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

ских работах по изучению турбулентности, снятию поля скорос­ тей и т. д. Для измерения расхода они применяются реже. При­ боры же, основанные на эффекте Физо—Френеля, предназначе­ ны именно для измерения расхода. Оптические расходомеры и ско­ ростемеры обычно применяются в трубах небольшого диаметра.

4.2. ДОППЛЕРОВСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ И СКОРОСТЕМЕРЫ

Принцип действия. Принцип действия допплеровских опти­ ческих и акустических (ультразвуковых) расходомеров и скорос­ темеров один и тот же. Эти приборы основаны на измерении раз­ ности частот А/, возникающей при отражении светового или зву­ кового луча движущимися частицами потока. Поэтому и для опти­ ческих расходомеров справедливо уравнение f 1 - f2 = f\ (cos a - - cos a") v/c с учетом того, что скорость света в измеряемом ве­ ществе равна с/л, где л — показатель преломления данного ве­ щества, а отношение f/c = 1/Х0, где XQ — длина волны излучения в пустоте.

где k = Х0пГ1(cos а' + cos а")~1 — градуировочный коэффициент. Средняя квадратическая погрешность, % , измерения скорос­

ти v определяется уравнением

^(Да"sin а')2 + (Да*sin o p 2 cos а' + cos а0

где Д (f1 - f2); Ап; АХ0; Да'; Да" — максимальные погрешности величин (ft - f2); л; Х0; а ; а".

Погрешности Ап и ДХ0 пренебрежимо малы, так как скорость света в жидкости или газа, а значит и показатель преломления л отличаются высокой стабильностью, а источники монохромати­ ческого излучения — лазеры — обеспечивают неизменность час­ тоты /, а следовательно, и Х0 с высокой степенью точности. По­ этому погрешность c v будет зависеть лишь от погрешности градуи­ ровочного коэффициента ok, определяемой точностью измерения

101

применения высокоточного цифрового частотомера будет очень мала. Поэтому общая погрешность o v будет весьма близка к по­ грешности ok. Погрешность же измерения расхода будет больше в зависимости от точности определения площади потока и со­ ответствия между измеренной и средней скоростями.

Отражение (или рассеивание) света происходит от большого числа естественных (микропузырьки, пыль и т. п.) или искусст­ венных (например, полистироловые шарики диаметром 0,5-1 мкм) неоднородностей измеряемого вещества. Вследствие случайного характера сложения амплитуд и фаз элементарных отражений на приемник будет поступать сигнал, содержащий случайные со­ ставляющие спектра. Но этот сигнал [1] имеет некоторую коге­ рентную с исходным излучением составляющую, достаточную для измерения допплеровского сдвига, хотя мощность сигнала и не­ велика. Вследствие соизмеримости рассеивающих частиц с дли­ ной волны излучения световые колебания могут огибать частицы рассеивателя, и основная часть рассеянной мощности света будет распространяться вдоль направления первичного луча. Поэтому измерять проще те отраженные лучи, которые движутся вдоль направления первичного луча или составляют с ним небольшой угол (менее ±20°).

Устройство допплеровских оптических скоростемеров. Ряд принципиальных схем допплеровских оптических анемометров изображен на рис. 59, а—г. Первая по времени схема Иэха и Каммингса [32] показана на рис. 59, а. Луч, образованный ла­ зером ОКГ и сфокусированный линзой Л1 в точке О, отражает часть своей энергии, которая собирается линзой ЛЗ и направля­ ется зеркалом 31 через диафрагму D на фотокатод фотоэлектрон­ ного умножителя ФЭУ, куда также поступает луч от линзы Л2 через полупрозрачное зеркало 173. 32 — второе зеркало. Недостаток схемы — трудность регулирования положения рабочей точки О. Другие схемы, изображенные на рис. 59, лишены этого недостат-

Рис. 59. Схемы допплеровских скоростемеров

102

ка. У них разделение луча происходит до входа в поток, что поз­ воляет легко менять положение рабочей точки. На рис. 59, б [1] луч после выхода из ОКГ падает на полупрозрачное зеркало 773 и частично отражается последним, образуя опорный луч, прохо­ дящий через линзу Л19 затем через жидкость перпендикулярно движению последней без допплеровского сдвига, и через диа­ фрагму D поступает на фотокатод ФЭУ. Другая же часть луча, идущего из ОКГ, проходит через зеркало 773, фокусируется линзой Л2 в рабочей точке О, где частично рассеивается, образуя рабочий луч, проходящий через диафрагму D и поступающий на фотокатод ФЭУ. Передвижением зеркала 3 можно регулировать положение рабочей точки О.

В схеме Крейда и Гольдштейна (1967 г.) [21], показанной на рис. 59, в, луч после выхода из ОКГ разделяется полупрозрач­ ным зеркалом ПЗ на две части, отражающиеся затем от зеркал 31 и 32 и фокусируемые линзами Л1 и Л2 в рабочей точке О, проходят через поток симметрично относительно его оси. Луч (опорный), прошедший через линзу Л2Уне меняя своего направ­ ления, собирается линзой ЛЗ, проходит через диафрагму D и по­ ступает к ФЭУ. Луч же, прошедший через линзу Л7, частично рассеивается в рабочей точке О и с допплеровским сдвигом также поступает через линзу ЛЗ и диафрагму D к ФЭУ.

На рис. 59, г показана схема Рудда [28] (1969 г.), в ней луч из ОКГ разделяется полупрозрачным зеркалом ПЗ на две части, про­ ходящие через диафрагму D1 и большую линзу Л7, которая фо­ кусирует их в одной рабочей точке О. Затем оба луча собираются линзой Л2 и через диафрагму D2 поступают к ФЭУ. В этой схеме каждый из поступающих к ФЭУ лучей содержит и опорный и рабочий сигналы. Луч Г как продолжение луча 1 будет опор­ ным, но вместе с ним на ФЭУ приходит рассеянная часть луча 2 с допплеровским сдвигом. То же относится и к лучу 2

Как видно из приведенных схем, оптические анемометры со­ стоят из источника излучения, затем оптического устройства, образующего наряду с опорным и рабочий луч с допплеровским сдвигом частот и приемно-измеряющего этот сдвиг устройства.

В расходомерах и скоростемерах нашли применение газовые лазеры, преимущественно неоново-гелиевые с длиной волны из­ лучения X= 0,6328 мкм (4,74 * 1014 Гц). Срок службы около 500 ч. Они имеют очень высокую стабильность частоты (10“ 7-1 0 , а в случае автоподстройки резонатора 10 10), но недостаток большин­ ства их — малая мощность излучения, обычно несколько милли­ ватт. Поэтому при сильно поглощающих и рассеивающих средах, а также при больших диаметрах труб более подходят аргоновые ОКГ, имеющие мощность до 1000 мВт, и лазеры на углекислом газе. Длины волн излучения у них Х= 0,48 мкм и Х = 0,51 мкм, поглощаемые в воде значительно слабее, чем волны с X= 0,6328 мкм (у неоново-гелиевых ОКГ). Стабильность частоты и когерентность излучения аргоновых лазеров хуже, чем у неоново-гелиевых, а срок службы весьма ограничен (30 ч).

103

Схемы оптических устройств у анемометров и расходомеров Допплера, как это видно из рис. 59, могут быть весьма различны­ ми. В большинстве случаев источник излучения и фотоприемное устройство располагаются на противоположных сторонах трубы, несмотря на то, что при этом требуется весьма жесткая опорная конструкция, обеспечивающая неизменность положения оптичес­ кой системы. Но при необходимости вся система может нахо­ диться с одной стороны. Однако в этом случае требуются более мощный источник излучения и более чувствительная измеритель­ ная схема, потому что здесь на фотоприемник поступают отра­ женные лучи, направленные в сторону, противоположную дви­ жению потока. Их интенсивность в сотни и тысячи раз меньше лучей, отражаемых по направлению потока [20, 27].

Измерение допплеровского сдвига частоты при обычных ско­ ростях основано на измерении частоты биений двух когерентных оптических сигналов, из которых один опорный, а другой рассе­ иваемый неоднородностями движущегося вещества.

Оба эти излучения надо подать на фотоприемное устройство строго параллельно, для чего служат специальные регулировочные устройства. Обычно первой степенью схемы измерения сдвига частот f 1 - f2 служат фотоэлектронные умножители ФЭУ, выпол­ няющие функции приема, смешения и преобразования поступа­ ющих сигналов. Их достоинства — очень высокая чувствитель­ ность, малый порог реагирования (10-13-1 0 -15 Вт) и удовлетво­ рительная полоса пропускания. При измерении допплеровского сдвига лишь очень небольшая часть площади фотокатода серий­ ных ФЭУ-51 будет рабочей. Поэтому опытным путем выбирают точку фотокатода с максимальным выходом.

Возможны разные способы измерения частоты, равной доп­ плеровскому сдвигу, которая как переменная составляющая содержится в выходном сигнале ФЭУ. В качестве примера на рис. 60 дана схема [1], где на выходе из ФЭУ-51 — широкополос­ ный усилитель УЗ-7. Электронный анализатор спектра СУ-8 слу­ жил для настройки схемы и для визуального измерения частоты. Более точное измерение достигалось с помощью избирательного вольтметра В6-1, построенного по схеме двойного гетеродиниро­ вания для получения узкой полосы пропускания, равной 1 кГц. После прохода через В6-1 и детектор Д сигнал подается на само­ пишущий потенциометр ЭПП-09, у диаграммы которого ось вре­ мени проградуирована в единицах частоты с помощью генерато­ ра стандартных сигналов ГСС. Последний подавал через В6-1 и детектор Д на потенциометр два контрольных сигнала, частота одного из них была заведомо меньше, а частота другого заведомо больше допплеровского сдвига. При этом на ленте самописца на­ носились две метки. При равномерном движении диаграммной бумаги и равномерной скорости перемещения по шкале частот полосы пропускания вольтметра В6-1 на диаграммной бумаге из­ меряемый сигнал записывался в виде пика между двумя конт-

104

Рис. 60. Схема измерения допплеровского сдвига частоты

рольными метками: нижней и верхней. Допплеровский сдвиг оп­ ределяли по соотношению расстояний от сигнального пика до этих меток. Электронно-счетный частотомер 43-9 служил для опреде­ ления с высокой точностью значений частот, соответствующих нижней и верхней меткам.

Измерение расхода с помощью эффекта Допплера. Измерение расхода оптическими средствами с помощью эффекта Допплера можно осуществить двумя методами. Первый состоит в измере­ нии с помощью лазерного допплеровского анемометра средней скорости потока и умножении результата измерения на площадь потока. Второй метод заключается в применении лазерного доп­ плеровского расходомера особой конструкции.

При первом методе измеряется местная скорость, соотноше­ ние которой со средней скоростью известно. Обычно измеряется скорость или в центре трубы или на расстоянии 0,758г (где г — внутренний радиус трубы) от оси трубы. В этом случае измеряет­ ся непосредственно средняя скорость, но здесь требуется большая длина прямого участка трубы, чем при измерении скорости в цент­ ре. Кроме того, большой градиент скорости в данной точке при­ водит к нежелательному расширению спектра допплеровского сигнала, затрудняющего измерение его средней частоты [3]. Это­ го недостатка не имеет точка в центре трубы, но соотношение ее скорости со средней скоростью зависит от коэффициента гидрав­ лического трения X трубы, который должен быть поэтому извес­ тен. При измерении скорости в одной точке надо соблюдать тре­ бования ГОСТ 8.361-79, приведенные в п. 5.3 кн. 1. Там же даны указания по определению погрешности площади сечения трубо­ провода. Значительно лучшие результаты могут быть получены при установке в трубе сужающего устройства типа сопла Витошинского, формирующего равномерное поле скоростей, и изме­ рения скорости на выходе из сопла. В этом случае не только сни­ зится погрешность измерения средней скорости, но и погреш-

105

Рис. 61. Схема допплеровского расходомера ЛДР-100:

1 — лазер; 2 — поворотные зеркала; 3 — полуволновая фазовая пластинка; 4 — коллиматор; 5 — призмы; 6 — расширитель пучка; 7 — выходной объек­ тив; 8 — сопло Витошинского; 9, 10 — объективы приемного блока; 11 — фотоприемник

ность измерения площади потока. При этом может быть получе­ на высокая точность измерения расхода, близкая к точности об­ разцовых расходомерных установок [18].

В качестве примера на рис. 61 приведена схема расходомера ЛДР-100, разработанного в НИИТеплоприбор [11]. В трубопрово­ де перед соплом Витошинского помещены сотовый струевыпрямитель и сетки, турбулизирующие поток. За соплом расположен диффузор (не показан на рисунке), снижающий потерю давления и предотвращающий возможное нарушение эпюры скоростей после выхода из сопла. Источник излучения — малогабаритный гелие­ во-неоновый лазер ИЛГН-203 мощностью излучения 1 мВт. Оп­ тическая часть состоит из передающего I и приемного II блоков. В передающий блок входит лазер и формирующая оптика, вы­ полненная по дифференциальной схеме. Приемный блок состоит из приемной оптики и фотоприемника.

Допплеровский сигнал поступает в широкополосный усили­ тель, проходит через фильтры низких и высоких частот, где ос­ вобождается от шумов и подается на двухпороговый формирова­ тель импульсов, частота которых соответствует частоте доппле­ ровского сигнала. Демодулятор преобразует частоту импульсов в аналоговый сигнал, пропорциональный расходу. Диапазон из­ мерения расхода жидкости 0,1-100 м3/ч (при трех сменных гид­ роканалах), погрешность ± (0,25 -г- 0,3) % .

Аналогичный метод, примененный в работе [18], позволил сни­ зить погрешность до 0.1-0,2 % при измерении расхода газа в пре­ делах от 64 до 2500 м3/ч.

При втором методе необходимы устройства, позволяющие или одновременно измерять допплеровский сдвиг частот в несколь­ ких точках, расположенных на разных расстояниях от оси тру­ бы, или же делать эту операцию последовательно, например с помощью двигателя, который с постоянной скоростью передви­ гает фокусирующую линзу и, следовательно, перемещает рабо­ чую точку [27]. На рис. 62 показана схема прибора, измеряюще­ го допплеровский сдвиг частот в нескольких точках [01]. В слу­ чае осесимметричного потока прибор может измерять расход.

106

Световой луч от лазера 1 падает на полупрозрачное зеркало 2. Часть луча отражается от зеркала и направляется непосредствен­ но в поток 5, а другая часть поступает на зеркало 3 и затем на расщепитель 4, из которого выходит в виде ряда пучков. Послед­ ние интерферируют с прямым пучком в отдельных точках пото­ ка, проходят через линзу 6 и диафрагму 7 и поступают на протя­ женный фотоприемник 8. Для получения измерительной инфор­ мации применяется многоканальный быстродействующий анали­ затор спектра. Применения его можно избежать в случае установки многолучевого допплеровского измерителя с частотным сдвигом пучков, в котором осуществляется не только пространственное, но и частотное разделение световых пучков с помощью вращаю­ щейся дифракционной решетки [26]. Несколько иная схема мно­ голучевого допплеровского измерителя приведена в работе [4].

Возможен еще и третий метод измерения расхода путем экспе­ риментального определения с помощью ЛДС профиля скоростей и нахождения по нему средней скорости. При этом предельная погрешность измерения расхода согласно [14] будет составлять около ± (1-5-2) % .

Если допплеровский оптический расходомер дополнить кор­ ректором, учитывающим плотность измеряемого вещества, то можно обеспечить измерение массового расхода. Схема такого расходомера [6] показана на рис. 63. Измеряемая жидкость про­ ходит через диффузор 8, турбулизирующую сетку 9 и сужающее устройство 10, образующее на выходе в измерительную каме­ ру 11 равномерный профиль скоростей. Луч от лазера 1 падает на расщепитель 2, где разделяется на две части. Затем оба луча (один из них предварительно проходит через фазосдвигающий элемент 4, компенсирующий постоянную составляющую сигнала) через вы­ ходное окно-мениск 3 входят в измеряемое вещество и фокусиру­ ются на оси потока. В точке пересечения лучей образуется про­ странственная интерференционная картина. Движущиеся части­

107

цы, рассеивая свет, модулируют его по интенсивности. Рассеян­ ный свет проходит через окно 5 и поступает на фотодетектор 6, связанный с измерительным прибором 7. Более подробно доппле­ ровские расходомеры и скоростемеры освещены в работах [1-6, 8, 14-16, 18, 1$, 27, 29].

4.3. РАСХОДОМЕРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ЭФФЕКТЕ ФИЗО—ФРЕНЕЛЯ

Скорость света в неподвижном прозрачном веществе равна с/п, где с — скорость света в пустоте, а л — коэффициент преломле­ ния вещества. Скорость же света сп в веществе, движущемся со скоростью и, зависит от величины и направления последней. Ско­ рость сп больше с/Пу если она совпадает с и и меньше при проти­ воположном направлении. Скорость сп определяется уравнением

которое теоретически вывел Френель, а Физо экспериментально подтвердил его.

Для измерения скорости и на определенном участке пути дли­ ной I надо пропускать свет по потоку и против него и измерять разность времен прохождения светом данного участка пути. Для этого создается замкнутый контур длиной L, по которому свет циркулирует в противоположных направлениях. На части этого контура длиной I движется измеряемое вещество. Оба световых потока после прохода замкнутого контура L поступают на фотоприемное устройство, с помощью которого измеряется или сдвиг интерференционных полос Але, или сдвиг частоты Af световых ко­ лебаний между обоими потоками, причем как Але, так и А/ про­ порциональны скорости v измеряемого вещества.

Зависимость сдвига Ах интерференционных полос от скорос­ ти v определяется уравнением

и осью трубы. Заметим, что изменение силы фототока Ai прямо пропорционально Ах при работе на линейном участке характери­ стики интерферометра.

Зависимость сдвига частот А/ от скорости и выражается урав­

На рис. 64 приведена схема оптического интерференционно­ го расходомера [011]. Свет от источника 11 проходит через свето­ фильтр 12 и полупрозрачным зеркалом 10 делится на два потока,

108

проходящие через прозрачные вставки 6 и 13, установленные в кор­ пусе 1. После отражения от зеркал 3 и 4 (укрепленных в трубе с помощью струевыпрямителей 2 и 5) один световой луч прохо­ дит путь L по потоку измеряемого вещества, а другой против него. Затем они вновь отражаются от зеркал 3 и 4 и возвращают­ ся к зеркалу 10, где смешиваются и образуют интерференцион­ ную картину. Часть интерференционной полосы проходит через диафрагму 7 и поступает к фотоприемнику 8. Фототок измеряет­ ся прибором 9.

Схема оптического расходомера, в котором измеряется не ин­ терференционный сдвиг Аде, а сдвиг частот А/ световых колеба­ ний, распространяющихся по замкнутому контуру в противопо­ ложных направлениях, показана на рис. 65. Источник излуче­ ния — гелиево-неоновый лазер 4 образует вместе с тремя зерка­ лами i, 3 и 11 замкнутый световой контур, который благодаря четырем прозрачным окнам 2 дважды пересекает трубопровод 12. При этом один световой луч движется против, а другой по потоку газа. Оба световых луча, пройдя весь контур в противоположных направлениях и затем зеркало 11, направляются зеркалами 10 и 9 к фотоприемнику S, связанному через усилитель 7 и элект­ ронный фильтр 6 с прибором 5, измеряющим сдвиг частоты Af.

Еще одна схема расходомера газаг с измерением Af показана на рис. 66. Канал 4 квадратного сечения из инвара со стороной 50 мм помещен в резонатор 3 из ситалла СО-115М. Эти материа­ лы имеют очень малый коэффициент температурного расшире­ ния. Канал снабжен кварцевыми окнами для ввода лучей. Угол ввода для уменьшения потерь равен углу Брюстера Y- Лазерная трубка 5 длиной 200 мм (диаметр капилляра 2 мм) заполнена смесью гелия и неона. Питание от стабилизатора 6. Для умень-

1 Стабилизированный кольцевой лазер для измерения расхода газа / П. С. Кры­ лов и др. / / Измерител. техника. — 1980. — № 12. — С. 50-51.

109

шения нестабильности характери­ стики кольцевого газового лазера служит система стабилизации час­ тоты 7. Лучи, пройдя по потоку и против него по замкнутому конту­ ру, поступают на фотоумножитель 8 типа ФЭУ-68, питаемый от источ­ ника 10, Далее измерительный сиг­ нал подается на цифровой частото­ мер 0, интегрирующий частоту би­ ений встречных волн за определен­

Рис. 66. Схема расходомера Фи- ный промежуток времени. Для

зо—Френеля с Фарадеевским чув­ уменьшения нечувствительности и ствительным элементом возможности измерения малых ско­

ростей в схему введен Фарадеевский невзаимный элемент 2, служащий для первоначального рас­ щепления или сдвига частот [12, 13]. Магнитное поле в элемен­ те 2, выполненном по дифференциальной схеме, создается посто­ янным магнитом 1, для термостабилизации которого служит схе­ ма 11. Несмотря на небольшое отношение 1/L = 0,17, расходомер имеет высокую чувствительность (300 Гц на 1 м/с).

4.4.ОСОБЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РАСХОДОМЕРЫ

Кособым оптическим расходомерам относятся приборы, осно­ ванные на зависимости от расхода оптических свойств волокон­

110