Имитационный метод моделирования работы магнитных расходомеров

Рассмотрены вопросы испытаний магнитных расходомеров для жидкого металла и исследований их метрологических характеристик. Существующие проливочные расходомерные установки для жидкого металла непригодны для экспериментальных исследований составляющих погрешности, поэтому необходимо использовать имитационные методы моделирования работы магнитных расходомеров. Для испытаний требуются жидкометаллические стенды или методы, которые позволяют исследовать расходомеры без стендов и обеспечивают воспроизведение расхода в различных режимах эксплуатации. По аналогии с имитационным методом исследований расходомеров воды разработан имитационный метод моделирования работы магнитных расходомеров. Предложенным методом оценена погрешность магнитных расходомеров в режиме эксплуатации. Рассмотрены составляющие погрешности магнитных расходомеров, обусловленные нарушением геометрии первичного преобразователя (размеров и расположения электродов, конструкции катушек индуктора), изменением гидродинамического режима, температурной зависимостью шунтирующего эффекта стенки трубопровода. Выведено выражение для сигнала первичного преобразователя в виде интеграла по внутренней поверхности трубы от произведения радиальной составляющей магнитного поля на внутренней поверхности канала и поверхностной весовой функции. Полученное интегральное выражение лежит в основе предложенного имитационного метода моделирования работы магнитных расходомеров. Данное выражение можно интерпретировать как магнитный поток через расположенную на внутренней поверхности канала индукционную катушку, витки которой проведены по линиям уровня поверхностной весовой функции. При внесении такой катушки в канал расходомера проинтегрированное по времени напряжение, индуцированное в катушке, будет пропорционально напряжению между электродами расходомера. Поверхностная весовая функция зависит от геометрии канала, кинематической структуры потока, отношения проводимостей стенки и жидкости, поэтому имитационным методом можно исследовать метрологические характеристики расходомера при изменении каждого указанного выше фактора по отдельности или всех сразу. Для этого при моделировании индукционной катушки достаточно учесть ту поверхностную весовую функцию, которая отражает какой-либо исследуемый фактор или совокупность факторов. Имитационным методом исследованы зависимости сигналов расходомера от распределения скорости жидкости в канале и шунтирующего эффекта стенки трубопровода.

1. Субботин В. И., Арнольдов М. Н., Козлов Ф. А., Шимкевич А. Л. Жидкометаллические теплоносители для ядерной энергетики. Атомная энергия, 92(1), 31–42 (2002). https://elibrary.ru/mpmxvl

2. Вельт И. Д., Дьяконова Е. А., Михайлова Ю. В., Терехина Н. В. Магнитный расходомер для быстрых натриевых реакторов. Атомная энергия, 122(4), 203–209 (2017). https://elibrary.ru/ymrgtl

3. Шерклиф Дж. Теория электромагнитного метода измерения расхода. Под ред. Ватажина А. Б. Мир, Москва (1965).

4. Вельт И. Д., Михайлова Ю. В. Методы и средства масштабных исследований электромагнитных расходомеров. Датчики и системы, 92(1), 12–17 (2007). https://elibrary.ru/kxctap

5. Козлов Ф. А., Алексеев В. В., Волчков Л. Г. и др. Технология использования натрия как теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах (БН). Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов, (4), 41–53 (2008). https://elibrary.ru/jtyggp

6. Ватажин А. Б, Регирер С. А. Электрические поля в каналах магнитогидродинамических устройств. В кн. Шерклиф Дж. Теория электромагнитного метода измерения расхода. Под ред. Ватажина А. Б. С. 205–266, Мир, Москва (1965).

7. Salami L. A. Application of a computer to asymmetric fl ow measurement in circular pipes. Transactions of the Institute of Measurement and Control, 6(4), 197–206 (1984). https://doi.org/10.1177/014233128400600403

8. Никурадзе И. Закономерности турбулентного потока в гладких трубах. Сборник пер. статей «Проблемы турбулентности». Под ред. М. А. Великанова, Н. Т. Швейковского. С. 75–150, ОНТИ НКТП СССР. Главная редакция общетехнической литературы и номографии, Москва, Ленинград (1936).

9. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Под ред. Л. Г. Лойцянского. Наука, Москва (1974).

10. Колмогоров А. Н., Фомин С. В. Элементы теории функций и функционального анализа. Изд. 7. Физматлит, Москва (2004).

11. Elrod H. G., Jr., Fouse R. R. An Investigation of Electromagnetic Flowmeters. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 74(4), 589–594 (1952). https://doi.org/10.1115/1.4015845