УДК 681.121.4.53.082.78
МАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
И. Д. Вельт, Ю. В. Михайлова
Рассмотрены магнитные расходомеры жидкого металла с характеристиками, улучшенными за счет управления распределением электрического потенциала на поверхности канала с помощью стороннего тока.
Расходомеры жидких металлов (натрия, калия, лития и ряда эвтектик), используемые как теплоносители в компактных атомных энергетических установках, работают при температурах до 400...500 °С в сложной радиационной обстановке и должны быть высоко надежными и простыми по конструкции.
При измерении расхода жидких металлов явление поляризации электродов, характерное для воды и ее растворов, отсутствует, поэтому в них можно использовать магнитное поле постоянного магнита, что существенно упрощает конструкцию, схему и процедуру измерения. Магнитный расходомер (МР) так называемой классической конструкции [1] содержит трубу из нержавеющей стали, два измерительных электрода, приваренных к наружной поверхности стенки трубы, постоянный магнит, создающий поле в рабочем объеме канала, и измерительное устройство, причем мерой расхода является разность потенциалов и между электродами.
Поскольку канал прибора не имеет изоляционного покрытия, металлическая труба служит электрическим шунтом сигнала, и по ней протекают токи, которые создают падение напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя расхода, оцениваемое коэффициентом к = и/ В vDl, равным:
кг =
2 Dl /D1
1 + (Dl/D1)2 + (а /а)[ 1 - (Dl/D1 )2 ]
где Dl, D1 — внутренний и наружный диаметры трубы; а, а( — проводимости жидкости и материала трубы, к( < 1 и тем ближе к единице, чем меньше разница между Dl и D2, т. е. чем тоньше стенка трубы и меньше отношение а(/а.
Существенный недостаток такого МР — чувствительность к шунтирующему действию стенки трубы, исключить которое могут специальные схемы измерения с управлением электрическим потенциалом на границе измеряемой среды и внутренней поверхности стенки канала с помощью стороннего тока, пропускаемого через стенку трубы.
Разработаны два вида измерительных систем (ИС), в которых с помощью указанного управления обеспечивается устранение влияния шунтирующего действия стенки трубы путем управления граничными условиями формирования электрического поля в канале МР.
Первые ИС чувствительны к изменениям электрического сопротивления стенки трубы, но нечувствительны к изменению электропроводности среды. В этих ИС мерой расхода выступает сторонний ток I = Е/Я, где Е — ЭДС, индуцируемая в канале в результате взаимодействия потока жидкости с магнитным полем; Я — электрическое сопротивление стенки канала.
Вторые ИС чувствительны к изменению электропроводности измеряемой среды, но нечувствительны к изменениям электрического сопротивления стенки трубы, а мерой расхода выступает сторонний ток I = Е/г, где г — электрическое сопротивление измеряемой среды.
Структурная схема МР, в которой с помощью стороннего тока обеспечивается распределение электрического поля в стенке канала, идентичное электрическому полю в пограничном слое жидкого металла [2] приведена на рис. 1. Преобразователь расхода представлен в виде эквивалентной схемы, состоящей из источника ЭДС Е, внутреннего сопротивления г (сопротивления измеряемой среды) и шунтирующего сопротивления Я, равного сопротивлению стенки канала. Дополнительные ("токовые") электроды приварены к на-
Рис. 1. Структурная схема МР с двумя преобразователями обратной связи:
1 — первичный преобразователь; 2 — компаратор; 3 — преобразователь отрицательной обратной связи; 4 — преобразователь положительной обратной связи
ружной поверхности стенки трубы в тех же местах, где и соответствующие измерительные электроды. Схема измерений содержит два контура обратной связи — отрицательной по напряжению и положительной по току. Роль последней состоит в преобразовании выходного сигнала а в ток I такой величины, при которой напряжение на сопротивлении Я устанавливается практически равным величине Е источника. Это условие обеспечивается при отношении коэффициентов преобразования отрицательной и положительной обратных связей, равном шунтирующему сопротивлению стенки трубы Я, т. е.
Ku /KI = R
(1)
где Ku = U/a — коэффициент преобразования преобразователя 3; K¡ = I/a — коэффициент преобразования преобразователя 4. При выполнении условия (1) электрические потенциалы в стенке и пограничном слое становятся одинаковыми, а режим измерения практически соответствует МР с электроизоляционным покрытием канала. Мерой расхода служит сторонний ток, протекающий через стенку трубы. Связь выходной координаты a с измеряемой величиной E может быть представлена в виде общеизвестной формулы:
a = E
K
1 + кв
где K = К
RRB
rR + RRBX + RBX r
; в = Kw
Полученное уравнение показывает, что система устойчива, в целом работает как система, охваченная отрицательной обратной связью с коэффициентом в, а выходная координата не зависит от величины внутреннего сопротивления г. Если же сопротивление стенки Я по каким-либо причинам изменяется, например от температуры, то нарушение условия (1) приводит к ошибке измерения расхода, как и при продолжительной эксплуатации прибора, когда изменения толщины стенки канала в результате налипания осадков и окислов на ее внутренней поверхности или вымывания из металла стенки каких-либо компонентов изменяют ее электрическое сопротивление.
Известны и другие схемы МР с такими же метрологическими характеристиками, например мостовая схема [2] (рис. 2), в которой имеется всего один контур обратной связи, содержащий преобразователь выходной координаты в электрический ток, при этом условием независимости сигнала мостовой схемы от изменения внутреннего сопротивления г источника ЭДС Е является соотношение Я1Я3/Я2 = Я.
Рассмотренные схемы МР реально повышают их эксплуатационные характеристики.
Рис. 2. Мостовая схема расходомера:
1 — первичный преобразователь; 2 — компаратор; 3 — преобразователь обратной связи
Рис. 3. Схема расходомера с нулевым потенциалом в стенке канала:
1 — первичный преобразователь; 2 — компаратор; 3 — преобразователь обратной связи
Если магнитное поле расходомера создается с помощью электромагнита, то сторонний ток можно поддерживать постоянным, а обратную связь осуществить соответствующим изменением тока возбуждения электромагнита, получив удобную для регулирования величину тока возбуждения выбором параметров катушки возбуждения.
На том же принципе пропускания стороннего тока через электроды можно построить схему МР, нечувствительную к изменениям сопротивления стенки трубы за время эксплуатации [3]. Для этого через электроды и стенку трубы пропускается сторонний ток такой величины, при которой обеспечивается нулевая разность потенциалов между измерительными электродами, а за меру расхода также принимается величина стороннего тока. Такая система представляет собой типовую измерительную схему с отрицательной обратной связью по току (рис. 3), в которой напряжение и между электродами описывается выражением:
U =
E-R r + R
1 -
Ir
(2)
Из формулы (2) следует, что при стороннем токе I = Е/г, разность потенциалов между электродами и = 0. Электрические потенциалы в любом месте внутри стенки становятся одинаковыми и не зависят от сопротивления стенки Я.
В этом случае ток I несет информацию только об ЭДС Е и сопротивлении теплоносителя г и не зависит от сопротивления стенки и его изменений. Однако предлагаемая схема МР чувствительна к изменению электрического сопротивления измеряемой среды. Это сопротивление в процессе эксплуатации прибора считается зависящим только от температуры теплоносителя, которая может контролироваться соответствующими средствами измерений и быть учтена при вычислении расхода.
Расходомеры с управляемыми граничными условиями и аналогичными метрологическими характеристиками могут быть построены с помощью измерительных устройств без обратных связей, например, с применением генератора тока, периодически создающего монотонно нарастающий и убывающий сторонний ток через стенку канала [4], момент достижения которым величины, обеспечивающей тот или иной режим формирования электрического поля в канале, фиксируется системой индикации. Одна из таких схем (рис. 4) содержит генератор переменного тока 3, с помощью которого через трубу расходомера периодически пропускается переменный ток, например, синусоидальной или пилообразной формы. Компаратор 2 фиксирует моменты баланса схемы измерения, когда открывается электронный ключ 4 и выходное напряжение генератора, служащее мерой расхода, подается на индикатор напряжения. Нормирующим сопротивлением Яд устанавливается режим работы: если Яд = Я, то МР работает в режиме, соответствующем схемам рис. 1 и 2, если же Яд = 0, то в соответствии с рис. 3.
Замена первичного преобразователя эквивалентными схемами с сосредоточенными параметрами, как это сделано выше, весьма условна, так
Рис. 4. Схема расходомера с генератором тока:
1 — первичный преобразователь; 2 — компаратор; 3 — генератор тока; 4 — электронный ключ; 5 — индикатор
как он является системой с распределенными параметрами. Так, при цилиндрическом трубопроводе и однородном магнитном поле на некоторых участках внутренней поверхности канала возможны утечки стороннего тока в измеряемую среду и из измеряемой среды в стенку трубы.
Можно предложить два способа устранения местных утечек стороннего тока: применить трубу с переменной толщиной стенок по периметру цилиндрического канала [2] либо использовать неоднородно распределенное магнитное поле возбуждения [5], получаемое применением полюсных наконечников специальной формы.
Положительной особенностью всех рассматриваемых схем является возможность повышения точности расчетной градуировки МР. При этом современная расходомерная техника позволяет отградуировать МР путем передачи ему единицы измерения от эталона расхода воды. Для этого можно использовать, например, вихревой, ультразвуковой или даже корреляционный расходомеры [6—8], отградуированные на воде или имитационными методами, и технологический (т. е. не метрологический) жидкометаллический кон
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.