RU2778429C1

RU2778429C1 - Liquid metal electromagnetic flow meter

Info

Publication number: RU2778429C1
Application number: RU2021135370A
Authority: RU
Inventors: Илья Владимирович Колесниченко; Руслан Ильдусович Халилов; Александр Михайлович Павлинов; Андрей Дмитриевич Мамыкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Математические модели сплошных сред"
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-08-18

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: 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. An electromagnetic flow meter for liquid metals has a pipe made of non-magnetic material and wrapped with heat-insulating material, two electrodes, a magnetic circuit, an induction coil, a terminal block and a casing, while the magnetic circuit, consisting of electrically insulated plates, is collapsible and has an F-shape, and the flow meter contains three terminal blocks, two induction coils located on the arms of the magnetic circuit, two casings with a three-layer structure - metal-mineral wool-metal, one of which completely covers the magnetic circuit, and the second - part of the pipe, and the main elements of the flow meter are mounted on the frame, welded to the pipe.

EFFECT: increasing the sensitivity and reliability of the flowmeter, the possibility of operation for liquid metal with temperatures up to 450°C.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области измерения расхода электромагнитным методом, и может быть использовано для измерения расхода жидких металлов.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.

Известен электромагнитный расходомер (см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Издательство «Машиностроение», Ленинград, 1989 г., 701 с., ил.), содержащий трубу, выполненную из немагнитного материала, магнитопровод, две индукционные катушки, расположенные на внешней поверхности трубы диаметрально противоположно друг другу, два электрода, введенные в канал напротив друг друга по диаметру трубы, клеммную колодку, к которой подведены провода от индукционных катушек и от электродов, и металлический кожух, охватывающий всю конструкцию расходомера, т.е. трубу с электродами, магнитопровод, индукционные катушки и клеммную колодку.Known electromagnetic flow meter (see Kremlevskiy P.P. Flowmeters and quantity counters. Mashinostroenie Publishing House, Leningrad, 1989, 701 p., ill.), containing a pipe made of non-magnetic material, a magnetic circuit, two induction coils located on the outer surface of the pipe diametrically opposite to each other, two electrodes inserted into the channel opposite each other along the diameter of the pipe, a terminal block to which wires from induction coils and electrodes are connected, and a metal casing covering the entire structure of the flowmeter, i.e. a pipe with electrodes, a magnetic circuit, induction coils and a terminal block.

Расходомер работает следующим образом. При протекании тока по виткам индукционных катушек в рабочем объеме канала возбуждается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, проходящей через ось электродов и ось канала. При движении электропроводной жидкости по каналу трубы в его рабочем объеме, согласно закону Фарадея, индуцируется электрическое поле, напряженность которого пропорциональна скорости потока измеряемой жидкости. Индуцируемое электрическое поле, используется в качестве меры объемного расхода измеряемой среды и измеряется с помощью двух электродов.The flow meter works as follows. When the current flows through the turns of the induction coils in the working volume of the channel, a magnetic field is excited, directed perpendicular to the plane passing through the axis of the electrodes and the axis of the channel. When an electrically conductive liquid moves through a pipe channel in its working volume, according to Faraday's law, an electric field is induced, the strength of which is proportional to the flow rate of the measured liquid. The induced electric field is used as a measure of the volume flow of the measured medium and is measured using two electrodes.

Такое техническое решение является типовым для общепромышленного электромагнитного расходомера и широко используется в приборостроении для измерения расхода электропроводных жидкостей с температурой не более 180-200°С.This technical solution is typical for a general industrial electromagnetic flow meter and is widely used in instrumentation to measure the flow of electrically conductive liquids with a temperature of not more than 180-200°C.

Ограничения по температуре, в частности, объясняются тем, что индукционные катушки расположены внутри кожуха в тесном объеме вместе с трубой и при длительной эксплуатации нагреваются приблизительно до температуры, близкой температуре измеряемой среды.Temperature limitations, in particular, are explained by the fact that the induction coils are located inside the casing in a close volume together with the pipe and, during long-term operation, are heated to approximately a temperature close to the temperature of the medium being measured.

Недостатком указанного расходомера является сложность измерения расхода жидких металлов, рабочая температура которых достигает 300-500°С и более.The disadvantage of this flow meter is the difficulty of measuring the flow of liquid metals, the operating temperature of which reaches 300-500°C or more.

Известен электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ №2502053, опубл. 2013.12.20), имеющий трубу, выполненную из немагнитного материала, два электрода, приваренные к внешней поверхности трубы, магнитопровод С-образной формы с двумя полюсными наконечниками и индукционную катушку. У каждого полюсного наконечника указанного расходомера предусмотрена сквозная поперечная прорезь, пролегающая от края полюсного наконечника до места его соединения с магнитопроводом. Поперечная прорезь в полюсном наконечнике указанного расходомера разрывает контуры токов Фуко и устраняет их влияние на результат измерения расхода.An electromagnetic flow meter is known (see patent for the invention of the Russian Federation No. 2502053, publ. 2013.12.20), having a pipe made of non-magnetic material, two electrodes welded to the outer surface of the pipe, a C-shaped magnetic circuit with two pole pieces and an induction coil. Each pole piece of said flow meter has a through transverse slot extending from the edge of the pole piece to the point of its connection with the magnetic circuit. A transverse slot in the pole piece of this flow meter breaks the Foucault current circuits and eliminates their influence on the flow measurement result.

Но наличие таких прорезей может приводить к перераспределению магнитного поля, делая его неоднородным, что является недостатком вышеуказанного устройства.But the presence of such slots can lead to a redistribution of the magnetic field, making it non-uniform, which is a disadvantage of the above device.

Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому устройству, выбранным за прототип, является электромагнитный расходомер (см. патент на изобретение РФ №2502958, опубл. 2013.12.27), содержащий трубу, выполненную из немагнитного материала, два электрода, магнитопровод с полюсными наконечниками и кожух, внутри которого располагаются индукционная катушка и клеммная колодка. Остальная часть магнитопровода с полюсными наконечниками и труба с электродами расположена вне кожуха, причем кожух имеет отверстие для подвода электродов к клеммной колодке, а труба обмотана теплоизоляционной лентой.The closest known analogue to the proposed device, selected as a prototype, is an electromagnetic flowmeter (see patent for the invention of the Russian Federation No. 2502958, publ. 2013.12.27), containing a pipe made of non-magnetic material, two electrodes, a magnetic circuit with pole pieces and a casing, inside which there is an induction coil and a terminal block. The rest of the magnetic circuit with pole pieces and the pipe with electrodes are located outside the casing, and the casing has a hole for supplying electrodes to the terminal block, and the pipe is wrapped with heat-insulating tape.

В указанном расходомере единственная индукционная катушка заключена в замкнутый металлический кожух и не охлаждается даже естественным способом.In the specified flow meter, the only induction coil is enclosed in a closed metal casing and is not cooled even in a natural way.

Для того, чтобы она не перегревалась, в ней должен быть небольшой ток, а, значит, магнитное поле в зазоре может быть недостаточно большим, а чувствительность расходомера недостаточно высокая, особенно на небольших расходах.In order for it not to overheat, it must have a small current, which means that the magnetic field in the gap may not be large enough, and the sensitivity of the flow meter is not high enough, especially at low flow rates.

На величину магнитного поля в зазоре, а значит и на чувствительность расходомера также влияют токи Фуко, наводящиеся в сердечнике. Чем их наводится меньше, тем меньше потери электромагнитной энергии и больше магнитное поле в зазоре.The magnitude of the magnetic field in the gap, and hence the sensitivity of the flow meter, is also affected by the Foucault currents induced in the core. The less they are induced, the less the loss of electromagnetic energy and the greater the magnetic field in the gap.

Таким образом, недостатками устройства являются:Thus, the disadvantages of the device are:

1. Сложность измерения расхода жидких металлов, рабочая температура которых достигает 300-450°С.1. The complexity of measuring the flow of liquid metals, the operating temperature of which reaches 300-450°C.

2. Низкая чувствительность расходомера, особенно на небольших расходах.2. Low sensitivity of the flow meter, especially at low flow rates.

Целями предлагаемого изобретения являются: измерение расхода жидких металлов, рабочая температура которых достигает 450°С, и повышение чувствительности расходомера и его надежности.The objectives of the present invention are: measuring the flow of liquid metals, the operating temperature of which reaches 450°C, and increasing the sensitivity of the flow meter and its reliability.

Для достижения этих целей предлагается электромагнитный расходомер, имеющий трубу, выполненную из немагнитного материала и обмотанную теплоизоляционным материалом, два электрода, магнитопровод, индукционную катушку, клеммную колодку и кожух, при этом магнитопровод, состоящий из электрически изолированных пластин, является разборным и имеет Ф-образную форму, а расходомер содержит три клеммные колодки, две индукционные катушки, расположенные на плечах магнитопровода, два кожуха, имеющих трехслойную структуру - металл-минеральная вата-металл, один из которых полностью закрывает магнитопровод, а второй - часть трубы, а основные элементы расходомера крепятся на раму, приваренную к трубе.To achieve these goals, an electromagnetic flow meter is proposed, which has a pipe made of non-magnetic material and wrapped with heat-insulating material, two electrodes, a magnetic circuit, an induction coil, a terminal block and a casing, while the magnetic circuit, consisting of electrically insulated plates, is collapsible and has an F-shaped shape, and the flow meter contains three terminal blocks, two induction coils located on the arms of the magnetic circuit, two casings with a three-layer structure - metal-mineral wool-metal, one of which completely closes the magnetic circuit, and the second - part of the pipe, and the main elements of the flow meter are attached on a frame welded to the pipe.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что магнитопровод, состоящий из электрически изолированных пластин, является разборным и имеет Ф-образную форму, а расходомер содержит три клеммные колодки, две индукционные катушки, расположенные на плечах магнитопровода, два кожуха, имеющих трехслойную структуру - металл-минеральная вата-металл, один из которых полностью закрывает магнитопровод, а второй - часть трубы, а основные элементы расходомера крепятся на раму, приваренную к трубе.A distinctive feature of the proposed device is that the magnetic circuit, consisting of electrically insulated plates, is collapsible and has an F-shape, and the flow meter contains three terminal blocks, two induction coils located on the arms of the magnetic circuit, two casings having a three-layer structure - metal - mineral wool-metal, one of which completely closes the magnetic circuit, and the second - part of the pipe, and the main elements of the flowmeter are mounted on a frame welded to the pipe.

Сущность предлагаемого решения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где приведены схема конструкции предлагаемого электромагнитного расходомера жидкого металла и фото его общего вида соответственно.The essence of the proposed solution is illustrated in Fig. 1 and FIG. 2, which shows the design diagram of the proposed liquid metal electromagnetic flowmeter and a photo of its general view, respectively.

Электромагнитный расходомер жидкого металла состоит из трубы 1, выполненной из нержавеющей стали, с электродами 2, приваренными к внешней поверхности трубы по линии, перпендикулярной линии, соединяющей центры полюсов индуктора.The liquid metal electromagnetic flowmeter consists of a pipe 1 made of stainless steel with electrodes 2 welded to the outer surface of the pipe along a line perpendicular to the line connecting the centers of the poles of the inductor.

Расходомер имеет индуктор, состоящий из наборного разъемного магнитопровода Ф-образной формы 3, двух индукционных катушек 4, расположенных на плечах магнитопровода 3, и кожухов 5 и 6.The flow meter has an inductor consisting of a detachable f-shaped magnetic circuit 3, two induction coils 4 located on the arms of the magnetic circuit 3, and casings 5 and 6.

Кожухи 5 и 6 вмещают в себя целиком магнитопровод 3 и участок трубы 1, соответственно. Колодки 7 для подключения электродов 2 к измерительной системе (на рисунке не показана) и индукционных катушек 4 к источнику тока расположены в холодной зоне.Casings 5 and 6 contain the entire magnetic core 3 and pipe section 1, respectively. Blocks 7 for connecting electrodes 2 to the measuring system (not shown in the figure) and induction coils 4 to the current source are located in the cold zone.

Труба 1 с электродами 2 обмотана теплоизоляционной лентой 8, например, стеклотканью. Все основные элементы расходомера крепятся на раму 9 при помощи болтовых соединений.Pipe 1 with electrodes 2 is wrapped with heat-insulating tape 8, for example, fiberglass. All main elements of the flowmeter are attached to the frame 9 using bolted connections.

Сама рама 9 жестко крепится к трубе 1 посредством четырех перегородок 10, приваренных к трубе в местах нулевого потенциала.The frame 9 itself is rigidly attached to the pipe 1 by means of four partitions 10 welded to the pipe at zero potential.

Рама 9 защищает индукционные катушки 4 от механических повреждений, а также предотвращает сдвиг магнитопровода 3 относительно трубы 1.The frame 9 protects the induction coils 4 from mechanical damage, and also prevents the magnetic circuit 3 from shifting relative to the pipe 1.

Магнитопровод 3 является разъемным по линии 11. Для минимизации немагнитного зазора магнитопровод 3 стягивается при помощи прижимных пластин 12 и шпилек.The magnetic core 3 is detachable along the line 11. To minimize the non-magnetic gap, the magnetic core 3 is pulled together with the help of pressure plates 12 and pins.

Электромагнитный расходомер жидкого металла работает следующим образом.Electromagnetic liquid metal flowmeter operates as follows.

Через клеммную колодку 7 к индукционным катушкам 4, подключенным последовательно, подводится электрический ток, в результате которого в канале трубы 1 создается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, проходящей через линию, соединяющую электроды 2 и ось трубы 1.Through the terminal block 7 to the induction coils 4 connected in series, an electric current is supplied, as a result of which a magnetic field is created in the channel of the pipe 1, directed perpendicular to the plane passing through the line connecting the electrodes 2 and the axis of the pipe 1.

При движении по каналу трубы 1 в жидком металле, пересекающем магнитное поле, возбуждается электрическое поле, которое является мерой объемного расхода и измеряется с помощью электродов 2, приваренных к поверхности трубы 1.When moving along the channel of pipe 1, an electric field is excited in the liquid metal crossing the magnetic field, which is a measure of volumetric flow and is measured using electrodes 2 welded to the surface of pipe 1.

Расходомер выполнен таким образом, что часть трубы и весь магнитопровод расположены в кожухах, которые обладают хорошими теплоизоляционными свойствами за счет трехслойной структуры металл-минеральная вата-металл.The flow meter is made in such a way that part of the pipe and the entire magnetic circuit are located in casings, which have good thermal insulation properties due to the three-layer metal-mineral wool-metal structure.

Катушки и клеммные колодки при этом находятся в холодной зоне и могут охлаждаться как естественной конвекцией, так и принудительным обдувом.Coils and terminal blocks are located in the cold zone and can be cooled by both natural convection and forced airflow.

Для увеличения чувствительности расходомера на малых расходах, магнитопровод имеет форму буквы Ф, что позволяет использовать две индукционные катушки для увеличения величины магнитного поля в зазоре (рабочее значение - 25 мТл).To increase the sensitivity of the flow meter at low flow rates, the magnetic circuit has the shape of the letter F, which allows the use of two induction coils to increase the magnetic field in the gap (operating value - 25 mT).

Для уменьшения наведения токов Фуко магнитопровод состоит из множества электрически изолированных пластин, также являясь разборным.To reduce the induction of Foucault currents, the magnetic core consists of a plurality of electrically insulated plates, also being collapsible.

Кроме того, участок трубы, расположенный вблизи плоскости электродов и магнитопровода, обматывается теплоизоляционной лентой 8, например стеклотканью для того, чтобы тепло от трубы 1 меньше передавалось магнитопроводу, и чтобы магнитопровод не шунтировал цепь, содержащую электроды.In addition, the section of the pipe located near the plane of the electrodes and the magnetic circuit is wrapped with a heat-insulating tape 8, for example, fiberglass, so that the heat from the pipe 1 is less transferred to the magnetic circuit, and so that the magnetic circuit does not shunt the circuit containing the electrodes.

Для повышения надежности расходомер монтируется на раму, обеспечивающую монолитность конструкции расходомера и защищающую катушки индуктивности от механических повреждений.To improve reliability, the flowmeter is mounted on a frame that ensures the solidity of the flowmeter design and protects the inductors from mechanical damage.

Выходные параметры устройстваDevice output parameters

Claims

An electromagnetic flow meter having a pipe made of non-magnetic material and wrapped with heat-insulating material, two electrodes, a magnetic circuit, an induction coil, a terminal block and a casing, characterized in that the magnetic circuit, consisting of electrically insulated plates, is collapsible and has an F-shape, and the flow meter contains three terminal blocks, two induction coils located on the arms of the magnetic circuit, two casings with a three-layer structure - metal-mineral wool-metal, one of which completely covers the magnetic circuit, and the second - part of the pipe, and the main elements of the flow meter are mounted on the frame, welded to the pipe.