * | VEZELEKTODNSH INDUCTION FLOW METER | |||
SU1620848A1 (en) * | 1989-03-06 | 1991-01-15 | Предприятие П/Я В-2679 | Correlation method of determining consumption of molten metal |
WO1993003332A2 (en) * | 1991-07-31 | 1993-02-18 | The Foxboro Company | Magnetic flowmeter with improved accuracy |
KR100564978B1 (en) * | 2002-09-25 | 2006-03-28 | 가부시끼가이샤 도시바 | Capacitative electromagnetic flow meter |
RU2520165C2 (en) * | 2012-10-08 | 2014-06-20 | Открытое акционерное общество научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения "НИИТеплоприбор" | Electrodeless electromagnetic flowmeter |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU172073A1 (en) * | VEZELEKTODNSH INDUCTION FLOW METER | |||
SU1620848A1 (en) * | 1989-03-06 | 1991-01-15 | Предприятие П/Я В-2679 | Correlation method of determining consumption of molten metal |
WO1993003332A2 (en) * | 1991-07-31 | 1993-02-18 | The Foxboro Company | Magnetic flowmeter with improved accuracy |
KR100564978B1 (en) * | 2002-09-25 | 2006-03-28 | 가부시끼가이샤 도시바 | Capacitative electromagnetic flow meter |
RU2520165C2 (en) * | 2012-10-08 | 2014-06-20 | Открытое акционерное общество научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения "НИИТеплоприбор" | Electrodeless electromagnetic flowmeter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bevir | The theory of induced voltage electromagnetic flowmeters | |
EP0420496B1 (en) | Improvements in and relating to electromagnetic flowmeters | |
Robinson et al. | An experimental investigation of a magnetically driven rotating liquid-metal flow | |
US3589186A (en) | Electromagnetic flow meter for conductive fluids having matched magnetic and electrical systems | |
US5426983A (en) | Flow meter | |
RU2791036C1 (en) | Correlation method for determining the flow rate of liquid metal and electrodeless electromagnetic flowmeter of liquid metal "pif" (perm induction flowmeter) for its implementation | |
Yang et al. | Optimization of coil width and magnetic field switching speed for non-contacted electromagnetic flowmeter | |
RU2654966C1 (en) | Electromagnetic method to measure the low rate of a liquid metal | |
Khalilov et al. | A combined liquid sodium flow measurement system | |
US3566687A (en) | Electromagnetic flowmeter for metallic fluids | |
Shi et al. | Analytical investigation of an inductive flow sensor with arc-shaped electrodes for water velocity measurement in two-phase flows | |
Looney et al. | Alternative transient eddy-current flowmetering methods for liquid metals | |
JPS597929B2 (en) | How to excite an electromagnetic flowmeter | |
RU2591277C1 (en) | Magnetic flow meter of liquid metal | |
RU2716601C2 (en) | Electromagnetic method of measuring flow rate of liquid metal | |
RU2422780C1 (en) | Method of simulation technique of electromagnet flow metres of liquid metals | |
ATE350671T1 (en) | METHOD AND ARRANGEMENT FOR THE CONTACTLESS DETERMINATION OF SPATIAL VELOCITY DISTRIBUTIONS IN ELECTRICALLY CONDUCTIVE LIQUIDS | |
RU2797556C1 (en) | Electromagnetic flow meter for liquid metal | |
RU2489686C2 (en) | Electromagnetic method of flow measurement | |
Rajalakshmi | Design and Development of Non-Intrusive Eddy Current Flow Meter for High Temperature Liquid Metal Services | |
KR100467314B1 (en) | Electromagnetic Flowmeter | |
RU2090844C1 (en) | Vortex electromagnetic flowmeter | |
RU2085854C1 (en) | Vortex flowmeter - liquid meter | |
Head | Electromagnetic flowmeter primary elements | |
RU2555517C2 (en) | Large-bore electromagnetic flow meter |