RU2490597C2 - Method of measurement of liquid metal flow via circulation circuit flow section - Google Patents

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: proposed method comprises measurement of working channel electric resistance between current feed buses at liquid metal zero flow rate and working temperature, forcing liquid metal by electromagnetic pump through said working channel, measuring electromagnetic pump supply current and voltage drop at its working channel between current feed buses to calculate the flow by the formula. Said formula allows for liquid metal flow rate, pump feed current, voltage drop at pump working channel, electric resistance between current feed buses at liquid metal zero flow rate and constant defined by graduation at pump working temperature.

EFFECT: simplified design.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению расхода жидких металлов в циркуляционных контурах различных установок.The invention relates to the field of measuring technology, in particular to measuring the flow of liquid metals in the circulation circuits of various installations.

Известен электромагнитный способ измерения расхода жидкого металла, включающий прокачку его через участок трубопровода, снабженный двумя электродами, присоединенными диаметрально противоположно к его внешней поверхности, и помещенный в магнитное поле [Шерклиф Дж. Теория электромагнитного измерения расхода. М., Мир, 1965]. При движении жидкого металла вдоль трубопровода, помещенного в магнитное поле, в жидкости возникает электродвижущая сила (эдс) индукции, пропорциональная скорости жидкости и определяемая законом Фарадея. Измеряя разность потенциалов между электродами, определяют скорость и вычисляют расход жидкости.A known electromagnetic method for measuring the flow rate of liquid metal, including pumping it through a section of the pipeline, equipped with two electrodes connected diametrically opposite to its outer surface, and placed in a magnetic field [Schercliff J. Theory of electromagnetic flow measurement. M., Mir, 1965]. When a liquid metal moves along a pipeline placed in a magnetic field, an electromotive force (emf) of induction arises in the liquid, proportional to the speed of the liquid and determined by the Faraday law. By measuring the potential difference between the electrodes, determine the speed and calculate the flow rate.

Известен способ прокачки жидких металлов с помощью кондукционных электромагнитных насосов, содержащих магнитную систему и рабочий канал с перекачиваемым жидким металлом, снабженный токоподводящими шинами для пропускания через него постоянного тока в направлении, перпендикулярном магнитному полю. В соответствии с законом Ампера на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, которая и заставляет жидкий металл двигаться вдоль рабочего канала насоса. При движении жидкого металла в магнитном поле такого насоса также возникает эдс индукции, пропорциональная скорости жидкости. Однако индуцированная эдс недоступна для непосредственного измерения, а разность потенциалов между токоподводящими шинами зависит не только от скорости жидкого металла, но и от силы тока, питающего насос.A known method of pumping liquid metals using conductive electromagnetic pumps containing a magnetic system and a working channel with a pumped liquid metal, equipped with current-carrying tires for passing direct current through it in a direction perpendicular to the magnetic field. In accordance with Ampere’s law, a force acting on a conductor with a current in a magnetic field causes the liquid metal to move along the pump’s working channel. When a liquid metal moves in the magnetic field of such a pump, an induction emf also occurs, which is proportional to the velocity of the liquid. However, the induced emf is not available for direct measurement, and the potential difference between the current-carrying buses depends not only on the speed of the liquid metal, but also on the strength of the current supplying the pump.

Ни одно из указанных технических решений в отдельности не позволяет обеспечить комплексное решение задачи прокачки и измерения расхода жидкого металла в циркуляционном контуре. Поэтому требуется два устройства (насос и расходомер), каждое из которых имеет значительные размеры и массу, и соответствующую стоимость.None of the indicated technical solutions individually allows for a comprehensive solution to the problem of pumping and measuring the flow rate of liquid metal in the circulation circuit. Therefore, two devices are required (pump and flow meter), each of which has a significant size and weight, and a corresponding cost.

Цель данного изобретения состоит в исключении указанного недостатка, а именно в исключении излишнего оборудования циркуляционного контура.The purpose of this invention is to eliminate this drawback, namely, to eliminate unnecessary equipment for the circulation circuit.

Для исключения указанного недостатка предлагается:To eliminate this drawback, it is proposed:

- измерять электрическое сопротивление рабочего канала электромагнитного насоса при нулевом расходе жидкого металла при рабочей температуре;- measure the electrical resistance of the working channel of the electromagnetic pump at zero flow rate of liquid metal at operating temperature;

- прокачивать жидкий металл с помощью электромагнитного насоса;- pump liquid metal using an electromagnetic pump;

- измерять силу тока питания электромагнитного насоса I при прокачке жидкого металла;- measure the current strength of the electromagnetic pump I when pumping liquid metal;

- измерять падение напряжения U на рабочем канале электромагнитного насоса при прокачке жидкого металла;- measure the voltage drop U on the working channel of the electromagnetic pump during the pumping of liquid metal;

- определять расход жидкого металла V по соотношению (1), с учетом измеренных величин, перечисленных выше, и градуировочного коэффициента С.- determine the flow rate of liquid metal V by the ratio (1), taking into account the measured values listed above, and the calibration coefficient C.

Способ измерения расхода жидкого металла через проточную часть циркуляционного контура осуществляют следующим образом.The method of measuring the flow rate of liquid metal through the flow part of the circulation circuit is as follows.

1. При закрытом напорном вентиле циркуляционного контура измеряют электрическое сопротивление рабочего канала R₀ при нулевом расходе жидкого металла, при рабочей температуре.1. When the pressure valve of the circulation circuit is closed, the electrical resistance of the working channel R _{0 is} measured at zero flow rate of liquid metal, at operating temperature.

2. Открывают напорный вентиль циркуляционного контура и осуществляют прокачку жидкого металла в циркуляционном контуре с помощью электромагнитного насоса.2. Open the pressure valve of the circulation circuit and pump liquid metal in the circulation circuit using an electromagnetic pump.

3. Измеряют силу тока питания электромагнитного насоса I.3. Measure the current strength of the electromagnetic pump I.

4. Измеряют падение напряжения U на рабочем канале электромагнитного насоса между токоподводящими шинами.4. Measure the voltage drop U on the working channel of the electromagnetic pump between the busbars.

5. Вычисляют расход жидкого металла V по соотношению:5. Calculate the flow rate of liquid metal V in the ratio:

$$V=C\left(U-I{R}_0\right),\left(1\right)$$

$$V=C\left(U-I{R}_0\right),\left(\mathrm{one}\right)$$

где V - расход жидкого металла, м³/с; С - градуировочный коэффициент, определяемый экспериментально, м³/(с·В); U - падение напряжения на рабочем канале электромагнитного насоса, В; I - сила тока питания электромагнитного насоса. А; R₀ - электрическое сопротивление рабочего канала при нулевом расходе жидкого металла, при рабочей температуре.where V is the flow rate of liquid metal, m ³ / s; C is a calibration coefficient determined experimentally, m ³ / (s · V); U is the voltage drop across the working channel of the electromagnetic pump, V; I is the power supply current of the electromagnetic pump. BUT; R ₀ - electrical resistance of the working channel at zero flow rate of liquid metal, at operating temperature.

На фиг.1 представлена эквивалентная электрическая схема кондукционного электромагнитного насоса. На указанном фиг.1 приняты следующие обозначения:Figure 1 presents the equivalent electrical circuit of a conductive electromagnetic pump. In the specified figure 1, the following notation:

I - ток питания насоса;I - pump supply current;

I_ж - ток в жидком металле, заполняющем рабочий канал электромагнитного насоса;I _W - current in liquid metal filling the working channel of the electromagnetic pump;

I_c - ток в стенке рабочего канала электромагнитного насоса;I _c - current in the wall of the working channel of the electromagnetic pump;

Е - электродвижущая сила, индуцируемая в жидком металле, движущемся в рабочем канале электромагнитного насоса;E is the electromotive force induced in the liquid metal moving in the working channel of the electromagnetic pump;

U - напряжение на стенке рабочего канала электромагнитного насоса;U is the voltage on the wall of the working channel of the electromagnetic pump;

R_ж - электрическое сопротивление жидкого металла, между токоподводящими шинами электромагнитного насоса;R _W - electrical resistance of liquid metal, between the current-carrying tires of the electromagnetic pump;

R_c - электрическое сопротивление стенки рабочего канала между токоподводящими шинами электромагнитного насоса, т.е. сопротивление пустого канала.R _c is the electrical resistance of the wall of the working channel between the current-carrying tires of the electromagnetic pump, i.e. empty channel resistance.

Следует заметить, что R_ж и R_c являются постоянными величинами для конкретного насоса и конкретного теплоносителя.It should be noted that R _W and R _c are constant values for a particular pump and a specific coolant.

На основании закона Кирхгофа для электрической цепи можно записать два уравнения:Based on the Kirchhoff law for an electric circuit, two equations can be written:

$$I=I_{ж}+I_{с}\left(2\right)$$

$$I=I_{\mathrm{well}}+I_{\mathrm{from}}\left(2\right)$$

$$E+I_c{R}_c\text{-}{I}_{ж}{R}_{ж}=0\left(3\right)$$

$$E+I_c{R}_c\text{-}{I}_{\mathrm{well}}{R}_{\mathrm{well}}=0\left(3\right)$$

Кроме того, из закона Ома следуетIn addition, Ohm’s law implies

$$U=I_c{R}_c\left(4\right)$$

$$U=I_c{R}_c\left(\mathrm{four}\right)$$

Совместное решение этих уравнений дает выражение для индуцированной эдс в видеThe joint solution of these equations gives an expression for the induced emf in the form

$$E=\left(U-I{R}_{с}{R}_{ж}/\left(R_{с}+R_{ж}\right)\right)\left(1+R_{ж}/R_{с}\right)\left(5\right)$$

$$E=\left(U-I{R}_{\mathrm{from}}{R}_{\mathrm{well}}/\left(R_{\mathrm{from}}+R_{\mathrm{well}}\right)\right)\left(\mathrm{one}+R_{\mathrm{well}}/R_{\mathrm{from}}\right)\left(5\right)$$

Сомножитель при токе питания I представляет собой электрическое сопротивление параллельно включенных сопротивлений стенки рабочего канала и жидкого металла в нем, т.е. сопротивление насоса между токоподводящими шинами R₀.The factor at the supply current I is the electrical resistance of the parallel connected resistances of the wall of the working channel and the liquid metal in it, i.e. the resistance of the pump between the busbars R ₀ .

$$R_{с}{R}_{ж}/\left(R_{с}+R_{ж}\right)=R_0.\left(6\right)$$

$$R_{\mathrm{from}}{R}_{\mathrm{well}}/\left(R_{\mathrm{from}}+R_{\mathrm{well}}\right)=R_0.\left(6\right)$$

Тогда уравнение (5) можно переписать в виде:Then equation (5) can be rewritten in the form:

$$E=\left(U\text{-}I{R}_0\right)\left(1+R_{ж}/R_{с}\right).\left(7\right)$$

$$E=\left(U\text{-}I{R}_0\right)\left(\mathrm{one}+R_{\mathrm{well}}/R_{\mathrm{from}}\right).\left(7\right)$$

Сопротивление R₀ легко измерить, когда индуцированная эдс равна нулю, т.е. при неподвижном жидком металле в рабочем канале.The resistance R _{0 is} easy to measure when the induced emf is zero, i.e. with motionless liquid metal in the working channel.

$$R_0=U_0/I_0,\left(8\right)$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="R"\; filenames="00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_0={\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="U"\; filenames="00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">U</figure-callout>}}_0/{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="I"\; filenames="00000015.png"\; state="\{\{state\}\}">I</figure-callout>}}_0,\left(8\right)$$

где U₀ и I₀ - напряжение и ток, измеренные на пустом канале электромагнитного насоса.where U ₀ and I ₀ are voltage and current measured on the empty channel of the electromagnetic pump.

Итак, для осуществления способа необходимо измерить электрическое сопротивление рабочего канала насоса при нулевом расходе теплоносителя, т.е. при закрытом вентиле на напорной линии. При этом канал насоса должен быть разогрет до рабочей температуры, при которой будет эксплуатироваться насос.So, for the implementation of the method, it is necessary to measure the electrical resistance of the working channel of the pump at zero flow rate, i.e. with the valve closed on the pressure line. In this case, the pump channel must be warmed up to the operating temperature at which the pump will be operated.

С другой стороны, эдс, индуцированная в жидкости при ее движении в магнитном поле, в соответствии с законом Фарадея, равнаOn the other hand, the emf induced in a liquid during its movement in a magnetic field, in accordance with the Faraday law, is

$$E=BWL,\left(9\right)$$

$$E=BWL,\left(9\right)$$

где В - магнитная индукция, известная и постоянная величина для конкретного насоса, W - скорость жидкости, L - размер канала между электродами. В случае круглой трубы это - внутренний диаметр, а в случае прямоугольного канала - его высота. В любом случае - это постоянная величина для конкретного канала.where B is the magnetic induction, a known and constant value for a particular pump, W is the fluid velocity, L is the size of the channel between the electrodes. In the case of a round pipe, this is the inner diameter, and in the case of a rectangular channel, its height. In any case, this is a constant value for a particular channel.

Объемный расход жидкости V равенThe volumetric flow rate of liquid V is

$$V=WS,\left(10\right)$$

$$V=WS,\left(10\right)$$

где S - поперечное сечение канала.where S is the cross section of the channel.

Из формул (8, 9, 10) следует формула для определения расхода жидкого металлаFrom formulas (8, 9, 10) follows the formula for determining the flow rate of liquid metal

$$V=\left(U\text{-}I{R}_0\right)\left(1+R_{ж}/R_{с}\right)S/BL.\left(11\right)$$

$$V=\left(U\text{-}I{R}_0\right)\left(\mathrm{one}+R_{\mathrm{well}}/R_{\mathrm{from}}\right)S/BL.\left(\mathrm{eleven}\right)$$

Обозначив постоянную для конкретного насоса величину (1+R_ж/R_c)S/BL коэффициентом С, получим приведенную выше формулу (1)Denoting the constant for a particular pump value (1 + R _W / R _c ) S / BL coefficient C, we obtain the above formula (1)

$$V=C\left(U-I{R}_0\right),\left(1\right)$$

$$V=C\left(U-I{R}_0\right),\left(\mathrm{one}\right)$$

где С - постоянная величина, равнаяwhere C is a constant equal to

$$C=\left(1+R_{ж}/R_{с}\right)S/BL\left(12\right)$$

$$C=\left(\mathrm{one}+R_{\mathrm{well}}/R_{\mathrm{from}}\right)S/BL\left(12\right)$$

Поэтому для определения расхода по предлагаемому способу достаточно измерить, кроме сопротивления R₀, ток питания насоса и падение напряжения на рабочем канале между токоподводящими шинами.Therefore, to determine the flow rate by the proposed method, it is sufficient to measure, in addition to resistance R ₀ , the pump supply current and the voltage drop on the working channel between the current-carrying buses.

Однако вычисление коэффициента С по формуле (12) сопряжено со значительными погрешностями физических величин, входящих в нее. Достаточно сказать, что измерение магнитной индукции доступными приборами дает погрешность 1,5-2,5%. Поэтому, как и в известном электромагнитном способе измерения расхода, нужно произвести экспериментальную градуировку и определить коэффициент С.However, the calculation of the coefficient C by the formula (12) is associated with significant errors in the physical quantities included in it. Suffice it to say that the measurement of magnetic induction with available devices gives an error of 1.5-2.5%. Therefore, as in the well-known electromagnetic method of measuring flow, it is necessary to carry out experimental calibration and determine the coefficient C.

Таким образом, формула (1) позволяет определить расход жидкого металла, создаваемого кондукционным насосом, без применения каких бы то ни было расходомеров.Thus, formula (1) allows you to determine the flow rate of the liquid metal created by the conductivity pump, without the use of any flow meters.

Пример конкретного осуществления способаAn example of a specific implementation of the method

Данный способ был реализован в опытном образце кондукционного электромагнитного насоса, имеющего следующие параметры:This method was implemented in a prototype conductive electromagnetic pump having the following parameters:

Диаметр подсоединительных патрубков, ммDiameter of connecting branch pipes, mm 11eleven Ширина сплющенной части рабочего канала, ммThe width of the flattened part of the working channel, mm 33 Высота сплющенной части рабочего канала, ммThe height of the flattened part of the working channel, mm 1616 Магнитная индукция, ТлMagnetic induction, T 0,1840.184 Масса насоса, кгMass of the pump, kg 55 Ток питания, АSupply Current, A 200200 Перекачиваемая средаPumped medium натрийsodium Температура натрия, °СSodium temperature, ° С 425425 Электрическое сопротивление рабочего канала насоса при неподвижном натрии при температуре 425°С, ОмThe electrical resistance of the working channel of the pump with motionless sodium at a temperature of 425 ° C, Ohm 76,5·10^-6 76.510 ^-6 Напор на закрытый вентиль, ПаPressure on the closed valve, Pa 1000010,000 Производительность насоса (расход), м³/сPump productivity (expense), m ³ / s 10^-4 10 ^-4 Напряжение на рабочем канале, ВVoltage on the working channel, V 14,5·10^-3 14.5 · 10 ^-3

Рабочий канал насоса выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т, магнитное поле создавалось постоянными магнитами, изготовленными из железо-никель-кобальтового сплава ЮН 13ДК24.The working channel of the pump is made of stainless steel X18H10T, the magnetic field was created by permanent magnets made of UN 13DK24 iron-nickel-cobalt alloy.

Испытания насоса и его градуировка в режиме расходомера производились на экспериментальном стенде, обеспечивающем возможность определения расхода натрия по времени заполнения мерного бака известного объема. Погрешность определения расхода, воспроизводимого на экспериментальном стенде, составляла ±0,8%. Градуировочная зависимость представлена на фиг.2 в виде (U-IR₀)=f(V), где U - измеренное падение напряжения на рабочем канале, I - измеренный ток питания электромагнитного насоса,Tests of the pump and its calibration in the flowmeter mode were carried out on an experimental bench, which provided the possibility of determining the sodium flow rate from the time it takes to fill a volumetric tank of known volume. The error in determining the flow rate reproduced on the experimental bench was ± 0.8%. The calibration dependence is presented in Fig. 2 in the form (U-IR ₀ ) = f (V), where U is the measured voltage drop across the working channel, I is the measured supply current of the electromagnetic pump,

R₀ - измеренное электрическое сопротивление рабочего канала электромагнитного насоса,R ₀ is the measured electrical resistance of the working channel of the electromagnetic pump,

V - расход натрия, вычисленный по формуле (1) описания изобретения.V is the consumption of sodium, calculated by the formula (1) of the description of the invention.

Технический результат использования данного способа измерения расхода состоит в снижении капитальных затрат и стоимости эксплуатации циркуляционного контура.The technical result of using this method of flow measurement is to reduce capital costs and operating costs of the circulation circuit.

Claims (1)

Способ измерения расхода жидкого металла через проточную часть циркуляционного контура, включающий измерение электрического сопротивления рабочего канала между токоподводящими шинами при нулевом расходе и рабочей температуре жидкого металла, прокачку жидкого металла электромагнитным насосом через рабочий канал, измерение силы тока питания электромагнитного насоса и падения напряжения на его рабочем канале между токоподводящими шинами, и вычисление расхода по формуле V=C(U-IR₀), где V - расход жидкого металла, м³/с; I - сила тока питания насоса, А; U - падение напряжения на рабочем канале насоса, В; R₀ - электрическое сопротивление рабочего канала насоса при нулевом расходе, Ом; С - постоянная величина, которую определяют градуировкой при рабочей температуре насоса, м³/(с·B). A method for measuring the flow rate of liquid metal through the flow path of a circulation circuit, including measuring the electrical resistance of the working channel between current-carrying tires at zero flow rate and working temperature of the liquid metal, pumping liquid metal by an electromagnetic pump through the working channel, measuring the current strength of the electromagnetic pump and the voltage drop across its working the channel between the current-carrying tires, and the calculation of the flow rate according to the formula V = C (U-IR ₀ ), where V is the flow rate of liquid metal, m ³ / s; I is the power supply current of the pump, A; U is the voltage drop across the working channel of the pump, V; R ₀ - electrical resistance of the working channel of the pump at zero flow rate, Ohm; C is a constant value, which is determined by calibration at the operating temperature of the pump, m ³ / (s · B).

Images