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

Следовательно, частота F прямо пропорциональна расходу. Этот метод иногда называют амплитудно-частотным, для отличия его от фазочастотного, при котором частота F повторения циклов от­ метки устанавливается из условия обеспечения заданного сдвига фаз (обычно л/2) между фазой отметки ядер и фазой сигнала ЯМР. Напряжение отметки включено лишь в течение первой половины времени прохождения метки через приемную катушку, а во вто­ рую половину сигнал отметки выключен. Поэтому здесь частота оказывается в два раза выше, чем у амплитудно-частотных, и расход QQ определяется по формуле

Q0 = 4kVLF.

На рис. 77 изображена схема амплитудно-частотного меточно­ го расходомера [6], разработанного для измерения расхода воды, ацетона и других жидкостей в диапазоне от 0,08 до 1,4 •10-5 м3/с. Магнит поляризатора 1 из стали «магнико», полюсные наконеч­ ники из стали марки СтЗ. В зазоре размером 10x10x200 мм, име­ ющем индукцию поля 0,6 Тл, расположена труба из немагнитной стали диаметром 10 мм. Полюсные наконечники 3 магнитной системы «резонатора» из железа «Армко». Индукция поля 0,13 Тл. К этим наконечникам прикреплен каркас из фторопласта, на ко­ тором расположены катушки модуляции поля 4 и приемно-воз­ буждающая резонансное поле катушка 5. Между поляризатором

и«резонатором» расположена катушка отметчика 2, питаемая резонансной частотой от генератора 9 через электронный ключ 8. Когда последний включен, жидкость из катушки отметчика 2 выходит деполяризованной. Пройдя за время t расстояние L между катушками 2 и 5, она прекращает в катушке 5 действие ЯМР

исигнал последнего пропадает. На выходе схемы выделения 6 возникает отрицательный перепад напряжения, отключающий че­ рез ключ 8 генератор 9 от катушки отметчика 2. Через время t поляризованная жидкость достигает катушки 5 и в последней возникает сигнал ЯМР, образующий на выходе схемы выделения положительный перепад напряжения, который вновь подключа­ ет генератор к катушке отметчика. Частота повторения цикла F = l/2 f = v/2L, где v — скорость

131

постоянным током. Ось катушки 5, возбуждающей резонансное поле, перпендикулярна как к оси катушки 4, так и к оси трубо­ провода, на котором намотана приемная катушка 6. Возбуждаю­ щая катушка 5 питается от генератора 7 частотой 250 кГц. При­ емная катушка 6 присоединена к резонансному усилителю 8, на­ строенному на частоту 242 кГц, причем сигнал ЯМР определяет­ ся на нижней боковой полосе. Кроме того, имеется еще катушка модуляции, ось которой параллельна оси катушки 4. Она питает­ ся от генератора частотой 8 кГц. Роль отметчика выполняет ка­ тушка 3, находящаяся в постоянном магнитном поле «резонато­ ра» и в переменном поле возбуждающей катушки 5. Катушка 3 находится на расстоянии 29 мм от приемной катушки 6 и питает­ ся от генератора коротких импульсов 10. Амплитуда последних такова, что повышает индукцию поля, в котором находится ка­ тушка 3, до резонансной частоты 250 кГц. Длительность импуль­ сов устанавливается такая, чтобы обеспечить поворот ядерной намагниченности на угол л/2, т. е. размагнитить жидкость. Час­ тота F повторения импульсов задается генератором 10, который управляется фазочувствительной схемой 9, автоматически под­ держивающей разность фаз импульсов отметки ядер и сигнала ЯМР, равной я/2.* Тогда время t прохождения жидкостью рассто­ яния 1Ммежду серединами катушек 3 и 6 будет равно четвертой части от длительности периода отметки Т = 1/F.

Поэтому объемный расход Q0 будет определяться по формуле

Qo = ж*2* ,/-

Преобразователь расхода заключен в цилиндрический кожух диаметром 1,7 мм и длиной 730 мм [8]. Внутри проходит керами­ ческий трубопровод с d = 25 мм. Все промежутки между поляри­ затором и резонатором залиты эпоксидной смолой с керамикой, содержащей 99,5 % алюминия. Это устраняет микрофонный эф­ фект и позволяет выдерживать давление до 8 МПа. На выходе схемы для измерения расхода имеется миллиамперметр 11, в ко­ торый поступает постоянный ток от 4 до 20 мА, пропорциональ­ ный скорости счета импульсов F. Кроме того, имеется семираз­

132

рядный счетчик для измерения количества прошедшей жидко­ сти. Преобразователь расхода предназначен для работы в ди­ апазоне температур от -40 до +150 °С и служит для измере­ ния расхода различных нефте­ химических продуктов и топ­ лив индустриальных масел, хлоропрена, ксилана, бутилово­

леновой трубой он был испытан и для измерения расхода концен­ трированной серной кислоты.

На рис. 79 показана схема ядерно-магнитного расходомера, названного авторами [3] импульсно-компенсационным, который с достаточным правом можно отнести к фазочастотным меточ­ ным расходомерам, поскольку в нем измеряется частота отметок, осуществляющая инверсию ядерной намагниченности, т. е. пово­ рот фазы вектора намагниченности на угол. Жидкость проходит через поляризатор 1, катушку инверсии (отметчик) 2 и поступает

в«резонатор», состоящий из соленоида 3, создающего постоян­ ное магнитное поле, катушки 4, питаемой от генератора 7 резо­ нансной частоты, и приемной катушки 5, связанной с устрой­ ством 8увыделяющим сигнал ЯМР. Поскольку направление поля, создаваемого соленоидом 3, совпадает с осью трубы, катушка 5 выполнена в виде пары седлообразных обмоток, магнитная ось которых перпендикулярна к трубопроводу. При отсутствии тока

вкатушке 2 ядерная намагниченность, полученная в поляризато­ ре !, не меняет своего направления и на выходе устройства 8 будет сигнал положительной полярности.

Периодически через катушку 2 пропускаются импульсы тока,

создающие поле, направленное навстречу полю поляризатора и превышающее его по напряженности. При этом происходит ин­ версия ядерной намагниченности и на выходе устройства 8 воз­ никает напряжение отрицательной полярности. Устройство 8 свя­ зано с интегратором 9 положительных и отрицательных сигна­ лов. Генератор инвертирующих импульсов 10 и их формирова­ тель 13 автоматически обеспечивают такую их частоту Fy чтобы на выходе интегратора 9 была нулевая намагниченность потока. При этом частота F оказывается пропорциональной расходу Q0, который может быть определен по формуле Q0 = (1 + k^VJF, где Уи — объем, в котором действует инвертирующий импульс; ки — средний коэффициент инверсии в объем Уи (ки = 0,7^0,9). На выходе имеется счетчик импульсов 11 и преобразователь частоты в ток 12. Магнитный экран 6 служит для защиты от магнитных

133

и электрических полей. Прибор построен для измерения расхода водорода или фторсодержащих жидкостей от 10 до 180 м3/ч в трубах диаметром 80 мм. Относительная погрешность ±1 % . По­ ляризатор, имеющий диаметр 300 и длину 1050 мм, создает поле с индукцией 0,07 Тл. Остальная часть преобразователя, защи­ щенная экраном, имеет диаметр 300 и длину 800 мм. Схемы других частотно-импульсных расходомеров приведены в работах [10, 11].

6.5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ И ПРИМЕНЕНИЮ ЯДЕРНО-МАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Ядерно-магнитные расходомеры пригодны для веществ, в со­ ставе которых имеются ядра с достаточно большими значениями магнитных моментов р. К таким ядрам в первую очередь отно­ сятся ядра водорода, у которых гиромагнитное отношение у = = 42,57 МГц/Тл. Близки к ним ядра фтора. У них у= 40,007 МГц/Тл. У остальных элементов магнитные моменты р и гиромагнитные отношения у значительно меньше. Так, у фосфора р составляет только 7 % от магнитного момента ядер водорода, а у= 17,24 МГц/Тл. Но в работе [13] упоминается, что разрабатываются ядерно-маг­ нитные расходомеры не только для веществ с ядрами фосфора, но даже и с ядрами хлора, у которого р более чем в двадцать раз меньше, чем у фосфора, а у = 4,176 МГц/Тл.

Область применения ядерно-магнитных расходомеров ограни­ чивается практически лишь жидкостями, поскольку у них кон­ центрация резонирующих ядер значительна; но в принципе воз­ можно их применение и для газов при высоких давлениях, когда плотность газов велика. Кроме того, жидкость должна иметь до­ статочно большое продольное время релаксации 7\ — не менее 0,1 с.

Наиболее перспективно применение ядерно-магнитных расхо­ домеров для сред с очень низкой удельной электрической прово­ димостью, менее чем (10~3-1 0 5) См/м, т. е. в области, недоступ­ ной для промышленных электромагнитных расходомеров. Заме­ тим, что с повышением электрической проводимости жидкости у ядерно-магнитных расходомеров уменьшается отношение по­ лезного сигнала к шуму.

Далее следует иметь в виду ограниченные возможности при­ менения ядерно-магнитных расходомеров для измерения боль­ ших расходов из-за трудности создания магнитного поля с доста­ точной индукцией в больших трубах. Так, уже при трубе диамет­ ром 90 мм индукция поля Вп, создаваемая поляризатором, долж­ на быть не менее 1 Тл. Что касается малых расходов, то здесь надо лишь обеспечить, чтобы при Qinin время прохождения жид­ костью измерительного участка не было слишком большим с уче­ том времени релаксации Т у Этого можно достичь путем соответ­ ствующего выбора диаметра трубы. Поэтому ядерно-магнитные

134

Г л а в а 7

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

7.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Рассматриваемые расходомеры основаны на зависимости от расхода кратности разбавления вещества индикатора, вво­ димого в поток. Их называют иногда расходомерами, основан­ ными на методе прививки, на солевом методе, на методе сме­ шения и т. д.

Существенное достоинство концентрационного метода измере­ ния расхода — отсутствие необходимости знать размеры попереч­ ного сечения трубопровода или другого канала.

Раньше подобные расходомеры служили для измерения рас­ хода воды, причем веществом-индикатором был солевой раствор. В дальнейшем стали применять другие индикаторы, в частности радиоактивные изотопы. Это позволило применить концентраци­ онный метод также для измерения газа и даже пара [34, 35].

Особенно целесообразен концентрационный метод при разовых измерениях больших расходов в закрытых и открытых каналах, а также при проверке работы других расходомеров, так как при этом не требуется демонтажа их преобразователей расхода. Так, этот метод с успехом был применен для проверки состояния и ра­ ботоспособности труб Вентури, которые многие годы работают на основных линиях ленинградского водопровода. Индикатор — раст­ вор соли. В работе [30] сообщается о градуировке с помощью кон­ центрационного метода трубы Вентури на трубе диаметром 1200 мм, по которой подается воздух в доменную печь. Индика­ тор — натуральный газ. Известные затруднения при применении концентрационного метода возникают из-за необходимости иметь большую длину пути L (порядка 100D и более) для хорошего пе­ ремешивания индикатора. Турбулизаторы и местные сопротив­ ления сокращают необходимую длину L. Другое затруднение свя­ зано с необходимостью точного измерения очень малых конеч­ ных концентраций.

Погрешность измерения расхода с помощью концентраци­ онного метода зависит от индикатора, надлежащей степени его перемешивания и особенно от правильности измерения его конечной концентрации. Погрешность измерения расхода лежит в пределах от ±(0,5-ь1)% до ±(2-5-3)%. Разработаны и реализу­ ются две разновидности концентрационного метода. В первой производится непрерывный (в течение нескольких минут) ввод индикатора и при этом измеряется его расход. Во второй име­ ем кратковременный или залповый ввод известного количества индикатора.

136

7.2. РАСХОДОМЕРЫ С НЕПРЕРЫВНЫМ ВВОДОМ ВЕЩЕСТВА-ИНДИКАТОРА

Принцип действия концентрационного расходомера с непре­ рывным вводом индикатора состоит в измерении степени или кратности разбавления индикатора после смешения с измеряе­ мым веществом. Здесь в течение некоторого времени t в поток вводится индикатор, объемный расход qn и начальная концент­ рация Си которого должны быть известны. Время t должно быть не меньше такого, которое обеспечит получение в контрольном сечении после надлежащего смешения с измеряемым веществом постоянной концентрации Сх индикатора в течение, по крайней мере, нескольких минут. Время t обычно выбирают от 5 до 30 мин. Тогда объемный расход Q0 измеряемого вещества можно будет найти из уравнения баланса индикатора

QOC0 + 9HCH = (QO + O CX'

где С0 — возможная начальная концентрация индикатора в изме­ ряемом веществе. Решая это уравнение относительно Qc, получим

Если С0 = 0 и Сх « Си, то предыдущая формула принимает вид

Расчет Qc по указанным формулам требует точного измерения очень малых концентраций Сх и С0, что представляет определен­ ные трудности. Для этой цели в зависимости от индикатора при­ меняют различные методы: химическое титрование, колоримет­ рический, флуорометрический, рефрактометрический, интерфе­ ренционный, кондуктометрический и др. Большинство из них или весьма трудоемки, или не обеспечивают высокой точности измерения. Флуорометрический и колориметрический методы, необходимые для применения индикаторов красителей: бихрома­ та натрия, родамина В и флуоресцина рассмотрены в [44]. Кон­ центрация Сх радиоактивного индикатора определяется с помо­ щью ионизационных счетчиков.

Для того чтобы повысить точность определения Qc, в ряде слу­ чаев, например при измерении расхода воды с помощью раствора соли, рекомендуется [44] предварительно приготовить стандарт­ ный раствор, концентрация которого Сс была бы близка к ожида­ емой концентрации Сс и вместо измерения последней измерять отношение С /Сс. Этот метод разработан в нашей стране [10, 11]. Обозначим — кратность разбавления раствора соли измеряе­ мым веществом. Очевидно, N = (Q0 + £И)/(7И. Тогда из уравнения (56) получим

137

Q0 = ( N - l ) q w,

где N = (С - CQ)/(CX - С0).

Через Nc обозначим кратность разбавления раствора соли тем же измеряемым веществом в образцовой смеси. Тогда

Nc = <С„ - Со)/(Сс - С0>>

где Сс — конечная концентрация соли в образцовой смеси. Обозначим через т отношение N/Nc, тогда

т = N/Nc = (Сс - С0 )/(Сх - С0),

и, следовательно,

Определить в образцовой смеси кратность Nc с высокой точно­ стью можно, зная количество измеряемого вещества (воды), по­ шедшей на разбавление известного количества исходного раство­ ра соли. Определить т с достаточной точностью можно с помо­ щью моста, составленного из четырех кондуктометрических яче­ ек, исходя из соотношения

т = (Сс - С0)/(СХ - С0) = (хс - v^)/(y.x - х0),

где хс, х0 и хх — соответственно электрические проводимости образцовой смеси и измеряемого вещества до и после смешения. Это уравнение справедливо с погрешностью не более чем 0,2 % при условии, что Сс - С0 отличается от СХ~С0 не более чем на 20 % . Кроме того, необходимо обеспечить строгое равенство тем­ ператур всех плеч моста, учитывая сильную зависимость элект­ рической проводимости растворов от температуры.

Чтобы концентрация Сс в образцовой смеси была близка к Сх, иногда [10, 11] процесс приготовления образцовой смеси осуще­ ствляют в два приема. Тогда Nc = гДе — предваритель­ ная кратность разбавления исходного раствора соли; N2 — крат­ ность разбавления во второй ступени процесса.

7.3. РАСХОДОМЕРЫ С КРАТКОВРЕМЕННЫМ (ЗАЛПОВЫМ) ВВОДОМ ВЕЩЕСТВА-ИНДИКАТОРА

Принцип действия у рассматриваемых расходомеров такой же, как и у предыдущих, но ввод индикатора здесь не непрерывный, а практически мгновенный. Это обусловливает некоторые особен­ ности в способе измерения степени или кратности разбавления введенного индикатора.

С большой скоростью в поток, расход которого Q0 подлежит определению, вводится известное количество индикатора. Если

138

это раствор, то должны быть известны его объем Vn и концентра­ ция индикатора Си в нем. После полного смешения его с измеря­ емым веществом, при котором достигается равномерное распре­ деление индикатора, по сечению потока производится непрерыв­ но или каким-либо другим путем измерение переменной во вре­ мени концентрации Сх индикатора в потоке в течение времени £к, обеспечивающем полный проход индикатора через контрольное сечение. В этом случае уравнение баланса индикатора имеет вид

QotKC0 + VnCn = [(Q0tK + Vn)/tK\$ Cx dt,

0 где С0 — возможная начальная концентрация индикатора в из­ меряемом веществе. Из этого уравнения находим

Если CQ= 0 и Сх « Си, то формула (58) принимает вид

Q o=vncKj \ c x dt.

Ввиду трудности точного измерения Сх, в этом случае, как и при непрерывном вводе индикатора, полезно иметь образцовый раствор с концентрацией индикатора в нем Сс, близкой к концен­ трации Сх. Тогда аналогично уравнению (57) получим для опре­ деления Q0 формулу

Q0 = (mNc - l ) V J t K,

где т = N/Nc. Здесь N и Nc — соответственно кратности разбавле­ ния индикатора в потоке и в образцовой смеси.

На рис. 80 показано, как изменяется во времени концентра­ ция Сх - С0 в контрольном сечении. Кривая 1 соответствует не­ прерывному вводу метки, а кри­ вая 2 — залповому. Площадь, охватываемая кривой 2, дает

189

рольном сечении через равные интервалы времени в течение време-

<к

ни, не меньшем, чем *к. Действительно J С dt = Cx^tK. Подстав-

если CQ = 0 и Сх «: Сп. Эти формулы, аналогичные формулам (55) и (56), позволяют определить Qq, зная Сх . Найти Сх мож­ но также путем отбора в контрольном сечении в течение времени tK средней пробы и измерения в ней концентрации индикатора. Этот способ, называемый интеграционным, иногда [66] рассмат­ ривают как особую разновидность концентрационного метода.

Если индикатор — радиоактивный изотоп, то его концентра­ цию в контрольном сечении Сх определяют с помощью ионизаци­ онного счетчика, установленного снаружи основной трубы или трубки, по которой непрерывно отбирается проба [40, 63, 64]. В этом случае формула (60) может быть представлена в виде

Q0 = kA»/tKR = kA Jnt

где k — градуировочный коэффициент; Аи — общая радиоактив­ ность введенного индикатора (изотопа); R — число импульсов в единицу времени (скорость счета импульсов счетчиком), про­ порциональное Сх; п - tKR — общее число импульсов за время tK.

Некоторые исследователи [63] считают целесообразным умно­ жать правую часть этой формулы на коэффициент Р, учитываю­ щий профиль скоростей, и полагают Р=1,07 для ламинарного и Р = 1,023+1,029 для турбулентного потока. Необходимость это­ го далеко не очевидна.

7.4.ВЕЩЕСТВА-ИНДИКАТОРЫ

Взависимости от рода измеряемого вещества можно приме­ нять различные вещества-индикаторы, которые принято разде­ лять на две группы: нерадиоактивные и радиоактивные.

При выборе начальной концентрации и количества индикато­ ра нужно, чтобы их конечная концентрация после смешения была не меньше некоторого значения Сх min, которое может быть изме­ рено с достаточной точностью. Если же измеряемое вещество уже содержит индикатор в концентрации С0, то надо, чтобы Сх было достаточно велико по сравнению с С0.

140