книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

проволок диаметром 0,3 мм, размещенных по окружности ци­ линдрического кольца диаметром 55 мм. Стыки термопар выве­ дены во внутреннюю часть кольца. Нагревание горячих спаев производится нихромовой проволочкой, укрепленной на спаях бакелитовым лаком. Такой преобразователь реагирует на сред­ ний расход по окружности данного диаметра.

Измерительные схемы термоанемометров. Подставляя в урав­ нение (36) значение W = Ri2y где R — сопротивление термонити, a i — сила тока в ней, получим уравнение измерения термоанемо­ метра с проволочным преобразователем

т 2 = (т п - тс) i (о + bvn).

Полагая в нем i = const и дифференцируя, найдем, что dR/dvy т. е. чувствительность измерения уменьшается с ростом о. Точно так же, полагая R = const и дифференцируя, получим, что di/dv тоже падает с ростом и. Таким образом, проволочные термоане­ мометры обладают наибольшей чувствительностью при измере­ нии небольших скоростей. Увеличение температуры нагрева Тп повышает чувствительность прибора. Для повышения чувстви­ тельности при измерении больших скоростей применяют соответ­ ствующие измерительные схемы.

У термоанемометров с полупроводниковыми терморезистора­ ми зависимость чувствительности от скорости v иная. Для них уравнение теплообмена имеет вид

Ri = OLF (Гп - Тс),

где а — коэффициент теплопередачи; F — поверхность терморе­ зистора.

Зависимость сопротивления R терморезистора от температуры Тп определяется уравнением

R = AeB' T°,

где А и В — постоянные.

Дифференцируя уравнение теплообмена в режиме Гп = const,

найдем, что di/dv пропорционально [F(Tn - Тс) / А е ^ 7"]0,5 •от­ куда следует, что чувствительность по силе тока i возрастает с ростом Тп. Чувствительность же по напряжению на терморези­ сторе du/dv = Rdi/dv тоже увеличивается с ростом Тп.

Как показано в работе [6], максимум du/dv достигается при Тп = = В/2 - (В2/4 - ВГС)0’5. С увеличением Тс оптимальная разность Тп - Тс возрастает с 37° при Тс = 283 К (10 °С) до 53° при Тс =

=333 К (60 °С).

Втермокондуктивных анемометрах для измерения R или i обычно применяют мостовые схемы. Термонить или терморезис­ тор образуют одно из плеч моста. В другое плечо, если предус­

91

мотрена компенсация температуры потока, включается термонить или терморезистор, воспринимающий температуру потока, но не реагирующий на его скорость. Для этого чувствительный элемент помещают в трубку или оболочку, защищающую его от охлаждаю­ щего действия скорости потока, или же пропускают через него малую силу тока, не нагревающего его. В одной из схем [39] ма­ лый ток силой 4 мА пропускается не только через компенсацион­ ный, но также и через измерительный элемент. Рядом с послед­ ним расположена обогревающая обмотка, через которую течет ток силой 18 мА. Остальные плечи моста образуют постоянные резисторы. Мост уравновешен при скорости потока, равной нулю. При схеме i = const разность потенциалов на вершине моста будет мерой скорости потока. При схеме Тп= const (R = const) мост урав­ новешивается вручную или автоматически путем изменения на­ пряжения питания. Скорость измеряется по силе тока нагрева i или по шкале, связанной с регулирующим реохордом. Предложе­ но много различных схем для линеаризации шкал термоанемо­ метров.

Имеются особые разновидности термоанемометров либо для решения отдельных задач, либо отличающиеся устройством пре­ образователя. Так, для измерения очень малых скоростей возду­ ха (0,01-0,1 м/с), для которых уравнение (36) неприменимо, потому что усиливается влияние теплоотдачи, обусловленной сво­ бодной конвекцией и разными случайными причинами, разрабо­ тан [36] анемометр, преобразователь которого непрерывно вибри­ рует с угловой частотой со и амплитудой vB. Напряжение выход­ ного сигнала Е будет изменяться здесь по закону Е = а + Ь(i> + + i>Bsin о t), где v — измеряемая скорость потока.

При измерении расхода воды во избежание выделения из нее растворенного газа, а также образования пара вместо нагрева по­ лупроводникового терморезистора можно производить на основе эффекта Пельтье его охлаждение.

3.5. ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ

Существенный недостаток рассмотренных калориметрических и термоконвективных расходомеров — их большая инерционность. В связи с этим были предложены и разработаны [28] тепловые расходомеры, у которых нагрев потока производится с помощью энергии электромагнитного поля высокой частоты ВЧ (порядка 100 МГц), сверхвысокой частоты СВЧ и инфракрасного диапазо­ на ИК.

В первом случае для нагрева протекающей жидкости снаружи трубопровода устанавливают два электрода, к которым подается напряжение Е высокой частоты / от источника, каким может служить мощный ламповый генератор. Электроды вместе с жид­ костью между ними образуют конденсатор. Мощность W 9 выде­

92

ляемая в виде теплоты в объеме жидкости F, находящемся в элек­ трическом поле Е9 пропорциональна его частоте и зависит от ди­ электрических свойств жидкости в соответствии с формулой

где е' — действительная составляющая комплексной диэлектри­ ческой проницаемости; tg 5 — тангенс угла диэлектрических потерь.

Хотя скорость прогрева жидкости в электрическом поле весь­ ма велика, тем не менее достигаемая конечная температура зави­ сит бтскорости движения жидкости и уменьшается с увеличени­ ем последней. Это позволяет судить о расходе путем измерения степени нагрева жидкости. При очень большой скорости жид­ кость уже не успевает прогреваться в конденсаторе ограничен­ ных размеров. В случае измерения расхода растворов электроли­ тов, электропроводность которых сильно зависит от температу­ ры, измерение степени нагрева целесообразно осуществлять путем измерения электропроводности жидкости. При этом нагре­ вательный элемент совмещается с чувствительным и достигается наибольшее быстродействие расходомера. В приборах [11] приме­ няется метод сравнения электропроводности в трубке, где проте­ кает жидкость, и в аналогичной замкнутой емкости с электрода­ ми, где находится такая же жидкость при постоянной температу­ ре. Измерительная схема состоит из высокочастотного генерато­ ра, подающего через разделительные конденсаторы напряжение на два колебательных контура. Параллельно одному из них под­ ключен конденсатор с проточной жидкостью, а к другому — кон­ денсатор с неподвижной жидкостью. При изменении расхода пос­ ледней изменяется падение напряжения на одном из контуров, а следовательно, и разность напряжений между обоими контура­ ми, которая и измеряется. Эта схема пригодна для электролитов. Если жидкость обладает очень большой электропроводностью, то для измерения степени ее нагрева можно применять обычные тер­ мопреобразователи, например термопары [11]. Но в этом случае быстродействие прибора уменьшится.

Объем протекающей жидкости V, находящейся в высокочас­ тотном поле, а следовательно, и размеры емкостной ячейки мож­ но найти из уравнения (37) для заданного максимального расхо­ да QMи требуемой степени нагрева АТ, учитывая, что W = с ДTQM (с — теплоемкость жидкости).

Высокочастотный нагрев можно применить и для диэлектри­ ческих жидкостей, основываясь на зависимости диэлектрической проницаемости жидкости от температуры.

В случае применения для нагрева потока поля сверхвысокой частоты последнее от своего источника может с помощью трубча­ того волновода подаваться к трубке, по которой движется изме­ ряемое вещество. На рис. 55 показан преобразователь подобного расходомера, разработанный в Ленинградском технологическом

93

Рис. 55. Преобразователь теплового расходомера с СВЧ-излучателем

институте им. Ленсовета (ЛТИ) [28]. Поле, генерируемое магне­ троном 3 непрерывного действия типа М-857 мощностью 15 Вт, по­ дается по волноводу 2, начальная часть которого снабжена для охлаждения ребрами 12. Измеряемая жидкость движется по труб­ ке 1 из фторопласта с внутренним диаметром 6 мм и толщиной стенки 1 мм. С помощью ниппелей 4 трубка 1 соединена с вход­ ными патрубками 5. Часть трубки 1 проходит внутри волновода 2. В случае полярных жидкостей трубка 1 пересекает волновод 2 под углом 10-15°. При этом будет минимальным отражение энер­ гии поля стенкой трубки и потоком жидкости. В случае слабопо­ лярной жидкости для увеличения ее количества, находящегося в электромагнитном поле, трубку 1 размещают в волноводе па­ раллельно его оси. Объем V жидкости, находящейся в поле, мож­ но найти из уравнения (37). Для контроля степени нагрева жид­ кости служат емкостные преобразователи 6, расположенные сна­ ружи трубки и включенные в колебательные контуры двух гене­ раторов высокой частоты 7 и 8. Сигналы этих генераторов поступают в блок смешения 9, с которого снимается разностная частота биений входных сигналов, зависящая от расхода жидко­ сти. Преобразователь расхода смонтирован на плате 10 и поме­ щен в экранирующий защитный кожух 11. Частота генератора СВЧ-поля выбирается при максимальном значении, а частота из­

мерительных генера­ торов 7 и 8 — при минимальном значе­ нии тангенса угла диэлектрических по­ терь tg 8. Для воды первая частота оказа­ лась равной 10 кГц, а вторая 10 МГц.

94

честве которого применены малогабаритные кварцево-йодные лампы типа КГМ. Они могут создавать большие удельные потоки излучения, достигающие 40 Вт/см2. К двум патрубкам 1 с помо­ щью уплотнений 3 присоединена трубка 2 из кварцевого стекла, прозрачная для инфракрасного излучения. Вокруг нее плотно расположены лампы нагрева 4 с экранами 5, охлаждаемыми во­ дой. Экраны покрыты слоем серебра, хорошо отражающим лучи. Это концентрирует энергию излучения и уменьшает ее потери в окружающую среду. Разность температур измеряется дифференци­ альной термобатареей 6, спаи которой размещены на наружной поверхности патрубков 1 или же с помощью емкостных преобра­ зователей, располагаемых на наружной поверхности кварцевой трубки 2. Вся конструкция помещена в теплоизолирующий кожух 7. Внутренний диаметр d кварцевой трубки должен удовлетворять неравенству d < 2т/х, где т — оптическая толщина слоя среды (наи­ большая эффективность лучистого теплообмена будет при т = 1,5-н2); х — средний коэффициент поглощения измеряемой среды.

Измерение средней температуры потока с помощью термопар или терморезисторов достигается при их расположении на рас­ стоянии I от нагревателей, которое определяется из неравенства I > 0,025Рemaxd, где Ретах — число Пекле при максимальном рас­ ходе. Инерционность кварцево-йодных излучателей не более 0,6 с.

Рассмотренные тепловые расходомеры с СВЧ- и ИК-излучате- лями исследовались на воде и водно-кислых смесях ацетонитри­ ла при расходах до 20 кг/ч. Погрешность измерения не превыша­ ла ±2,5 % , постоянная времени в пределах 10-20 с, уменьша­ ясь с ростом расхода. Больше оснований для применения СВЧ- и ИК-излучателей в тепловых меточных расходомерах, погрешность которых лежит в пределах ±1,5% . Но СВЧ- и ИК-излучатели пригодны лишь для небольших диаметров труб (не более 10 мм) и преимущественно для жидкостей. Они непригодны для одно­ атомных газов.

3.6. ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ С ЖИДКОСТНЫМ ИЛИ ГАЗОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Для измерения расхода пульп, высокотемпературных сред и различных веществ в потенциально опасных технологических процессах были предложены и нашли применение тепловые рас­ ходомеры с жидкостным теплоносителем, обычно водой. При этом в большинстве случаев вода охлаждает, а не нагревает измеряе­ мое вещество.

Схема такого расходомера [14] приведена на рис. 57. Вода, расход которой QMB поддерживается постоянным (например, с по­ мощью напорного бака с переливом), проходит через теплообмен­ ник 4уохлаждая измеряемое вещество, протекающее через трубу 5.

95

и 7, контролирующие раз­ ность температур АТ измеряемого вещества. Из уравнения балан­ са тепла QMcAT = QMсв ДТв находим массовый расход измеряе­

где с и св— теплоемкости вещества и воды соответственно.

ЭДС дифференциальной термопары, контролирующей АГС, срав­ нивается с помощью автоматического компенсатора 8 с напряже­ нием на части г реохорда Др, включенного в цепь дифференци­ альной термопары, контролирующей АТ. Реверсивный двигатель 10 перемещает движок реохорда ЛL, пока сигнал на входе в уси­ литель 9 не станет равным нулю. Тогда получим r/Rp - АТВ/АТ, следовательно, QM= kr/Rp, где k = QMB (св /с) .

Большую чувствительность можшЛюлучить [15], если приме­ нять в качестве термопреобразователей полупроводниковые тер­ морезисторы, включенные в две мостовые схемы, разность на­ пряжений на выходе которых с помощью автоматического ком­ пенсатора делается равной нулю. Необходимо, чтобы АТ и ДТВ соответствовали среднемассовым разностям температур потоков. Для этого необходимы хорошая термоизоляция всего преобразо­ вателя и достаточная длина / участка между теплообменником

итермопреобразователем 7, контролирующим выходную темпе­ ратуру измеряемого вещества, с тем чтобы в зоне его установки была достигнута равномерность температурного поля. Особенно трудно это обеспечить при малых скоростях в ламинарной и пе­ реходной областях. Эффективно применение завихрителей пото­ ка, а также барботажное перемешивание с помощью воздуха.

По характеру работы рассматриваемые тепловые расходомеры относятся к калориметрической группе. В табл. 3 приведена ха­ рактеристика разработанных в ЛТИ тепловых расходомеров типа РКВ с жидкостным теплоносителем [4]. В табл. 3 обозначено: L

и! т — длины преобразователя и теплообменника. Постоянные

96

Т а б л и ц а 3 Характеристика тепловых расходомеров РКВТ с жидкостным теплоносителем

времени расходомеров приведены от 10 до 60 с в зависимости от типа термоприемников. Как следует из табл. 3, приборы с жид­ костным теплоносителем применяют для измерения расхода са­ мых различных сред» различающихся высокой вязкостью» зна­ чительной температурой, осадкообразующих и двухфазных, в условиях, где ранее рассмотренные тепловые расходомеры ед­ ва ли применимы. К достоинствам их следует отнести помимо надежности работы и возможности взрывобезопасного испол­ нения также независимость показаний от зарастания стенок трубы и ухудшения теплопередачи в теплообменнике при ус­ ловии, что отношение Д!ГВ/ДТ не будет изменяться. Кроме того, для рассматриваемых расходомеров пригодна расчетная гра­ дуировка.

Вспомогательный теплоноситель в тепловых расходомерах применяется не только в качестве основного источника нагре­ ва или охлаждения измеряемого вещества. Так, не всегда мож­ но обеспечить экспериментальную градуировку теплового рас­ ходомера с электрическим нагревом. В этом случае вспомога­ тельный теплоноситель, нагреваемый за счет потери тепла пре­ образователем расходомера, может обеспечить расчетную гра­ дуировку.

3.7. ПАРЦИАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Термоконвективные тепловые преобразователи расхода изго­ товляют обычно лишь для труб малого диаметра. В случае при­ менения этих преобразователей в качестве парциальных они мо­ гут служить также и для измерения средних и больших расхо­

97

ния, образующими два плеча электрического моста, по разбалан­ су которого определяется расход потока.

В качестве примера парциального термоконвективного расхо­ домера на рис. 58 показана схема [34], разработанная фирмой «Хастингс—Райдист» {Hastings—Ridist). Ее особенность — от­ сутствие отдельного проволочного нагревателя. Нагревается сама обводная трубка 3, включенная в контур вторичной обмотки транс­ форматора 6. С появлением расхода возникает разность темпера­ тур по длине трубки 3, которая воспринимается двумя термопа­ рами 4 и измеряется милливольтметром 5. Мощность нагрева постоянная. Расходомер работает на восходящей ветви кривой. Диафрагма 1 создает разность давлений у концов трубки 3, а диа­ фрагма 2 обеспечивает пропорциональность между основным Q и парциальным q расходами. Во избежание засорения трубки 3, которое может нарушить соотношение между расходами Q и д, обводную трубку рекомендуется присоединять к верхней части основного трубопровода.

Иногда встречаются схемы [34] парциальных термоконвек­ тивных расходомеров, где автоматически поддерживается по­ стоянный расход q в обводной трубке путем изменения степе­ ни открытия регулирующего клапана в основном трубопрово­ де. Такая схема разработана в Иркутском НИИхиммаше для измерения расхода тяжелых остатков перегонки нефти от 0,14 до 7 г/с и расхода воздуха от 0,02 до 3 м3/с при давлении 32 МПа. В основном трубопроводе между местами присоеди­ нения обводной трубки установлен клапан. Самоуравновешивающийся электрический мост, снабженный пневматическим ре­ ле на выходе, поддерживает постоянную разность температур в термоконвективном преобразователе, перемещая с помощью пневматического исполнительного механизма клапан так, чтобы перепад на концах обводной трубки, а значит, и расход q в ней оставался неизменным. Расход Q определяют по степени открытия клапана, чтобы избежать малой скорости в обводной трубке и ее засорения.

98

3.8. ТЕПЛОВЫЕ МИКРОРАСХОДОМЕРЫ

Тепловые расходомеры термоконвективного типа, не имеющие контакта с измеряемым веществом, весьма удобны для измере­ ния малых расходов как жидкостей, так и газов при любом дав­ лении последних. Чтобы иметь развитую начальную восходящую ветвь градуировочной кривой (при постоянной мощности нагре­ ва) чаще применяют симметричное расположение термопреобра­ зователей относительно нагревателя. Расходомер, характеристи­ ки которого показаны на рис. 41, 42, может измерять расходы во­ ды от 1 см3/ч и выше, а расходомер, изображенный на рис. 46, в котором нагревается петлеобразный участок трубы диаметром 1 мм, измеряет расходы воды от 1-2 г/ч.

Кроме того, для измерения очень малых расходов предло­ жены тепловые расходомеры специальных конструкций, или работающих в особых тепловых режимах. В одном из них в тру­ бе диаметром 4 мм установлен термистор, нагреваемый им­ пульсами тока длительностью 1 мс. Генератор импульсов включается, когда температура термистора снижается до не­ которого заданного значения. Очевидно, частота включения импульсов будет мерой расхода. С увеличением последнего час­ тота возрастает. На расстоянии 6 мм от нагреваемого термисто­ ра помещен второй такой же термистор, служащий для компен­ сации температуры потока. Измеряется расход жидкости от 0,03 до 0,3 см3/с.

Для измерения очень малых расходов газа до 10 4 мм3/с при­ менены две тонкие нагреваемые проволочки диаметром 1,27 мм, расположенные близко по ходу потока и включенные дифферен­ циально в мостовую схему. С возрастанием расхода первая по ходу проволочка будет охлаждаться, а вторая — нагреваться. Для нагрева служат проволочки, расположенные рядом с измеритель­ ными.

В специальной конструкции калориметрического расходоме­ ра, в котором проволочный нагреватель пересекает прямоуголь­ ный водовод высотой 1 мм и шириной 9,7 мм, а для измерения разности температур имеется большое число медно-константано- вых пластинок, установленных до и после нагревателя, измерял­ ся расход воды от 0,04 см3/ч . Известны также расходомеры с высокочастотным нагревом, измеряющие расход электролитов от 0,5 см3/ч.

Меточный метод сравнительно редко применяют для измере­ ния малых расходов. Для этой цели наиболее подходят тепловые метки, перекрывающие обычно все сечение трубы маленького диаметра.

Для измерения расхода жидкости метками могут служить воз­ душные пузырьки, например, они служили для измерения мик­ рорасходов (50-100 г/ч) в трубе диаметром 2-4 мм.

99

Г л а в а 4

ОПТИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Оптическими называются расходомеры, основанные на зави­ симости от расхода вещества того или другого оптического эф­ фекта в потоке. Имеется несколько разновидностей этих при­ боров:

1)допплеровские расходомеры, основанные на измерении раз­ ности частот, возникающей при отражении светового луча дви­ жущимися частицами потока;

2)расходомеры, основанные на эффекте Физо—Френеля, в ко­ торых измеряется какой-либо параметр (сдвиг интерференцион­ ных полос или сдвиг частоты световых колебаний), связанный

сзависимостью скорости света в движущемся прозрачном веще­ стве от скорости последнего;

3)расходомеры, основанные на особых оптических эффектах, например, зависимости оптических свойств фибрового световода от скорости обтекающего его потока;

4)расходомеры, основанные на измерении времени перемеще­ ния на определенном участке пути оптической метки, введенной в поток;

5)корреляционные оптические расходомеры.

Так как последние две разновидности — частные случаи ме­ точных или корреляционных расходомеров, то они рассматрива­ ются в гл. 8 и 9.

Иногда оптическими расходомерами называют приборы, опре­ деляющие расход жидкости, вытекающей из емкости путем из­ мерения оптическими методами высоты уровня в нем или же путем измерения интенсивности выхода из емкости флуоресцирующих частиц, предварительно введенных в жидкость и распределенных в ней равномерно.

Развитие основных разновидностей оптических расходомеров стало возможно после создания мощных и надежных оптических квантовых генераторов ОКГ, часто называемых лазерами, в свя­ зи с чем оптические расходомеры нередко называют лазерными.

Оптические расходомеры имеют много достоинств: высокие точность и быстродействие, отсутствие контакта с измеряемым веществом и ряд других. Они применяются для оптически про­ зрачных жидкостей, к которым относятся вода, керосин, бензин, спирт, четыреххлористый углерод, растворы серной и азотной кислот, а также для газов.

Основные среди рассматриваемых оптических приборов — доп­ плеровские. Они применяются главным образом для измерения местных скоростей жидкости и газа в различных исследователь­

100