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

дуется не менее чем через четыре отверстия, находящихся на равном расстоянии друг от друга в зоне средней скорости. При L > 150D ввод раствора можно осуществлять в одной точке в лю­ бом месте сечения трубы, например у стенки.

При схеме расходомера с двумя контрольными сечениями (рис. 89, б) расстояние первого из них до места ввода веществаиндикатора должно быть не менее 7D, а расстояние L второго сечения от первого тоже не менее 7D, но желательно иметь послед­ нее расстояние возможно больше. Если L < 100D, то в каждом из этих сечений нужно иметь не менее двух стержневых электро­ дов, пересекающих трубу по двум взаимно перпендикулярным диаметрам, а в прямоугольном канале следует иметь несколько параллельных электродов на равном расстоянии. Электроды долж­ ны быть тщательно изолированы друг от друга и от трубопрово­ да. Внутренняя поверхность трубы в радиусе 1 м от электрода, а также поверхности электродов, не предназначенные для изме­ рительных целей, покрываются изоляционной краской. Для ус­ корения процесса перемешивания целесообразно иметь турбулизатор между местом ввода и первым контрольным сечением, но не после него.

Если L > 150D, то достаточно иметь в каждом сечении лишь один точечный электрод на половине радиуса от стенки. Если L > > 50D, то допускается схема по рис. 89, а с одним контрольным сечением.

При измерении расхода газа физико-химические метки при­ меняют реже, но зато здесь ассортимент меток шире. Так, в рабо­ тах [6, 8] рассмотрено применение для этой цели галоидных ме­ ток. В качестве индикатора испытывали фреон и четыреххлорис­ тый углерод. Из двух контрольных сечений непрерывно отбира­ ли пробы газа, проходящие через детекторы, так называемые течеискатели. В каждом из них два электрода — эмиттер и кол­ лектор ионов. Эмиттер, нагреваемый током до 900 °С, создает на­ чальный ток. На коллектор подается напряжение до 250 В. Когда в межэлектродном пространстве оказывается газ, содержащий галоид, сила тока резко возрастает. Галоидные метки были с ус­ пехом применены для контроля состояния диафрагм на газопро­ воде Средняя Азия—Центр. Длина контрольного участка состав­ ляла 50 км. Расход, измеренный с помощью галоидных меток, совпал с показаниями дифманометра, соединенного с диафраг­ мой, в пределах 1 -2 % . В работе [27] для проверки сужающих устройств, служащих для измерения расхода кислорода, в каче­ стве метки применяли гелий, вводившийся через сверхзвуковое сопло.

В работе [72] сообщается о применении для измерения расхода газа меток, создаваемых с помощью жидкого аммиака. В работе [71] предложено применение в качестве меток газа (оксид углеро­ да, пары воды, диоксид углерода, монооксид азота), сильно по­ глощающего инфракрасное излучение. Такая метка, двигаясь

161

с измеряемым газом, пересекает поток инфракрасного излуче­ ния, создаваемый небольшим нагревательным элементом, и из­ меняет количество энергии, поступающей на малоинерционный чувствительный элемент.

8.6. ПРИБОРЫ С ИОНИЗАЦИОННЫМИ МЕТКАМИ

Рассматриваемые приборы применяют преимущественно для измерения расхода или скорости газа, в котором метки создают­ ся путем периодической или, реже, непрерывной его ионизации. Метки создаются или ионизирующим излучением, обычно с по­ мощью радиоактивного изотопа, или же электрическим разря­ дом. У первых метки возникают по всему сечению потока, и они предназначены лишь для измерения расхода газа. У вторых мет­ ки образуются в ограниченной части потока, и они служат для измерения местной скорости или расхода. Значительно реже встре­ чаются приборы для измерения расхода жидкого диэлектрика. В этом случае метка создается путем поляризации жидкости в электрическом поле.

Ионизационные метки вследствие диффузии и особенно реком­ бинации ионов имеют весьма короткий срок существования, как это видно из уравнения п = п0 (1 + &рп0£)-1, где п — число пар ионов в 1 см6 через tQпосле прекращения действия ионизатора; п0 — начальное число пар ионов в 1 см3; kp — коэффициент рекомбинации (см3/с), зависящий от давления, температуры и состава газа. Для воздуха при О °С и 101 325 Па Лр=1,61х х1(Г6 см3/с. Поэтому длина контрольного участка L и время Ат перемещения по нему должны быть малыми. Обычно длина L приблизительно равна 1 м и менее. В связи с этим чаще применя­ ют схему с одним (рис. 89, а), а не с двумя (рис. 89, б) конт­ рольными сечениями. А максимально допустимое время Ат долж­ но быть тем меньше, чем выше начальная концентрация ио­ нов п0, так как процесс рекомбинации возрастает с ростом п0. Так время Ат должно быть не более 0,1-0,2 с при п > 108 и не более 0,01-0,02 с при n0 > 109.

Приборы с ионизацией потока ионизирующим излучением. Как правило, ионизирующее излучение образуется радиоактив­ ным изотопом, помещаемым снаружи или внутри трубы. Кроме того, были испытаны расходомеры, у которых ионизирующее излучение (лг-лучи) создаются с помощью катодно-лучевой труб­ ки. При помещении изотопа снаружи трубопровода применяют то или другое устройство, например вращающийся обтюратор для периодического создания ионизационных меток. Если изотоп рас­ положен внутри трубопровода, то целесообразнее иметь непре­ рывную ионизацию потока газа. В том и другом случае обычно работают с P-излучением. Изотоп с у-излучением здесь избегают применять по соображениям техники безопасности и необходи­

162

Принципиальная схема расходомера с изотопом, размещенным снаружи трубы [18], показана на рис. 97. В контейнере 1 заклю­ чен изотоп. Обтюратор 2, вращающийся с постоянной скоростью, периодически пропускает через стенку 3 трубы пучок (3-лучей, которые образуют в газе ионные метки. Одновременно обтюратор посылает импульс в мультивибратор 11. Последний отпирается, и начинается отсчет времени. Находящиеся на конце контрольного участка электроды 5 включены последовательно с большим входным сопротивлением (lC^-lO9 Ом) первого каскада усилителя 6 в цепь источника питания 4, создающего на электродах разность потен­ циалов Е9 которая выбирается с учетом максимальной скорости и х движения газа. Чем больше umax, тем больше должно быть Еу с тем чтобы скорость движения ионов ои = kE9 где k — подвижность ионов [для влажного воздуха k = 1,38^1,51 см/(сВ)], была много больше umax. При прохождении метки между элект­ родами в цепи возникает импульс тока, который, пройдя через усилитель 6у запирает мультивибратор 11, возвращая его в ис­ ходное положение. Очевидно, что длительность импульсов на выходе мультивибратора равна времени Дт перемещения метки на контрольном участке от места ее образования до электродов. Последующее преобразование этих импульсов может быть раз­ лично. В схеме генератор 10 формирует пилообразное напряже­ ние, амплитуда которого пропорциональна длительности посту­ пающих импульсов. Это напряжение в блоке 9 преобразуется в напряжение постоянного тока, поступающее через каскад 8 с низкоомным входом к измерителю 7. Приведенная относитель­ ная погрешность рассмотренного расходомера ±2 % . Имеются и другие разработки расходомеров с наружным расположением контейнера с изотопом. В одной из них последний вместе с обтю­ ратором автоматически перемещался реверсивным двигателем так, чтобы время перемещения метки Дт до контрольного сечения ос­ тавалось неизменным. Измеряемой величиной было расстояние L

163

от источника метки до контрольного сечения. В другой разработ­ ке с двумя контрольными сечениями (по рис. 89, б) измерялся сдвиг фаз Д<р токов, наводимых в цепях двух пар электродов, расположенных на концах контрольного участка длиной L. Сдвиг фаз Д<р= 360f^/Vy где fr — частота генерации меток, a v — ско­ рость газа. Схемы этих расходомеров приведены в работе [010].

Значительно реже встречаются меточные расходомеры с изо­ топом, помещенным внутри трубопровода. Преобразователь та­ кого расходомера [20] показан на рис. 98. Внутри трубы 8 на ее концах имеются изоляционные втулки 1 и б. В кольцевом пазу первой из них укреплена серебряная фольга 2 шириной 12,5 мм, внутри которой находится радиоактивный изотоп Sr90 (Y3^), со­ здающий (3-излучение, непрерывно ионизирующее поток газа. Далее по ходу потока на расстоянии L = 485 мм размещены коль­ цевые электроды 12 и 5, из которых первый через вывод 3 соеди­ нен с генератором импульсов, а второй 4 с измерительной схе­ мой. Парные к ним электроды в виде кольцевых цилиндров 10 имеют внутренний диаметр 51 мм. Они отделены от трубы 8 втул­ ками 9 из тефлона и воздушным зазором. Через вводы 7 и 11 к ним подается напряжение 260 В (при скоростях потока 3-12 м/с) или 960 В (при скоростях 10^30 м/с). При этом создается доста­ точно сильное поле, чтобы при включенном генераторе импуль­ сов обеспечить быструю деионизацию газа в начале контрольного участка. Этому способствует и трехкольцевая конструкция элек­ тродов. Среднее кольцо диаметром 38 мм образует один, а два других диаметрами 19 и 51 мм — второй электрод. Когда деиони­ зированный газ достигнет конца контрольного участка, произой­ дет резкое падение тока в цепи второй пары электродов. Это вы­ зовет новое включение генератора импульсов. Очевидно, что час­ тота этого включения будет линейно расти с ростом расхода. Пре­ образователь расхода предназначен для давлений до 0,2 МПа. Его

Рис. 98. Схема ионизационного меточного расходомера с радиоактив­ ным источником внутри трубопровода

164

приведенная погрешность ±2 % . Погрешность измерения количе­ ства ±1 % . Но большая влажность газа и содержание в нем твер­ дых частиц или капель масла могут нарушать правильную рабо­ ту расходомера.

В работе [43] сообщается об испытании расходомера газа, иони­ зация которого создавалась не радиоактивным изотопом, а с по­ мощью jc-лучей, образуемых катодно-лучевой трубкой. К элект­ родам последней для создания метки подавались короткие им­ пульсы высокого напряжения длительностью 1 мс. На расстоя­ нии 1,2 м приемный электрод фиксировал момент прохождения метки и при этом давал сигнал на подачу очередного импульса к лучевой трубке. Расходомер применялся на трубопроводах диа­ метром 200 и 400 мм при скоростях газа от 0,3 до 30 м /с и пока­ зал высокую точность.

Приборы с ионизацией потока электрическим полем. Рассмат­ риваемые приборы применяются для измерения скоростей и рас­ ходов газов, а также диэлектрических жидкостей. У газов иони­ зационная метка создается искровым или коронным электричес­ ким разрядом, у диэлектрической жидкости — ее поляризацией в электрическом поле. При электрическом разряде образуется небольшое ионное облачко, суммарный заряд которого положи­ телен. Измеряя скорость перемещения этого облачка, можно су­ дить о местной скорости потока. При искровом разряде чаще при­ меняют схему с двумя контрольными сечениями (см. рис. 89, б), при коронном разряде — схему с одним контрольным сечением (см. рис. 89, а).

Согласно теореме Шокли [67], характер импульса тока i, ин­ дуцируемого на конце электрода в точке С (рис. 99), установлен­

где q и v — заряд и скорость движения ионной метки; Е — на­ пряженность электрического поля, потенциал которого равен единице в той точке пространства, где находится заряд q (при отсутствии последнего), соз­ даваемый заряженным при­ емным электродом; р — угол между направлением электрического поля и ско­

ростью v.

Из рис. 99, а следует, что Е = г-2 = (r07sin р)“2. Под­ ставляя это значение в пре­ дыдущую формулу, получим

165

уравнению, показан на рис. 99, б. Из условия di/dt = 0 получим tg Р = ^2 . Откуда находим углы = 54° 44' и Р2 = 144° 44', при которых имеем экстремальные значения тока i. Из-за диффузии и рекомбинации ионов приборы с ионизацией электрическим раз­ рядом плохо пригодны при скоростях, меньших 8-10 м/с.

Приборы с ионизацией газового потока искровым разрядом. Искровой разряд создается генератором, подающим периодичес­ ки высокое напряжение 300-1000 В обычно к двум электродам, концы которых находятся в газопроводе на близком расстоянии друг от друга. Длину контрольного участка L берут тем меньше, чем меньше измеряемая скорость газа, исходя из короткого сро­ ка существования метки и необходимости создания на приемных электродах сигналов, существенно превосходящих сигналы от различных шумов и помех. При работе по схеме, показанной на рис. 89, а, требуется большая крутизна фронта ионной метки, чем при работе с двумя контрольными сечениями (см. рис. 89, б), где отсчет времени можно производить при одинаковых уровнях сигналов.

Один из первых зарубежных приборов с искровой ионизацией работал при скоростях от 9 до 180 м/с и служил для измерения расхода, который вычислялся по измеренной местной скорости и ее связи со средней скоростью потока. Он работал с частотой импульсов, пропорциональных расходу, по схеме, показанной рис. 89, а.

Во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева прибор с искровой иониза­ цией при постоянной частоте создания меток был применен для градуировки образцовых напорных трубок [13]. Прибор работал с двумя контрольными сечениями, расстояние между которыми L = 300 мм. Образец полученной записи сигналов на ленте осцил­ лографа приведен на рис. 100. Расстояние между точками 1 и 2 дает время *п перемещения метки на контрольном участке, так как точка 1 соответствует моменту прохода метки над первым, а точка 2 — над вторым электродом. Период генерации меток *г дает расстояние между двумя одноименными точками (1 и 1). Период генерации tT подобран почти равным 2*п. Зубчатый ха­ рактер кривой объясняется наводками в усилителе, в остальном

Рис. 100. Образец осцилограммы сигнала при движении метки, образованной искровым разрядом

166

она вполне соответствует теоретической кривой (см. рис. 99). На рис. 100 имеем *п = 0,01 с, что при L ~ 300 мм дает скорость, равную 30 м/с. Результаты измерения воспроизводятся лучше, когда концы приемных электродов отодвинуты на 15-20 мм от линии движения метки и не препятствуют ее перемещению. По­ грешность измерения ±1 % определялась погрешностью измере­ ния компаратором расстояния между точками 1 и 2.

Приборы с ионизацией газового потока коронным разрядом. Схема рассматриваемого прибора [26] изображена на рис. 101. Электрод 2, имеющий форму иглы, заряжается до напряжения 1600-1800 В от источника Е через сопротивление Дк. Коронный разряд происходит в момент, когда около острия иглы скаплива­ ются электроны из газовой среды. Этому способствует источник 1 с радиоактивным полонием, установленный на стенке канала против электрода 2, который создает около последнего неболь­ шую ионизацию газового пространства. Во время разряда, для­ щегося менее 1 мкс, происходит сильная ионизация газа около электрода. При этом электроны переходят на электрод, а поло­ жительно заряженное ионное облачко уносится вместе с потоком газа. Когда оно достигнет приемного электрода 6, установленного на расстоянии L = 12-S-15 мм, то в нем возникает импульс тока, протекающий через сопротивление RB. Электрод 6 состоит из мед­ ной проволоки диаметром 0,5 мм, изолированной шеллаком, на­ ходящейся в экранирующей трубке из коррозионно-стойкой ста­ ли диаметром 1 мм. Электроды 2 и 6 подключены к осциллоско­ пу 5 через усилители 3 и 4. Разряд на электроде 2 включает ждущую развертку на осциллоскопе, а импульс на электроде 6 после усиления поступает к пластинам вертикального отклоне­ ния. Расстояние по горизонтали от начала развертки до средней части приемного импульса дает время переноса tn метки между электродами (57 мкс). На рис. 101, а показана форма импульса при небольшом сопротивлении RB= 560 Ом, которая соответству­ ет теоретической кривой (см. рис. 99), так как здесь прибор изме­ ряет напряжение на сопротивлении Дв, пропорциональное по ве­ личине и знаку току, наводимому на электроде 6. При очень боль­ шом R = 91 МОм форма импульса принимает вид, показанный на рис. 101, б. Здесь прибор измеряет напряжение, образуемое отри-

Рис. 101. Схема расходомера и его сигналы при ионизации потока коронным раз­ рядом

167

дательными зарядами на электроде 6. Максимум этого напряже­ ния соответствует проходу ионной метки над острием электрода 6.

Работы, выполненные в ЛПИ [3], показали возможность при­ менения коронного разряда для измерения расхода горючих га­ зов (смесь пропан-бутана с воздухом). Длина диэлектрического преобразователя 250 мм, внутренний диаметр 20 мм, наруж­ ный — 50 мм. Пределы измерения расхода газа от 0,02 до 0,1 м3/с. Во избежание оседания ионов на стенках преобразователя наи­ меньшая измеряемая скорость газа 2 м/с.

Приборы с ионизацией потока диэлектрической жидкости. В ЛПИ разработан [3] прибор для измерения расхода индустри­ ального и трансформаторного масла в пределах от 6,7 *10~5 до 2,5 •10-4 м / с , в котором ионная метка создавалась с помощью высоковольтного импульса напряжения. Источник и приемник ионной метки, размещенные на расстоянии около 100 мм друг от друга, находятся в отрезке трубы длиной 60 мм из диэлектричес­ кого материала. Источник состоит из расположенного в центре по оси трубы высоковольтного электрода, к которому периоди­ чески подаются импульсы напряжения 5-15 кВ, и находящегося в том же сечении низковольтного кольцевого электрода, утоплен­ ного в стенке трубы. При подаче импульса напряжения образует­ ся униполярное ионное облачко, которое, дойдя до кольцевого приемника, также утопленного в стенке трубы, создает падение напряжения на сопротивлении, соединенном с приемником. Раз­ рядный ток 10-20 мкА. Измерительная схема фиксирует время прохождения меткой контрольного участка. Минимальная изме­ ряемая скорость 0,5 м/с.

8.7. ПРИБОРЫ С ТЕПЛОВЫМИ МЕТКАМИ

Расходомеры с тепловыми метками можно применять для из­ мерения расхода как жидкости, так и газа. Они состоят из нагре­ вателя, создающего тепловую метку, и термопреобразователей для измерения времени перемещения метки на контрольном участке. Иногда нагреватель отсутствует. В этом случае термопреобразо­ ватели служат для измерения времени перемещения случайных тепловых неоднородностей, имеющихся в потоке. Имеются рас­ ходомеры, у которых нагреватель расположен как снаружи, так и внутри трубы.

Предложено несколько разновидностей расходомеров с наруж­ ным расположением нагревателя. Так, в работе [16] рассмотрен расходомер, в котором тепловая метка создается излучателем инфракрасного (ИК) или сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазо­ нов, расположенных на наружной поверхности трубчатой встав­ ки длиной 300 мм из кварца для ИК-диапазона и фторопласта для СВЧ-диапазона. Частота генерации меток 0,5-0,1 Гц, дли­ тельность меток 0,5-1,5 с. В конце контрольного участка пути

168

длиной 100 мм от конца зоны нагрева, снаружи трубы размещал­ ся медный термометр сопротивления. В меточных расходомерах с радиационным нагревом при D < 10 мм длину контрольного участка берут не более ЗОЛ, где D — диаметр трубы. Расходомер испытывали на водных растворах глицерина при расходах от 0 до 30 л/ч. Приведенная погрешность измерения ±1,3 % . Предель­ ное давление 1,6 МПа. Включение источника нагрева для образо­ вания очередной метки происходит в момент снижения темпера­ туры заднего фронта метки в конце контрольного участка до не­ которого порогового значения. Но задний фронт метки обычно сильно растянут, что снижает быстродействие прибора. В связи с этим в работе [1] предложено в конце контрольного участка устанавливать два дифференциально включенных термопреобра­ зователя на расстоянии I друг от друга, равном половине началь­ ной длины метки, I = (lH+ umaxf)/2, где 1Н— длина нагреваемого участка трубы; t — длительность нагрева; итах — максимальная скорость метки. В этом случае быстродействие возрастает, так как получается более крутой спад измерительного сигнала. Воз­ можно создание тепловых меток не только радиационным, но и термоконвективным нагревом с помощью проволочного нагре­ вателя, намотанного на наружную поверхность трубы, или путем непосредственного нагрева некоторого участка трубы длиной 1Н через два контактных кольца на его концах.

В работе [гл. 3: 28] указывается на необходимость учета в теп­ ловых меточных расходомерах осевой теплопроводности измеря­ емого вещества и рекомендуется формула v = Ly. / т - 4-Vox, где v — скорость движения метки; LK— длина контрольного участка от конца нагревателя; т — время перемещения метки на длине LK; а — коэффициент температуропроводности измеряемого ве­ щества.

В некоторых случаях [65] в трубопроводе образуется тепловая метка путем введения в него порции жидкости или газа, нагре­ ваемых в особой емкости, расположенной вне данного трубо­ провода.

Иногда применяют расходомеры, у которых тепловая метка создается нагреваемым элементом, обычно проволочкой, находя­ щейся внутри измеряемого вещества. Если ток подается в виде отдельных импульсов, то образуются метки, скорость которых равна местной скорости потока. Если же ток изменяется по сину­ соидальному закону, то возникает температурное поле, движу­ щееся со скоростью потока. На контрольном расстоянии L поме­ щается малоинерционный термопреобразователь, фиксирующий момент прихода метки или служащий для измерения разности фаз Дер между температурами, а следовательно, и токами в нагре­ вающей проволочке и термопреобразователе. В последнем случае скорость v потока определяется формулой v = ЗбО/дЬ/Дф, где / — частота тока нагревателя. Для измерения скорости воздуха [70] были взяты очень малые диаметры проволочек нагревателя

169

(0,008 мм) и термопреобразователя (0,003 мм), что позволило повысить частоту /н до 100 Гц. Скорости от 0,5 до 4 м /с измеряли компенсационным методом путем изменения длины L от 2,5 до 20 мм. При скоростях менее 0,4 м /с возникала заметная погреш­ ность из-за влияния теплопроводности.

Проблема создания современных методов и средств измерения расходов веществ, обладающих специфическими свойствами (аг­ рессивность, нестационарность физико-химических характерис­ тик, высокая вязкость и т. п.), функционирующих в различного рода сложных условиях эксплуатации, несмотря на определен­ ный прогресс, остается весьма актуальной.

Развитие бесконтактного теплового метода в направлении син­ теза интеллектуальных многоканальных тепловых расходомеров позволило существенно повысить их метрологические характери­ стики при решении сложных задач измерения расхода. При создании таких многоканальных расходомеров использовались не­ которые принципы теории инвариантности, в соответствии с ко­ торыми первичный измерительный преобразователь (ПИП) теп­ лового расходомера должен обеспечивать организацию как мини­ мум двух каналов передачи первичной информации, помимо ка­ нала компенсации возмущающего воздействия (температуры потока вещества) [гл. 3: 28]. Это является необходимым услови­ ем автономизации информации об измеряемой величине (расхо­ де) и неинформативных величинах (изменяющихся свойствах ве­ ществ). Предложены [17] и реализованы две структуры многока­ нальных тепловых расходомеров (МТР), основанных на термо­ конвективных ПИП. В МТР первого типа организация каждого из каналов передачи первичной информации осуществляется с по­ мощью отдельного термопреобразователя или оба канала базиру­ ются на комплексной информации, генерируемой одним термо­ преобразователем. На основе структуры второго рода синтезиру­ ются только меточные МТР. Реализация алгоритмов функциони­ рования МТР предполагает использование широких возможностей вычислительной техники. Создание МТР позволило снизить ме­ тодическую погрешность измерения расхода вязких жидкостей. Для этого использовалась структура МТР первого типа. Так для расходомера мазута дополнительная погрешность измерения уменьшена в 5 раз и составила 0,2 % /10 °С [17].

Существенно снижено влияние нестабильности свойств изме­ ряемых потоков растворов жидкостей на показания меточного МТР, в котором использованы два контрольных участка измере­ ния времени переноса метки (т). Причем, на первом участке по ходу метки на информативную величину т влияет как значение объемного расхода, так и свойства раствора (например, плотность), а на втором — величина т определяется только объемным расхо­ дом (скоростью) раствора. Дифференциальное включение этих каналов (патент на изобр. № 2152598, бюл. № 19, 2000 г.) позво-

170