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

Г л а в а 5

ИОНИЗАЦИОННЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

5.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Ионизационными расходомерами в широком смысле называ­ ются приборы, основанные на измерении того или другого зави­ сящего от расхода эффекта, возникающего в результате непре­ рывной или периодической ионизации потока газа или (реже) жидкости.

Ионизационные расходомеры разделяются на две существенно отличные друг отдруга группы:

1)расходомеры, в которых измеряется зависящий от расхода ионизационный ток между электродами, возникающий в резуль­ тате обычно непрерывной искусственной ионизации потока газа (или жидкости) радиоактивным излучением или электрическим полем;

2)расходомеры, в которых измеряется зависящее от расхода время перемещения на определенном участке пути ионизацион­

ных меток, возникающих в результате периодической ионизации потока газа ионизирующим излучением или электрическим раз­ рядом; эти расходомеры называются меточными ионизационны­ ми и рассматриваются в гл. 8.

Иногда к ионизационным причисляют расходомеры, не имею­ щие ионизационного преобразователя расхода и основанные на других принципах действия, но в которых эффект ионизации применяется в какой-либо промежуточной ступени преобразова­ ния. Основные сведения о таких расходомерах приводятся далее.

Погрешность приборов, основанных на измерении ионизаци­ онного тока, довольно значительна (около ±5 % ) и применяются они сравнительно редко, преимущественно для измерения скоро­ стей, а не расходов газовых потоков. Кроме того, имеются разра­ ботки ионизационных приборов для измерения расхода жидко­ стей-диэлектриков, в частности расхода индустриального масла. Здесь погрешность измерения меньше и лежит в пределах 2-4 % . Меточные ионизационные приборы более точные.

5.2. РАСХОДОМЕРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ЗАВИСИМОСТИ ИОНИЗАЦИОННОГО ТОКА ОТ РАСХОДА

Ионизация движущегося потока в рассматриваемых расходо­ мерах производится радиоактивным излучением или электричес­ ким полем.

Расходомеры с ионизацией потока газа радиоактивным излу­ чением. Радиоактивный источник, создающий а- или р-излуче-

112

ние, может находиться как внутри (рис. 68, а, б), так и снаружи трубы (рис. 68, в).

Это излучение ионизирует поток газа, движущегося в трубе. Внутри нее помещены два (иногда три) электрода, к которым подана разность потенциалов. Сила ионизационного тока, возникающего между электродами, будет зависеть от числа ионизиро­ ванных молекул в промежутке между электродами, т. е. от ско­ рости движения газа. Имеются два типа ионизационных расходо­ меров. В первом — источник излучения и электроды (по крайней мере, один из них) находятся друг от друга на некотором расстоя­ нии I по оси трубы (рис. 68, а, в) и ионизационный ток течет вдоль оси трубы. Во втором — ионизационный ток течет не вдоль, а поперек трубы, так как источник излучения и приемные электроды расположены на противоположных сторонах трубы (см. рис. 72).

Две разновидности расходомеров первого типа показаны на рис. 68, а—в. В первой схеме (рис. 68, а) слой радиоактивного вещества нанесен на первом по ходу потока электроде 1, второй 2 расположен от первого на расстоянии I. Во второй схеме (рис. 68, б) радиоактивный источник 3 кольцевой формы находится на рас­ стоянии I от двух пластинчатых электродов 4 полукольцеобраз­ ной формы, расположенных друг против друга. В третьей схеме радиоактивный изотоп хрома Сг85 помещен снаружи трубы в за­ щитном контейнере 5. p-излучение проходит в газопровод через окно, закрытое медной фольгой, и поступает внутрь кольцевого электрода 6. Второй электрод 8 находится на расстоянии I от первого. Стенка трубы 7 из изоляционного материала. При отсут­ ствии расхода во всех трех схемах все ионизированные молекулы рекомбинируют, прежде чем достигнут приемного или приемных электродов и тока в цепи не будет. С увеличением же расхода будет возрастать число ионизированных молекул, достигающих приемных электродов, и сила тока в цепи станет расти. Вначале рост силы тока пропорционален расходу, но затем станет замед­ ляться. Ток будет стремиться к некоторому постоянному значе­ нию, когда все ионизированные молекулы, не успев рекомбини-

Рис. 68. Схемы ионизационных расходомеров, в которых источ­ ник излучения и приемные электроды расположены на не­ котором расстоянии I вдоль оси

трубы

113

Рис. 69. Зависимость ионизационного тока от скорости газа при различных значениях напряжения между электродами, распо­ ложенными на расстоянии 320 мм вдоль оси трубы

ровать, достигнут приемных электродов. При дальнейшем возра­ стании скорости газа наблюдается даже небольшое уменьшение силы тока, объяснимое тем, что часть ионизированных молекул проносится мимо электродов. Все это показано на рис. 69, где да­ ны кривые силы тока в зависимости от скорости v аргона Аг или азота N2 при различных значениях напряжения между электро­ дами, полученные [15] с помощью преобразователя расхода, схе­ ма которого приведена на рис. 68, в. В качестве источника радио­ активного излучения, кроме Сг85, рекомендуются [8, 9] стронций Sr90 и иттрий Y90, пригодные до температур 300 °С, а также америций А т 24, применяемый до 150 °С.

В схеме, изображенной на рис. 70, а, против излучающего электрода расположен один приемный электрод, а в схеме на рис. 70, б — два приемных электрода 2 и 3 расположены симмет­ рично относительно излучающего электрода 1 и включены на­ встречу друг другу. В первой схеме при отсутствии расхода сила тока будет максимальной.' С увеличением расхода сила тока бу­ дет уменьшаться, потому что при этом все большее число ионизи­ рованных молекул будет уноситься из межэлектродной зоны. Во второй схеме — наоборот: при отсутствии расхода и полной

Рис. 70. Схемы ионизационных расходомеров, в которых источник излучения и приемные электроды расположены на противоположных стенках трубы

114

симметрии схемы разность ионизационных токов, текущих через приемные электроды, равна нулю. С увеличением расхода число ионизированных молекул, достигающих электрода 2, уменьша­ ется, а достигающих электрода 3 — увеличивается, благодаря чему разность ионизационных токов возрастает.

Ионизационный ток в обеих схемах наряду с зависимостью от скорости и или расхода Q0 потока зависит и от разности напря­ жений Е у приложенных к электродам. С возрастанием Е увели­ чивается скорость перемещения ионов ии вдоль силовых линий электрического поля, потому что ии = knE, где kn — коэффициент подвижности ионов. Поэтому с увеличением Е ионизационный ток растет при одной и той же скорости и. Это наглядно видно на рис. 71, где даны кривые зависимости силы тока i от скорости v газа при различных напряжениях Е. Опыты производились в труб­ ке из полистирола диаметром 25 мм и длиной 120 мм, в которой на расстоянии 15 мм друг от друга, в соответствии со схемой по рис. 70, а, были укреплены два квадратных электрода со сторо­ нами 15 мм [6]. Один из электродов был покрыт слоем хлористой соли радия. При небольших напряжениях Е (кривые 1 и 2) сила тока быстро падает с возрастанием скорости газа и кривые имеют резко выраженный гиперболический характер. С увеличением Е падение силы тока замедляется и начальный прямой участок кри­ вых возрастает, а вместе с ним и диапазон измерения расходоме­ ра. Помимо скорости газа и и напряжения Е на ионизационный ток влияет также состав газа (см. рис. 69) и его параметры — давление, температура и влажность, потому что от них зависят коэффициенты подвижности kn и рекомбинации kp ионов.

Ионизационные расходомеры имеют большую погрешность (±5 % ) и применяются довольно редко. Несколько чаще иониза­ ционный метод находит применение для измерения скоростей воз­ душных потоков. При этом формы электродов бывают самые раз­ личные. В одном ионизационном анемометре [16], предназначенном для измерения скорости воздуха от 0,5 до 5 м/с, применили два цилиндрических электрода, рас­ положенных концентрично друг другу. На внутренней поверхнос­ ти наружного алюминиевого элек­ трода, имевшего диаметр 32 мм и длину 63 мм, был нанесен слой серебра с радиоактивным плуто­ нием Ри2 . Внутренний прием­

115

ботаны [13] два варианта анемометров. В одном из них в центре был латунный куб с длиной ребер 10 мм, покрытый фольгой из америция А т 241, вокруг которого концентрично располагались приемные электроды в виде трех взаимно перпендикулярных медных колец диаметром 120 мм. В другом варианте два элект­ рода в виде сетчатых сфер были расположены на расстоянии 8 мм друг от друга.

Расходомеры с ионизацией газа или жидкости электрическим полем. Ионизация потока газа может происходить под действием электрического разряда того или другого вида. Ионизация ди­ электрической жидкости происходит в результате возникновения в ней электрических зарядов под действием внешнего электри­ ческого поля.

При ионизации газа электрическим разрядом промежуток меж­ ду электродами очень мал (несколько миллиметров или даже доли его). Поэтому соответствующие приборы находят применение преимущественно в качестве анемометров для измерения мест­ ных скоростей воздуха. Различаются анемометры с тлеющим, дуговым и искровым разрядами.

В одной из конструкций анемометра с тлеющим разрядом рас­ стояние между заточенными на конус концами платиновых элек­ тродов диаметром 0,15-0,5 мм равнялось 0,1-0,25 мм [2]. Элект­ роды были припаяны к металлическим стержням, изолирован­ ным друг от друга. При столь малом расстоянии между электро­ дами и достаточной величине приложенного к ним напряжения возникает тлеющий разряд (один из видов самостоятельных элек­ трических разрядов в газах), ионизирующий газ. С увеличением скорости газа все большее число ионизированных молекул будет уноситься из зазора между электродами, и ионизационный ток будет уменьшаться. Измеряя силу тока i или напряжения Е на электродах, которое требуется для поддержания постоянной силы тока, можно судить о скорости газа v. Удобнее измерять напря­ жение Е 9 так как зависимость v от i обратная, а от Е прямая

116

рения сверхзвуковых скоростей электроды диаметром 0,7-1 мм были выполнены из молибдена и вольфрама с примесью молибде­ на [1]. Зазор в пределах 0,15-0,25 мм, частота 25-30 мГц, по­ грешность около ±5 % . При измерении дозвуковых скоростей электроды можно изготовлять из платиновой проволоки диамет­ ром 0,3-0,5 мм. Благодаря весьма малой инерционности анемо­ метры как с дуговым, так и с тлеющим разрядом пригодны для измерения скоростей, изменяющихся с частотой, равной десят­ кам килогерц. Возможность измерения скоростей газовых пото­ ков с помощью искрового разряда была исследована в ЛПИ им. Ка­ линина (г. Ленинград) [4]. От генератора периодических импуль­ сов к электродам, между концами которых было расстояние 2 - 4 мм, подавались импульсы напряжения 10 — 15 кВ, длительно­ стью 2-5 мкс при частоте 50-500 Гц. Измерялось среднее значе­ ние силы ионизационного тока i между этими электродами и тре­ тьим приемным, установленным на расстоянии, не превышавшем 15 мм по ходу потока. Характер зависимости силы тока i (изме­ нявшейся от нуля до десятков мА) от скорости газа v был близок к показанному на рис. 69. При скоростях, меньших некоторого значения i^, сила тока i была равна нулю из-за рекомбинации ионизированных молекул, а при скоростях, больших L>2, переста­ ла возрастать. Заметное влияние на силу тока имели также тем­ пература и давление газа.

В ЛПИ разработан ионизационный расходомер для жидкостейдиэлектриков. Его схема изображена на рис. 73. Поток индустри­ ального масла В протекает в кольцевом пространстве между на­ ружным трубчатым электродом 6 и цилиндрическим электро­ дом 7, укрепленным вдоль оси потока с помощью изоляционной втулки 8. Электрод 6 заземлен, а к электроду 7 через винт 9 подается высокое (10 кВ) отрицательное напряжение. Под дей­ ствием электрического поля в жидкости, находящейся в кольце­ вом пространстве между электродами б и 7, возникают отрица­ тельные электрические заряды. Чем больше скорость жидкости, тем большее число этих зарядов будет собираться на третьем элек-

Рис. 73. Ионизационный преобразователь для жидкостей-диэлектриков

117

Г л а в а 6

ЯДЕРНО-МАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

6.1. ЯДЕРНО-МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Ядерно-магнитные расходомеры основаны на зависимости ядер- но-магнитного резонанса от расхода потока.

Атомные ядра многих элементов имеют собственный момент количества движения — спин S и магнитный момент р. Отноше­ ние магнитного момента к спину называется гиромагнитным от­ ношением у = р/Б. Ядра располагаются на различных энергети­ ческих уровнях. Чем ниже последний, тем больше ядер находит­ ся на нем. Ядро, помещенное в магнитное поле с индукцией Б, благодаря взаимодействию поля с магнитным моментом и спи­ ном ядра будет прецессировать вокруг вектора В с угловой часто­ той (й = уВ9называемой ларморовой. Разность энергии магнитных моментов двух ядер, находящихся на соседних уровнях, равна YВ. Если на внешнее магнитное поле с индукцией В наложить переменное магнитное поле, квант энергии которого равен уВ, а угловая частота равна ларморовой, то произойдет отклонение вектора ядерной намагниченности от направления вектора ин­ дукции поля Б, что приведет к появлению изменяющейся с час­ тотой (0 проекции ядерной намагниченности на направление, пер­ пендикулярное к полю Б. Одновременно произойдет поглощение энергии переменного поля ядрами вещества, сопровождающееся переходом части ядер из нижнего энергетического уровня в со­ седний верхний. Это явление называется ядерно-магнитным ре­ зонансом.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные мо­ менты ядер ориентированы в различных направлениях. При наложении магнитного поля с индукцией В происходит ори­ ентация магнитных моментов ядер вдоль оси поля В и рас­ пределение ядер по различным энергетическим уровням. Чем ниже последний, тем больше ядер располагается на нем. Из­ быток числа ядер в нижнем уровне по сравнению с соседним верхним определяет значение вектора М намагниченного ве­ щества.

Скорость изменения вектора М определяется уравнением

где Хо — статическая ядерная магнитная восприимчивость; Б — индукция внешнего магнитного поля; Тг— постоянная времени, называемая продольным временем релаксации, указывающим на поляризацию ядер вдоль продольной оси поля.

119

После интегрирования этого уравнения получим

где М к = х^В — конечное значение М при достаточно большом времени t.

Если вещество до поляризатора уже имело некоторый вектор намагниченности Мвх, то вместо последнего уравнения будем иметь

Время Тх для бензола, ацетона, метилового спирта, воды, эти­ лового спирта, бензина и серной кислоты равно 19; 15; 8; 3,6; 3,5; 2,3 и 0,7 с соответственно, а статическая ядерная восприим­ чивость Хо составляет 2,48; 3,03; 3,66; 4,11; 3,76; 4,1 и 2,65 х х 10 9 соответственно.

Переменное магнитное поле с частотой v = &/2TI вызывает, как было сказано, переход ядер с нижних уровней на верхние и тем увеличивает равномерность распределения ядер по уровням. При этом вектор намагниченности М будет уменьшаться со скоростью

dM/dt = -у 2В?Т2М,

где В1 — половина амплитуды индукции резонансного магнитно­ го поля, осциллирующего с частотой v; Т2 — поперечное время релаксации.

Название Т2 связано с направлением вектора В19 который пер­ пендикулярен к вектору поля В. Для этого ось катушки, по кото­ рой протекает ток, создающий поле с индукцией Bv располагает­ ся перпендикулярно к вектору поля В, создаваемому постоян­ ным магнитом.

При одновременной поляризации ядер под влиянием постоян­ ного поля с индукцией В и деполяризации под влиянием ядерномагнитного резонанса скорость изменения вектора М определя­ ется из выражения

Постепенно процесс стабилизируется и установится определен­ ное распределение ядер по уровням, соответствующее некоторо­ му вектору намагниченности M s, который можно найти из пре­ дыдущего уравнения, полагая в нем dM/dt = 0 и M = MS. Тогда получим

ния, характеризующим конечный избыток числа ядер на ниж­ нем энергетическим уровне по сравнению с соседним верхним. При В1 = 0 получим 2=1, при котором Ms = М к.

120