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

Г л а в а 8

МЕТОЧНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

8.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Меточными называют расходомеры, основанные на измерении времени перемещения какой-либо характерной части (метки) по­ тока на контрольном участке пути1 .

Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые разнообразные: ионизационные, радио­ активные, физико-химические, тепловые, оптические, ядерномагнитные и др. Соответственно различны будут устройства для создания метки и ее детектирования при прохождении ею конт­ рольного участка пути. Радиоактивные, физико-химические и некоторые оптические метки создают путем ввода в поток по­ стороннего вещества-индикатора. В большинстве остальных слу­ чаев метка образуется в самом потоке без ввода постороннего ве­ щества. Меточные расходомеры — приборы не непрерывного,

адискретного действия, но при высокой частоте образования ме­ ток можно практически говорить о непрерывном измерении расхо­ да. Значительно чаще меточные расходомеры применяют не в ка­ честве эксплуатационных приборов для непрерывного измерения,

адля различных лабораторных и исследовательских работ, и в частности при градуировке и поверке других расходомеров.

Погрешность измерения расхода у меточных расходомеров колеблется от ±(0,1^0,2) до (2-3) % в зависимости от рода метки,

измерительной аппаратуры, способа детектирования и соответ­ ствия скорости перемещения метки средней скорости потока. Наибольшая точность достигается при отсутствии необходимости в отборе проб в контрольных сечениях. Длина контрольного уча­ стка, в зависимости от рода метки, может быть от нескольких миллиметров до нескольких километров.

Меточные расходомеры могут быть с одним или двумя детек­ торами метки. В первом случае (рис. 89, а) контрольное расстоя­ ние L считается от места ввода метки 1 до детектора 2, во втором (рис. 89, б) — между двумя детекторами 2 и 3. Скорость метки v определяется из выражения

где Дт — измеряемое время перемещения метки на контрольном расстоянии L.

1 В зарубежной литературе часто меточные расходомеры объединяют с концен­ трационными под общим заголовком «Tracer methodes* (см. стандарт ИСО 2975/1), несмотря на то, что методы работы этих расходомеров принципиально различны. Это может привести лишь к путанице и ошибкам в попытках дать общие рекомен­ дации по обоим методам (см. п. 6.1 в ИСО 2975/1).

152

Для определения объемного расхода служит формула

где k - v jv — отношение сред­ ней скорости потока vc к скоро­ сти метки v; S — площадь по­ перечного сечения трубопровода.

Обычно у меточных расходо­ меров расстояние L в процес­ се измерения остается неизмен­ ным, но были разработаны рас­ ходомеры, у которых время Дт поддерживалось постоянным пу­

тем автоматического перемещения одного из детекторов и изме­ нения таким образом расстояния L, которое в этом случае будет измеряемой величиной. В этом случае достигается линейность шкалы, но усложняется устройство. Такие расходомеры не полу­ чили распространения.

Меточные расходомеры при постоянной величине L могут быть с постоянной частотой образования меток или с частотой, про­ порциональной скорости потока. У первых измеряется время Дт или величина, функционально связанная с этим временем, на­ пример сдвиг фаз, у вторых — частота fr генераций меток. По­ следние работают по схеме, изображенной на рис. 89, а. Очеред­ ная метка создается в момент, когда предыдущая детектируется элементом 2 . Поэтому период генерации меток Дтг равен времени Дт перемещения метки на участке L и, следовательно, / г = Дтг-1 = = Дт-1. Тогда получим

Таким образом, между Q0 и / г имеется прямая пропорциональ­ ность. С увеличением расхода Qo динамические свойства такого расходомера улучшаются.

Выбор длины контрольного участка L зависит прежде всего от физической природы метки — длительности ее существования, а также от желаемых точности измерения и быстродействия. Ион­ ные метки быстро уничтожаются из-за рекомбинации ионов, а тепловые — вследствие передачи тепла окружающей среде. По­ этому в этом случае обязательна малая величина L. При свободе выбора L нужно учитывать, что с увеличением L возрастает точ­ ность измерения, но уменьшается быстродействие. В большин­ стве случаев следует отдать предпочтение повышению точности и не снижать L. Так, в работе [19] рекомендуется даже для иони­ зационных расходомеров при небольших диаметрах труб иметь L > 5D. Иногда выбор длины L определяется местными условия­ ми, например недопустимостью создания новых отверстий в стенке

153

трубы. Поэтому в одном случае при измерении расхода газа на действующем газопроводе длина L оказалась равной 50 км. Но этот случай — исключение из обычной практики. Встречаются рекомендации иметь длину L обязательно больше длины LMмет­ ки. Но это не обязательно. После выбора L определяют Аттах по формуле = L/vmin. Постоянную частоту /г генерации меток находим из условия /г < Д т^х.

Точность измерения расхода QQ меточными расходомерами зависит не только от точности измерения времени Ат, но также от точности определения средней площади S поперечного сечения трубопровода между контрольными отметками и точности опре­ деления коэффициента k = v jv . У смонтированной трубы точное измерение внутреннего диаметра трубы и оценка ее эллиптично­ сти не всегда возможны. В этом случае дополнительная погреш­ ность в определении расхода QQможет составлять 1-2 % . Не мень­ шее значение имеет точность определения коэффициента зави­ сящего от вида метки и ее начальной формы, длины пути движе­ ния метки, места ее ввода и места расположения приемных концов детекторов. Вместе с тем на k оказывает влияние турбулентная диффузия и рассматриваемый далее процесс размывания метки, что одновременно затрудняет точное измерение Ат. Кроме того, у некоторых меток скорость их перемещения определяется не только скоростью потока, но зависит еще и от физических свойств метки. Так у тепловых меток на скорость их перемещения влия­ ет теплопроводность измеряемого вещества.

8.2. РАЗМЫВАНИЕ МЕТКИ

При турбулентном режиме метка по мере своего движения вследствие турбулентной диффузии размывается, увеличивая свой объем как в осевом, так и в радиальном направлении. В началь­ ный момент (рис. 90) метка имеет наибольшую концентрацию Сота* и обладает крутым фронтом. Ее длина Ьщ = т0и. По проше­ ствии времени Ат = x/v длина метки возрастает до LMxMv. При

Рис. 90. Изменение формы метки в осевом направлении

154

С,

Рис. 92. Определение времени Дт по положению центров тя­ жести меток

имевшие диаметры от 0,2 до 6 м, исследовались различные спо­ собы определения времени Дт. Начальным считался момент, со­ ответствующий средней точке между открытием и закрытием быстродействующего впускного клапана. За конечный момент принимался: а) момент начала реагирования электродов, уста­ новленных в контрольном сечении; б) средний момент времени между началом и концом реагирования этих электродов; в) мо­ мент, соответствующий максимальной концентрации; г) момент, соответствующий центру тяжести площади кривой концентрации в контрольном сечении. Последний способ оказался наилучшим. Возможны различные методы определения момента времени, со­ ответствующего центру тяжести площади кривой метки. Обычно для этого рекомендуют [7, 24] найти среднюю точку (рис. 92) ширины метки, лежащей на высоте одной трети от максималь­ ной амплитуды Стах. Другой метод, удобный, в частности, при радиоактивных метках и детекторах-счетчиках, состоит в записи интегральных кривых прохождения индикатора (рис. 93). Абс-

156

циссы, соответствующие половинным значениям Лх/2 и h2/2 ам­ плитуд кривых, дают значения тх и т2. При этом методе можно работать с меткой меньшей радиоактивности, так как в этом слу­ чае влияние случайных помех меньше [24].

Сложнее обстоит дело с точным определением значения k - v jv . Вначале метка перемещается в осевом направлении со скорос­ тью, равной местной скорости в данной точке сечения потока, определяемой профилем скоростей. Но в дальнейшем при турбу­ лентном режиме движения каждая частица имеет не только осе­ вую, но и радиальную составляющую скорости и при достаточ­ ном времени движения т получает равную возможность побывать на всевозможных расстояниях от оси трубы и, следовательно, равную вероятность перемещения в осевом направлении с одина­ ковой, т. е. средней скоростью vQ. Следовательно, при достаточно большом времени т движения метки коэффициент k в большин­ стве случаев может быть принят равным единице. Одновременно с увеличением времени т фронт метки должен становиться все более плоским. Результаты опытов [38] при движении солевой метки в трубе диаметром 1 м, показанные на рис. 82, подтверж­ дают сказанное. Профиль скоростей, полученный с помощью диф­ ференциальной трубки Пито, изображает кривая 1. У нее отно­ шение средней скорости vc к скорости на оси vQравно 0,81. Фронт солевой метки на расстоянии L - 22D от места ввода показывает кривая 2, у которой vJvQ = 0,895. А на расстоянии L = 104D (кривая 3) фронт уже весьма близок к плоскому и у него уже vc/vQ= 0,98. Таким образом, брать коэффициент k+ равным еди­ нице можно лишь при очень больших расстояниях X. При малых L коэффициент k будет постепенно возрастать от значения, опре­ деляемого профилем скоростей, стремясь к единице. Поэтому, если есть возможность, следует измерять время перемещения метки Дт в зоне, находящейся на расстоянии 0,74 радиуса от оси трубы, где отношение местной скорости к средней равно единице.

Все сказанное касалось турбулентных потоков. При ламинар­ ном движении метка движется параллельно оси трубы со скорос­ тью окружающих частиц. Поэтому в этом случае путем измере­ ния времени перемещения метки можно измерить местную ско­ рость потока. Размывание метки за счет молекулярной диффу­ зии будет очень незначительное.

8.3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВВОДА ВЕЩЕСТВА-ИНДИКАТОРА

Устройства для ввода вещества-индикатора применяют для создания радиоактивных, физико-химических и ряда оптических меток. В большинстве случаев для ввода газового индикатора при измерении расхода газа [22, 24, 54], раствора соли при измере­ нии расхода жидкости [68], а также радиоактивного изотопа при­ меняют пружинные устройства, обеспечивающие быстрый ввод

157

вещества-индикатора. Схема подобного устройства для ввода пор­ ции радиоактивного газа объемом в несколько кубических санти­ метров в трубу небольшого диаметра, изображена на рис. 94. Время ввода 2-3 мс. Устройство состоит из поршня 4, имеющего две камеры А и В, и пружины 5. На рис. 94, а показано положение поршня, при котором радиоактивный газ по трубке 1 заполняет из резервуара камеру А у предварительно вакуумированную через трубку 2. Пружина 5 сжата. Выдвигая защелку 6Уосвобождают пружину 5, и она с большой скоростью перемещает поршень 4 вниз в положение, изображенное на рис. 94, б. При этом камера А вместе с индикатором вводится в трубу 3.

Быстрый ввод индикатора можно обеспечить и без пружины, с помощью сжатого воздуха. Пример такого устройства показан на рис. 95. Оно предназначено для ввода радиоактивного изото­ па. Последний через канал 6 поступает в цилиндрическую по­ лость 7 объемом около 12 см3. Эта полость соединена с трубопро­ водом трубкой 9, диаметром 5 мм, имеющей на своих концах клапаны 8 и 12. Сжатый воздух, подаваемый по трубке 2, пере­ мещает в цилиндре 4 поршень 3 и связанный с ним шток 5. По­ следний быстро выбрасывает раствор изотопа в трубопровод, от­ крывая клапаны 8 и 12. При подаче воздуха по трубке 1 под поршень 3 система перемещается в исходное положение. Так как площадь поршня 3 в 100 раз больше площади штока 4, то дос-

158

В работе [28] для измерения расхода смеси газа с твердой фа­ зой при концентрации последней от 150 до 450 кг/м3, скорости от 4 до 15 м /с и давлении от 2,3 до 2,8 МПа в поток с помощью вращающегося дозирующего цилиндра и повышенного давления последовательно вводились цеолитовые зерна диаметром 2,2-2,4 мм, содержащие изотоп In113 с периодом полураспада 100 мин. По­ следний получали в особом генераторе из изотопа Sn113. Плот­ ность цеолита равнялась плотности твердой фазы в потоке. Изме­ рения производили в вертикальной трубе на восходящем потоке. Расстояние между двумя, установленными снаружи трубы сцинтилляционными детекторами, равнялось 10 м. Погрешность из­ мерения не превышала ±1 % .

8.5. ПРИБОРЫ С ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТКАМИ

Приборы с физико-химическими метками также могут слу­ жить для измерения расхода как жидкостей, так и газов, но вы­ бор индикаторов в этом случае более ограничен. Так, для измере­ ния расхода воды обычно применяют лишь солевые метки. Ис­ следование по применению солевых меток для измерения расхо­ да воды в трубопроводах диаметром 200 и 1000 мм, а также

влиниях, подающих воду к гидравлическим турбинам круглого (диаметры 3500, 4000, 6000 мм) и прямоугольного (площади 31 и 59 м2) сечений, было выполнено Алленом и Тейлором [19] еще

в1923 г. Учитывая значительные площади сечений водоводов, они вводили раствор соли не в одной, а в нескольких точках сече­ ния. Контрольные участки выбирались большой длины около 100D (L = 108 м при D = 1,04 м и L = 426 м при D = 4 м). В начале участка, находившегося вблизи от места ввода раствора соли, и

вконце его устанавливались стержневые электроды, перегора­

живающие сечение трубы. Погрешность среднего результата из серии экспериментов по измерению расхода воды указанным ме­ тодом не превышала ±0,05 % . Применение солевых меток для измерения особенно больших расходов воды в трубах и открытых каналах и реках оказалось весьма целесообразно [38]. Рекомен­ дации по применению данного метода имеются в документе, раз­ работанном ИСО [44]. Рекомендуемые концентрации солевого раствора от 3 до 120 г/л в зависимости от метода контроля меток. Для улучшения перемешивания раствора соли с водой его наи­ большую допустимую плотность рр следует определять из уравне­ ния uc = 0,2gD(pp/p - 1), в зависимости от средней скорости воды L>c, ее плотности р, диаметра трубы D и ускорения свободного падения g. Раствор подается сжатым воздухом (его давление на 0,25 МПа больше давления в трубе), действующим на раствор, находящийся в резервуаре, или же на исполнительный механизм, перемещающий поршень, подающий раствор в трубу. Вводить раствор при длине контрольного участка L менее 100Х> рекомен-

160