УДК 681.121
ДАТЧИК С РАДИАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И СТРУКТУРЫ ПОТОКА ПУЛЬПЫ
И.Д. Вельт, А.П. Овчинников
Приводится исследование электромагнитного метода измерения расхода пульпы, направленное на полу чение дополнительной текущей информации о кинематической структуре потока и распре делении по сечению канала фазового состава пульпы. Эта информация предназначена для использования оператором при рас чете критических условий и поддержания оптимальных параметров энергетических режимов гидротранспортирования у голь-ных, магнетитовых, песковых и других пульп.
Электромагнитные расходомеры занимают существенную долю рынка средств измерения расхода электропроводных жидкостей и применя ются во многих отраслях промышленности. Широкое распространение они получили благодаря следующим достоинствам электромагнитного метода измерения, выгодно отличающих их от других методов: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра, линейность шкалы, необходимость в меньших длинах прямых участков труб, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей.
Как известно, пульпа представляет собой двухфазный поток, одна фаза которой состоит из набора различного рода включений в виде твердых частиц, а другая образуется непрерывной жидкостью [1].
Перекачивание пульпы производится по горизонтальным трубопроводам и только при турбулентном режиме, поскольку при ламинарном режиме твердая фаза выпадает в осадок и закупоривает пульпопровод. Однако, при турбулентном режиме трубопровод быстро изнашивается. Поэтому наиболее экономичным режимом транспортирования пульпы является режим, при котором скорость перемещения пульпы близка к критической, т. е. к скорости, являющейся границей между двумя режимами транспортирования. Но при таком режиме фазовый состав пульпы и ее кинематическая структура становятся максимально неоднородными по вертикальной линии поперечного сечения канала.
Измерение расхода пульп возможно выполнять различными способами и устройствами: с помощью мерных емкостей; по траектории струи, вытекающей из калиброванного торца трубопровода; по перепаду давления на сужающих устройствах, ультразвуковыми, термоанемо-метрическими, корреляционными, электромагнитными расходомерами [2]. Однако, ряд спе цифических эксплуатационных условий гидротранспорта, а также требования к относительно высокой точности, надежности и технологичности приборов существенно сокращают практические возможности по реализации указанных методов и средств измерения для решения поставленной задачи.
Наиболее перспективным для решения данной задачи является электромагнитный метод измерения. Основным его преимуществом является возможность измерения расхода без нарушения режимов течения по-
тока. В канале расходомера отсутствуют какие-либо выступающие элементы и подвижные детали. Кроме того, сигнал электромагнитного расходомера слабо зависит от профиля потока, электропроводности, вязкости среды и других характеристик жидкости. Изменение сигнала в зависимости от магнитной проницаемости относительно просто компенсировать соответствующими устройствами.
Все средства измерений пульпы в той или иной мере решают задачу определения объемного или весового расхода смеси. При этом ранее не ставилась задача о диагностировании кинематической структуры или фазового распределения по сечению потока, которую позволяет решать электромагнитный метод измерения и расходомер, созданный на его основе. Иными словами возможно получить дополнительную и необходимую информацию для оперативного расчета критических условий и поддержания оптимальных параметров энергетических режимов гидротранспортирования пульп.
Для оценки асимметрии структуры потока можно выделить два обобщенных параметра — ординату местоположения максимальной скорости \у и ординату местоположения средней плотности ур по вертикальной оси, перпендикулярной оси канала, с началом координат в центре канала. Линейный размер 0 = \у _ ур является характерным, так как определяет интенсивность асимметрии поля скоростей и фазового состава потока пульпы. Отношение 0/', (где ' _ диаметр канала) можно принять за критерий подобия, характеризующий интенсивность изменения структуры потока.
Гетерогенные среды, к которым относятся пульпы, всегда имеют неоднородное распределение электропроводности среды в рабочем объеме канала расходомера, поскольку электропроводность твердой фазы, как правило, на несколько порядков отличается от электропроводности жидкой фазы, которой обычно бывает техническая или речная вода. В зависимости от измеряемой среды эта неоднородность имеет разную природу. При измерении расхода различного рода пульп неоднородность электропроводности обусловлена физическим составом жидкости и может достигать значительных величин. При транспортировании пульп по горизонтальным напорным пульпопроводам и при экономически выгодных скоростях распределение электропроводности носит явно неоднородное распределение по поперечному сечению канала.
30
вепвогв & Бузгетв • № 1.2003
Примем во внимание, что магнитное поле возбуждения создается низкочастотным и импул ьсным током, т. е. во время измерения сигнала на электродах магнитное поле постоянно во времени.
Оценка влияния изменения распределения электропроводности на показания расходомера в этом случае может быть получена из анализа уравнения
8 = {[V х + ]}*а й т,
где *а — векторная весовая функция, учитывающая неоднородность распределения электропроводности, V — скорость потока, Н — напряженность магнитного поля, р — магнитная постоянная.
Принципиальные инженерные решения, положенные в основу разработки прибора, могут быть получены в результате анализа математической модели преобразователя расхода.
Разделим активную область расходомера т на две равные области: тв — область, расположенную выше плоскости ], которая проходит через ось канала и линию, соединяющую центры электродов, и тн — область, расположенную ниже плоскости ]: т = тв + тн.
Представляя выражения для сигналов расходомера через эти области, получим:
8[в = йт*(г)<11уК х +в@,
тв
8[н = й т* (г)<^К х +н],
тн
82в = йт 1п(а/ат)<^{* [vв х Д^]},
8
2н
= йт 1п(а/ат)<^{* [Vн х Я^},
83н = Р[йт 1п(а/ат) ^ ,
т
83в = йт0п(а/ат) ^ ,
т
8 = 8в + 8н = 8[в + 82в + 8зв + 8[н + 82н + 8зн,
где * (и) — векторная весовая функция для однородной среды, а и ат — электропроводность жидкой и твердой фаз, А — векторный потенциал.
Сигналы 8^в и 8^н обусловлены движением среды, обладающей однородной электропроводностью. Сигналы 82в, 82н вызваны наличием неоднородности электропроводности, причем сигналы 82н синфазны с сигналами 8^в и 8^н, а сигналы 8зв и 8зн находятся в квадратуре к ним.
Для поиска принципиальных инженерных решений при создании прибора попытаемся использовать информативность только сигналов первых двух групп, т. е. 81в, 81н, 82в, 82н.
Рис. 1. Схема преобразователя расхода:
1 — участок трубопрово да; 2 — корпус расходомера, одновременно являющийся магнитопроводом; 3 и 3' — две дополнительные катушки возбуждения; 4 и 4' — две основные кату шки возбуждения; 5 и 5' — электроды
Сигналы третьей группы (8зв и 8зн) можно рассматривать как помехи, поскольку они не зависят от скорости потока, следовательно, определяют только дрейф нуля. Учитывая, что сигналы третьей группы сдвинуты на я/2 по фазе относительно сигналов первой и второй групп, их легко отделить от информативных. Устранение влияния сигналов 8зв и 8зн можно обеспечить применением пульсирующего магнитного поля, т. е. теми же методами, которые широко используются в электромагнитных расходомерах традиционной конструкции для устранения квадратурных помех.
Таким образом, примененяя симметричное и антисимметричное магнитное поле, возможно получить различную информацию о структуре потока.
Если магнитное поле в канале расходомера сформировано традиционным образом, то оно антисимметрично относительно плоскости ]. При 0/' = 0 и 83 = 8н сигнал 8 пропорционален объемному расходу пульпы. По мере снижения скорости вследствие увеличения асимметрии потока (твердые компоненты смещаются в нижнюю часть трубопровода, а деформация поля скоростей — в верхнюю часть трубопровода), происходит перераспределение сигналов 8в ! 8н, причем насколько увеличивается 83, на столько же уменьшается 8н. Иными словами, сигнал расходомера мало зависит от перестройки профиля скорости и изменения распределения фазового состава по рабочему объему канала.
Сигнал между электродами электромагнитного расходомера при симметричном относительно плоскости ] магнитном поле служит мерой критерия величины 0/', и его можно использовать для диагностирования режима функционирования пульпопровода.
Симметричное поле можно создать различными способами. В данном приборе оно создается путем введения двух дополнительных индукторных катушек. На рис. 1 изображена конструкция расходомера.
Расход измеряется при двух поочередно создаваемых режимах включения катушек возбуждения. Ког-
Датчики и Системы • № 1.2003
31
Рис. 2. Структурная схема расходомера
Рис. 3. Томографическое изображение структуры потока при разном значении сигнала а — критерия структуры потока
да к источнику питания подключены катушки 4-4, ось которых перпендикулярна оси канала, то в центральном сечении канала образуется антисимметричное магнитное поле, в этом случае сигнал а, возбуждаемый на электродах 5-5, определяет среднюю скорость потока, причем он мало зависит от перестройки профиля скорости и изменения фазового состава по рабочему объему канала. Затем происходит отключение катушек 4-4' и подключение катушек 3-3', общая ось которых совпадает с осью канала. Поскольку эти катушки включены навстречу друг другу, то в центральном сечении канала возникает симметричное магнитное поле, значительная радиальная компонента которого резко изменяется по радиусу трубы, быстро уменьшаясь к центру канала до нуля. Сигнал р, возникающий от взаимодействия этого магнитного поля с потоком жидкости, обладает высокой чувствительностью к изменению скорос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.