Вихревой электромагнитный преобразователь расходомера - счетчика жидкости
Изобретение может быть использовано для измерения жидкости с ионной проводимостью. Преобразователь содержит измерительный участок трубопровода с телом обтекания, продольная ось которого перпендикулярна оси трубопровода. Снаружи измерительного участка размещена магнитная система, создающая магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, параллельную продольной оси тела обтекания. К блоку обработки выходного сигнала подключен чувствительный элемент в виде электродов, по крайней мере один из которых - индикаторный, электроизолированно введен во внутритрубное пространство, где содержит размещенный в области действия магнитного поля электроконтактный участок, и служащий для вывода сигнала токовыводящий стержень, поверхность которого электроизолирована. Электроконтактным участком является установленный на конце токовыводящего стержня наконечник в виде уплощенного тела (например, диска). Каждая точка поверхности электроконтактного участка лежит внутри эллипса, большая ось которого параллельна оси тела обтекания, а малая ось перпендикулярна оси трубопровода. Плоскость тела наконечника перпендикулярна продольной оси тела обтекания. В потоках с ферромагнитными включениями центр электроконтактного наконечника совмещен с осью трубопровода или отнесен от стенки, прилежащей к полюсу магнита односторонней магнитной системы, на расстояние, большее D/2, где D - внутренний диаметр трубопровода. Изобретение может эксплуатироваться в потоках, загрязненных ферромагнитными частицами, без замыкания электрода на стенку трубы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к средствам контроля потоков жидкостей с ионной проводимостью, и может быть использовано для измерения расхода и количества жидкостей в водо-, теплоснабжении, энергетике, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Характеристика аналога
Известно устройство для измерения расхода электропроводной жидкости (см. патент РФ №2143664, G01F 1/32, 1999), включающее в себя участок трубы с телом обтекания, продольная ось которого перпендикулярна оси трубы, магнитную систему, содержащую установленные на противоположных сторонах трубы разноименными полюсами навстречу друг другу кольцевой и дисковый магниты, создающую в контролируемой области внутритрубного пространства за телом обтекания магнитное поле, направленное преимущественно параллельно продольной оси тела обтекания, и подключенный к блоку обработки выходного сигнала чувствительный элемент в виде электродов, один из которых выполнен в виде стержня и электроизолированно от стенки трубы через центр кольцевого магнита введен во внутритрубное пространство, где содержит размещенный в области действия магнитного поля электроконтактный участок стержня, и служащий для вывода сигнала токовыводящий участок, поверхность которого электроизолирована, а вторым электродом служит корпус трубы, при этом дисковый магнит установлен несоосно с электродом - со смещением в направлении движения жидкости на расстояние l=DH·tgα, где α≤5°, DH - наружный диаметр трубы.
Характеристика прототипа
Известен преобразователь вихревого электромагнитного расходомера - счетчика жидкости с ионной проводимостью (см. патент РФ №2142614, G01F 1/32, G01P 5/08, 1999), включающий в себя измерительный участок трубопровода с телом обтекания, продольная ось которого перпендикулярна оси трубопровода, размещенную в теле обтекания или снаружи измерительного участка магнитную систему, создающую в контролируемой области внутритрубного пространства за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и подключенный к блоку обработки выходного сигнала чувствительный элемент в виде электродов, по крайней мере один из которых выполнен в виде стержня и электроизолированно от стенки трубы и других металлических конструкций введен во внутритрубное пространство, где содержит размещенный в области действия магнитного поля электроконтактный участок стержня, и служащий для вывода сигнала токовыводящий участок, поверхность которого электроизолирована. В качестве одного из электродов, или заземления при подключении электрической схемы обработки выходного сигнала устройства, служит корпус трубопровода. Размещенная снаружи трубопровода магнитная система реализуется обычно установленными на поверхности трубы двумя или одним магнитами, полярная ось которых параллельна продольной оси тела обтекания.
Общим характерным признаком известных устройств (как аналога, так и прототипа) является то, что электроконтактный участок индикаторного электрода выполнен в виде стержня. Стержневая форма электрода обеспечивает достаточно высокое качество выходного сигнала устройства за счет осреднения снимаемого потенциала жидкости по длине стержня.
При расположении стержневого электрода, параллельном телу обтекания, конец электроконтактного участка попадает в область, прилежащую к полюсу магнитной системы. В большинстве эксплуатационных ситуаций это не влияет на работоспособность устройства. Однако при работе в потоках жидкости, загрязненных ферромагнитными включениями, данная особенность устройства может проявляться как недостаток: осаждающиеся на стенке трубы, прилежащей к полюсу магнитной системы, ферромагнитные частицы со временем образуют тело налипания, что может приводить к замыканию электрода на корпус трубы и потере работоспособности преобразователя. Указанные факты стали побудительной причиной поиска других конструктивных решений, расширяющих возможности реализации устройства при проектировании вихревых электромагнитных преобразователей.
Цель изобретения
Целью данного изобретения является расширение конструктивных возможностей реализации устройства и, в частности, обеспечение возможности повышения защищенности от замыкания электрода на стенку трубы при эксплуатации преобразователя в потоках, загрязненных ферромагнитными включениями.
Сущность изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в вихревом электромагнитном преобразователе расходомера - счетчика жидкости, включающем в себя измерительный участок трубопровода с телом обтекания, продольная ось которого перпендикулярна оси трубопровода, размещенную снаружи измерительного участка магнитную систему, создающую в контролируемой области внутритрубного пространства за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и подключенный к блоку обработки выходного сигнала чувствительный элемент в виде электродов, по крайней мере один из которых, именуемый индикаторным, электроизолированно от стенки трубы и других металлических конструкций введен во внутритрубное пространство, где содержит размещенный в области действия магнитного поля электроконтактный участок, и служащий для вывода сигнала токовыводящий стержень, поверхность которого электроизолирована, а в качестве одного из электродов, или заземления при подключении блока обработки выходного сигнала, служит корпус трубопровода, электроконтактным участком индикаторного электрода служит наконечник, выполненный в виде уплощенного тела, установленного на конце токовыводящего стержня, при этом каждая точка поверхности электроконтактного участка находится внутри эллипса, большая ось которого параллельна оси тела обтекания и ее длина составляет 0.9D, а малая ось эллипса перпендикулярна оси трубопровода и ее длина составляет 0.6D, где D - внутренний диаметр трубопровода; плоскость тела наконечника в индикаторном электроде ориентирована перпендикулярно продольной оси тела обтекания; наконечник индикаторного электрода выполнен в виде диска; центр наконечника индикаторного электрода совмещен с осью трубопровода для удаления от полюсов магнитной системы или отнесен от стенки, прилежащей к полюсу магнита односторонней магнитной системы, на расстояние, большее D/2.
В результате экспериментальных исследований определено, что электроконтактным участком индикаторного электрода может служить установленный на конце токовыводящего стержня наконечник, выполненный в виде диска или иного уплощенного тела. Существенным при этом является наличие развитой поверхности электрического контакта с жидкостью с целью качественного осреднения снимаемого потенциала.
Для минимизации гидравлических возмущений, вносимых электроконтактным наконечником в вихревую дорожку Кармана, плоскость диска или иного уплощенного тела следует ориентировать перпендикулярно продольной оси тела обтекания.
Имеется ограничение по размеру электроконтактного наконечника в направлении оси трубопровода. Известно (см., например, Л.А.Адамовский. Магнитогидродинамические основы и технические проблемы вихревых электромагнитных расходомеров. Препринт НИИАР-1 (862), ГНЦ РФ НИИ атомных реакторов, Димитровград, 1998, с.11), что геометрический период в вихревой дорожке Кармана за телом обтекания, выраженный в единицах диаметра трубопровода, определяется соотношением Тк=V/D·f=1/Shк, где V - средняя скорость потока, м/с, f - выходная частота сигнала, Гц, Shк - безразмерная частота Кармана. С учетом того, что Shк не зависит от значения расхода и ее численное значение составляет Shк≈0.9-0.95, получаем Тк≈1.05-1.1. Поскольку из физических соображений максимальная длина электроконтактного наконечника в направлении оси трубопровода не должна превосходить полупериод волны электрического потенциала, равный полупериоду вихревой дорожки Кармана, получаем, например, что диаметр наконечника в виде диска не должен превосходить значения ˜ D/2, т.е. радиуса трубопровода.
Установлено также, что преобразователь работоспособен при размещении электроконтактного наконечника внутри эллипса, большая ось которого параллельна оси тела обтекания и ее длина составляет 0.9D, а малая ось эллипса перпендикулярна оси трубопровода и ее длина составляет 0.6D. При этом для любого местоположения наконечника в указанных пределах наблюдается высокое качество выходного сигнала преобразователя.
Указанные выше признаки в совокупности расширяют конструктивные возможности реализации устройства при проектировании вихревых электромагнитных преобразователей.
Для потоков жидкости, загрязненных ферромагнитными включениями, использование уплощенного наконечника позволяет, в частности, отнести электроконтактный участок индикаторного электрода от стенок, прилежащих к полюсам магнитной системы, в центр трубопровода, а при односторонней магнитной системе (один линейный магнит на поверхности трубы) - и на расстояние, большее D/2. Это снижает вероятность замыкания электрода на корпус трубы ферромагнитными частицами, скапливающимися на стенке трубы в области полюсов магнитной системы.
Перечень чертежей
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Пример конкретного выполнения и сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Вихревой электромагнитный преобразователь расходомера - счетчика жидкости включает в себя измерительный участок трубопровода 1 с телом обтекания 2, продольная ось 3 которого перпендикулярна оси 4 трубопровода. В данном примере магнитное поле в контролируемой области внутритрубного пространства за телом обтекания создается односторонней магнитной системой, содержащей линейный магнит 5, одним из полюсов прижатый к наружной поверхности трубопровода 1. При этом магнит на поверхности трубы размещен таким образом, что его полярная ось 6 направлена параллельно продольной оси 3 тела обтекания. При данной ориентации магнита в контролируемой области присутствует полезная составляющая вектора магнитной индукции, имеющая направление 7, параллельное оси 3 тела обтекания.
Подключенный к блоку обработки выходного сигнала 8 чувствительный элемент в данном примере включает в себя один индикаторный электрод 9, введенный во внутритрубное пространство электроизолированно от стенки трубы и других металлических конструкций, а в качестве второго электрода служит корпус трубопровода 1. Индикаторный электрод во внутритрубном пространстве содержит размещенный в области действия магнитного поля электроконтактный участок 10 и служащий для вывода сигнала токовыводящий стержень 11, поверхность которого покрыта электроизоляционным материалом 12. В данном примере электроконтактным участком служит установленный на конце токовыводящего стержня наконечник, выполненный в виде диска 10, плоскость которого перпендикулярна продольной оси 3 тела обтекания. Форма электроконтактного диска и его ориентация в пространстве обеспечивают развитую поверхность электрического контакта с жидкостью и минимальное гидравлическое возмущение, вносимое наконечником в вихревую дорожку Кармана.
Точки поверхности диска 10 находятся каждая внутри эллипса 13, большая ось которого параллельна оси 3 тела обтекания и ее длина составляет 0.9D, а малая ось эллипса перпендикулярна оси 4 трубопровода и ее длина составляет 0.6D.
Электроконтактный диск 10 в данном примере отнесен от стенки, прилежащей к полюсу магнита 5, на расстояние, большее D/2. Это повышает защищенность преобразователя от замыкания электрода на стенку трубы при работе в потоках, загрязненных ферромагнитными частицами.
Вихревой электромагнитный преобразователь расходомера - счетчика жидкости работает следующим образом. Периодический срыв вихрей Кармана с одной и другой стороны тела обтекания 2 вызывает синхронные колебания жидкости в контролируемой области внутритрубного пространства, направленные перпендикулярно плоскости продольных осей 3 тела обтекания и 4 трубопровода. Составляющая магнитного поля 7, направленная параллельно оси тела обтекания и перпендикулярно направлению колебаний жидкости, индуцирует в ней знакопеременные колебания электрического потенциала, снимаемые электроконтактным диском 10. Сигнал в виде разности потенциалов с пары электродов 9 и 1 подается в блок обработки 8 и далее в схему, где по измеряемому значению частоты пульсаций определяют скорость потока и расход, а по суммарному количеству периодов колебаний за фиксированный промежуток времени определяют количество протекшей жидкости.
Для экспериментальной проверки работоспособности был изготовлен опытный образец устройства с диаметром условного прохода Dy20 (труба 25×2.5) по схеме, приведенной на фиг.1 и 2. Магнитное поле в устройстве создавалось одним самарий-кобальтовым магнитом в форме цилиндра диаметром 25 мм и высотой 10 мм. Индикаторный электрод преобразователя выполнен в виде стального стержня диаметром 1.5 мм. Поверхность стержня во внутритрубном пространстве электроизолирована полихлорвиниловой трубкой. На конце токовыводящего стержня установлен электроконтактный диск диаметром 7 мм (0.35D) и толщиной 1.5 мм. Отстояние диска от стенки трубы, прилежащей к полюсу магнита, составляло 13 мм (0.65D).
Преобразователь был установлен в контур водяной поверочной установки. Индикаторный электрод и корпус трубы были подключены на вход усилителя У7-1, усиленный сигнал подавался на осциллограф для визуального наблюдения. Испытания проведены в диапазоне расхода (0.2-10) м3/ч, температура воды составляла 19°С, давление в контуре - 2.5 кгс/см2. В результате испытаний во всем диапазоне расхода на выходе преобразователя наблюдали устойчивый периодический сигнал высокого качества, что подтверждает работоспособность предложенной конструкции устройства.
1. Вихревой электромагнитный преобразователь расходомера-счетчика жидкости, включающий в себя измерительный участок трубопровода с телом обтекания, продольная ось которого перпендикулярна оси трубопровода, размещенную снаружи измерительного участка магнитную систему, создающую в контролируемой области внутритрубного пространства за телом обтекания магнитное поле, имеющее составляющую вектора магнитной индукции, направленную параллельно продольной оси тела обтекания, и подключенный к блоку обработки выходного сигнала чувствительный элемент в виде электродов, по крайней мере один из которых, именуемый индикаторным, электроизолированно от стенки трубы и других металлических конструкций введен во внутритрубное пространство, где содержит размещенный в области действия магнитного поля электроконтактный участок, и служащий для вывода сигнала токовыводящий стержень, поверхность которого электроизолирована, а в качестве одного из электродов или заземления, при подключении электрической схемы обработки выходного сигнала служит корпус трубопровода, отличающийся тем, что электроконтактным участком индикаторного электрода служит наконечник, выполненный в виде уплощенного тела, установленного на конце токовыводящего стержня, при этом каждая точка поверхности электроконтактного участка находится внутри эллипса, большая ось которого параллельна оси тела обтекания и ее длина составляет 0,9D, а малая ось эллипса перпендикулярна оси трубопровода и ее длина составляет 0,6D, где D - внутренний диаметр трубопровода.
2. Вихревой электромагнитный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что плоскость тела наконечника индикаторного электрода ориентирована перпендикулярно продольной оси тела обтекания.
3. Вихревой электромагнитный преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что наконечник индикаторного электрода выполнен в виде диска.
4. Вихревой электромагнитный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что центр наконечника индикаторного электрода совмещен с осью трубопровода для удаления от полюсов магнитной системы или отнесен от стенки, прилежащей к полюсу магнита односторонней магнитной системы, на расстояние, большее D/2.
