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

Для измерения расхода воды ИСО [12] рекомендует следую­ щие нерадиоактивные индикаторы (для некоторых из них в скоб­ ках указаны значения Сх min): бихромат натрия (2 •1СГ1 при пря­ мом анализе; 2 ■10-3 после реконцентрации); хлорид натрия (1 - 10 мг/л в зависимости от начальной электрической проводимос­ ти); родамин В (2 •10-4 мг/л); родамин Wt; хлорид лития; флуоресцин (5 •10~3 мг/л); нитрит натрия; сульфат марганца (1 мг/л согласно [39]). Бихромат натрия отсутствует в значительных до­ зах в природной воде, но хорошо в ней растворяется. Он относи­ тельно дешев, а малые его концентрации сравнительно легко оп­ ределяются колориметрическим методом. Хлорид натрия очень дешев и доступен, а сопротивление его раствора пропорциональ­ но концентрации в широком диапазоне, но он присутствует в при­ родной воде и неприменим при очень слабых концентрациях. Родамины отсутствуют в природной воде и допускают определение при очень малых концентрациях Сх min, но они не очень хорошо раство­ ряются и дорогостоящие. Чаще всего применяют хлорид натрия, но если измеряемая вода сама содержит его в заметном количестве, то во избежание очень большого расхода хлорида натрия переходят на другой индикатор, в частности на бихромат натрия. Учитывая ток­ сичность последнего, его окончательная концентрация Сх должна быть во много раз меньше, чем хлорида натрия.

Иногда [21] для прозрачных веществ, например для воды, при­ меняют светорассеивающие индикаторы, например суспензию поливинилхлорида.

При измерении расхода газа в зависимости от его состава в ка­ честве индикаторов применяют те или другие газы. Для измере­ ния расхода воздуха используют диоксид углерода, фтор, оксид углерода, монооксид азота и природный газ. Но при измерении расходов газа лучше применять в качестве индикаторов радиоак­ тивные изотопы, потому что погрешность измерения малых кон­ центраций газовых индикаторов значительна ±(2-5-3) % . Чаще всего для этой цели служит Кг85. Некоторые радиоактивные изотопы, например Na24 и Вг82, находят применение также и при измере­ нии расхода жидкостей. Выбирая радиоактивный изотоп в каче­ стве индикатора, надо учитывать время его полураспада, макси­ мально допустимую концентрацию в измеряемом веществе, кото­ рая зависит как от степени радиоактивности изотопа, так и от назначения измеряемого вещества, например питьевая вода. В последнем случае лучше вообще воздержаться от применения радиоактивных индикаторов. По соображениям техники безопас­ ности во всех случаях нежелателен длительный период полурас­ пада, но слишком короткий непригоден, так как не обеспечит необходимой точности измерения. В работе [62] авторы применя­ ли Вг82 и в некоторых случаях Кг85 и Аг41 для контроля сужаю­ щих устройств, служащих для измерения сжиженного нефтяно­ го газа. В той же работе для исследования систем водоснабжения применяли водные растворы Вг82 и Аи198.

141

7.5.ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ИНДИКАТОРА

СИЗМЕРЯЕМЫМ ВЕЩЕСТВОМ

Для обеспечения точности измерения расхода концентрацион­ ным методом как с непрерывным, так и с залповым вводом инди­ катора, требуется достаточно полное перемешивание индикатора с измеряемым веществом. Необходимая длина L трубопровода,

вконце которого наступает полное перемешивание, зависит от многих причин. Наибольшая длина L требуется, когда переме­ шивание происходит естественным путем под влиянием турбу­ лентной диффузии на прямолинейном участке трубы. На рис. 81 показано выравнивание концентрации Сх оксида азота по сече­ нию прямого воздухопровода диаметром 300 мм по мере удале­ ния от точки ввода в центре трубы [52]. Средняя скорость возду­ ха в трубе равнялась 4,1 м/с.

На рис. 82 показано выравнивание профиля солевой метки

вводопроводе диаметром 1000 м. Эти, а также другие эксперимен­ ты (см. рис. 84) позволили сделать вывод о том, что для достаточ­ но полного перемешивания на прямом участке его длина L долж­ на быть не менее 1002). В стандартах ИСО [12, 46] приведены три теоретические формулы для относительной длины L/D, при ко­ торой вариация концентрации Сх в контрольном сечении не пре­

восходит заданного значения х = Сх / С (% )

Рис. 81. Выравнивание концентрации ве­ щества-индикатора (оксида-азота) по се­ чению воздухопровода с увеличением рас­ стояния L от места ввода

Рис. 82. Выравнивание профиля со­ левой метки по сечению водопро­ вода с увеличением расстояния L от места ввода:

1 — профиль скоростей; 2 — профиль

метки L = 22D; 3 — профиль метки L-

= кип

-150 -100 -50 0 50 100150 R, мм

142

В этих формулах X и X0 — коэффициенты сопротивления ре­ ального и гладкого трубопроводов соответственно; Re — число Рейнольдса.

Формула (61) получена в предположении постоянства распре­ деления коэффициента радиальной диффузии kRи скорости потока в сечении. Формула (62) исходит из параболического распределе­ ния коэффициента Лд и постоянства скорости потока в сечении. При выводе формулы (63) принято параболическое распределе­ ние коэффициента Лд и логарифмическое — профиля скоростей. Результаты расчета по этим уравнениям необходимой длины L/D для Re = 105 и гладких труб показаны на рис. 83. С возрастанием числа Re длина L/D увеличивается, в частности на 25 % при воз­ растании Re от 105 до 106.

С увеличением шероховатости трубы относительная длина L/D несколько сокращается. Но расчет по приведенным формулам дает преуменьшенные значения L/D, как это следует из эксперимен­ тальных кривых, приведенных в тех же стандартах ИСО [12, 46] и показанных на рис. 84. Кривая 2, полученная при вводе инди­ катора в центре, требует примерно в два раза больших значений L/D, чем это следует из теоретических кривых. При вводе ин­ дикатора у стенки трубы (кривая 1) значение L/D еще более воз­ растает. Если же индикатор вводится не через одно, а через не­

143

сколько отверстий, расположенных на равном расстоянии друг от друга, то длина L/D резко сокращается. Кривая 3 получена при четырех отверстиях, расположенных у стенки трубы, а кри­ вая 4 — при вводе через четыре отверстия, расположенных по кольцу с радиусом 0,63Я, где R — внутренний радиус трубопро­ вода [28]. Согласно некоторым экспериментальным работам [32], для полного перемешивания раствора при вводе индикатора че­ рез одно отверстие требуются очень большие длины L, вплоть до (600-5-700) D.

Сокращения необходимой длины перемешивания можно до­ стигнуть помимо многоточечного ввода индикатора и рядом дру­ гих мер. Одна из них состоит во вводе индикатора навстречу по­ току с большой скоростью, значительно превосходящей среднюю скорость потока. По сравнению с обычным центральным вводом ввод в центре навстречу потоку позволяет сократить L на 1/3. Существенному сокращению L способствуют также местные со­ противления. Согласно проведенным опытам [42], четыре колена на трассе сокращают длину L от 100D до 55Х>. В стандартах ИСО указывается на эффективность турбулизующих средств, напри­ мер пластин, поставленных под углом к потоку сразу после места ввода индикатора. Если между местом ввода и контрольным се­ чением имеется насос (или газодувка), то перемешивающий эф­ фект последнего можно считать эквивалентным 100£> прямого участка трубы.

Нередко более целесообразно не добиваться высокой степени перемешивания индикатора с измеряемым веществом, а приме­ нить метод усреднения отбираемой пробы. Возможны два способа этого усреднения. Один из них [12, 46] состоит в отборе проб через несколько отверстий, равномерно расположенных в конт­ рольном сечении и последующем перемешивании их. При Re = = 105 шесть точек отбора при L = 50D эквивалентны одной точке, расположенной на расстоянии L = 100D. Другой способ основан на усреднении во времени пробы, отбираемой в одной точке. Этот способ с успехом был применен при контроле труб Вентури, уста­ новленных на ленинградском водопроводе. Отбираемая проба по­ ступает в сосуд-усреднитель диаметром 200 мм и объемом 6 л (при скорости отбора 0,1-0,15 л/с). Сосуд снабжен отражателем, способствующим хорошему перемешиванию пробы. Концентра­ ция индикатора измеряется на выходе из сосуда-усреднителя. Рассматриваемый способ позволил сократить расстояние L меж­ ду местом ввода индикатора и контрольным сечением до 3(Ш.

7.6. УСТРОЙСТВО КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Элементы конструкции. Концентрационный расходомер состоит из устройства для ввода индикатора в поток при одновременном измерении его расхода или количества и устройства для измере­

144

ния концентрации Сх в потоке после его перемешивания или уст­ ройства для измерения отношения этой концентрации и концен­ трации Сс образцовой смеси. Концентрация индикатора Си во вво­ димом веществе должна быть предварительно определена. Уст­ ройства для непрерывного ввода индикатора отличны от устройств для его залпового ввода. В первом случае для ввода жидкостных, в том числе и радиоактивных растворов, применяют поршневые или ротационные насосы-дозаторы. Пример подобного поршнево­ го насоса, снабженного коробкой скоростей для изменения скоро­ сти движения поршня, показан на рис. 85. Насос предназначен [22, 23, 57] для ввода радиоактивного раствора. Возможное вре­ мя ввода 5, 20, 30 и 45 мин. Внутри тщательно обработанно­ го цилиндра 4 из коррозионно-стойкой стали диаметром 69,9± ±0,025 мм (полезный объем 751 см3) перемещается поршень 6, снабженный уплотнением 5. Поршень приводится в движение син­ хронным электродвигателем 3 через коробку скоростей 2, пере­ ключение которых производится рукоятками 11. Ход поршня ограничен концевыми выключателями 10. Заполнение цилиндра раствором происходит через вентиль 9 и съемную крышку 7, а подача раствора в измеряемое вещество — через ту же крышку и вентиль 8. Учитывая радиоактивность раствора, все устройство закрыто свинцовым защитным чехлом, снабженным ручкой 1 для переноса. Подобный насос-дозатор одновременно измеряет рас­ ход и обеспечивает хорошее его постоянство. В других случаях для измерения индикатора применяют те или другие расходоме­ ры, а для обеспечения постоянства подачи — регуляторы расхода [66]. Нередко [23, 57] раствор из дозатора вводят не непосред­ ственно в поток, а в промежуточную емкость (трубу) с водой, где разбавление индикатора доводят до 1: 1000. Этот разбавленный

раствор и подается в поток. В результате сокращается необходи­ мая длина перемешивания.

Газообразный индикатор вводят из баллона [30], давление в котором выше, чем давление измеряемого вещества, через ре­ дуктор и теплообменник. Постоянство расхода достигается при критической скорости истечения через одно или несколько от­ верстий. При необходимости может быть применен регулятор рас­ хода. А расход определяется путем взвешивания баллона до и пос­ ле введения индикатора в измеряемое вещество и измерения вре­ мени введения.

У концентрационных расходомеров залпового типа индикатор вводится с помощью быстродействующих устройств (пневмати­ ческих, пружинных и т. п.). Примеры подобных устройств показа­ ны на рис, 94 и 95. Иногда время ввода удается довести до 0,15 мс [57]. Очень простой способ залпового ввода индикатора показан на рис. 88.

Схемы концентрационных расходомеров. На рис. 86 показана гидравлическая, а на рис. 87 — электрическая схемы концентра­ ционного расходомера с непрерывным вводом солевого раствора, разработанная во ВНИИГС. Схему успешно применяли при про­ верке труб Вентури, установленных на водопроводных магистра­ лях Ленинграда. Ее средняя квадратическая погрешность при измерении расхода по оценке ВНИИМ не превышает 0,2 % . Схе­ ма основана на измерении отношения т = (Сс - С$)/(СХ - С0) кратностей разбавления индикатора (соли) в измеряемом веще­ стве и в образцовом растворе или, что то же, отношения концен­ траций соли в образцовом растворе (Сс - С0) и в измеряемом ве­ ществе (Сх —С0).

Приготовленный для ввода в трубопровод 10 (рис. 86) с изме­ ряемым веществом раствор соли известной концентрации Си за-

146

внего раствора соли из бака 8. Отбираемая вода проходит через два кондуктометрических преобразователя г0, сосуд-смеситель 4, усреднитель 5, кондуктометрический преобразователь г0 и слива­ ется в бак 1. Достигнув нижнего открытого конца сосуда 2, вода будет подниматься в нем и сжимать воздух, который станет вы­ теснять из дозирующего сосуда 3 находящийся в нем раствор соли

всосуд-смеситель 4, образуя в последнем образцовую смесь. Эта смесь, пройдя через усреднитель 5 и кондуктометрический пре­ образователь гс, будет сливаться в бак 2. Кратность разбавления образцовой смеси N2 представляет собой отношение объема жид­ кости, поступившей в бак 2, к объему раствора соли, вытеснен­ ной из дозатора 3 в смеситель 4. Кратность N2, получаемая в схе­ ме ВНИИГС автоматически, определяется геометрическими раз­ мерами сосудов 1 -3 и отношением плотностей раствора в дозато­ ре 3 и воды, поступающей в бак 2. Для измерения расхода QQ воды в трубе 10 включают насос 7, подающий в эту трубу раствор соли из бака 8. Постоянство расхода раствора соли контролирует­ ся ротаметром б, а точное измерение этого расхода производится путем деления контрольного объема V бака 8 между отметками а

иб на соответствующее время выхода раствора. После смешения последнего с водой в трубе 10 отбирается ее проба, имеющая кон­ центрацию СхУ которая проходит через усреднитель 9 и кондук­

тометрический преобразователь гх. Благодаря усреднителю рас­ стояние от места ввода раствора до места отбора пробы удалось сократить до 302). Четыре одинаковых кондуктометрических пре­ образователя гху гс, г0 и 7Q включены в мостовую схему (рис. 87), питаемую от сети через трансформатор. Разность напряжений в диагонали моста подается на вход усилителя автокомпенсатора АК. Последний перемещает движок реохорда 2?р, пока напряже­ ние на входе усилителя У не станет равным нулю. Тогда будет справедливо равенство

147

Щ>/Щ = (1 /гс - 1 /г 0) /[ ( 1 /г , - 1 /г 0)л],

rQ и близки друг к другу и поправочный коэффициент Г) может быть принят равным единице. В этом случае отношение кратно­ стей т = (Сс - С0)/(СХ - С0) = (1/г с - 1/г0)/(1/гж - 1/г0) и, следова­ тельно, автокомпенсатор непосредственно измеряет эту величи­ ну. При необходимости можно учесть и значение поправочного коэффициента ц. Искомый расход воды Q0 в трубопроводе 10 оп­ ределяют по формуле Q0~q (mNc - 1), где Nc = — кратность разбавления соли в образцовом растворе. Рассмотренная схема предназначена для измерения расхода воды вплоть до 15 000 м /ч при давлении 0,8 МПа. Объем мерного бака 65 л. Расчетная крат­ ность разбавления стандартного раствора от 1000 до 12 000. Дли­ тельность измерения расхода 5-12 мин.

Схема концентрационного расходомера с залповым вводом со­ левого раствора, разработанная в Ростовском инженерно-строи­ тельном институте [14] для измерения расхода воды при темпе­ ратуре до 100 °С, показана на рис. 88. Так же, как и предыдущая схема, она основана на измерении отношения концентрации соли Сс в образцовом растворе и концентрации соли Сх в контрольном сечении потока с измеряемым веществом.

Оцинкованная трубка 23 вместимостью 15 мл заполняется че­ рез трехходовой кран 22 солевым раствором. Вода под давлени­ ем, поступающая по трубке 21, впрыскивает этот раствор при открытом нижнем кране 24 в трубопровод 25 с измеряемым ве­ ществом. На достаточном расстоянии от места ввода раствора в контрольном сечении через трубку 26 отбирается проба, имею-

Рис. 88. Электрогидравлическая схема залпового концен­ трационного расходомера

148

щая концентрацию Сх. Она проходит через кран 9, змеевик 1, ротаметр 2 и кондуктометрический преобразователь 3. Змеевик 1 проложен внутри теплообменника 4, через который под действи­ ем насоса 5 циркулирует раствор сравнения, имеющий концент­ рацию Сс. Далее этот раствор проходит через кондуктометриче­ ский преобразователь б, ротаметр 7, регулирующий вентиль 3,

а в случае необходимости — еще и через калориферное устройство

спринудительным обдувом. Благодаря теплообменнику происхо­ дит выравнивание температур раствора сравнения и измеряемого вещества, что очень важно для правильной работы кондуктомет­ рических преобразователей 3 и б. Генератор 10 частотой 1000 Гц питает через инвертор 11 стабилизированным напряжением пре­ образователь 3 и, кроме того, переменный резистор 12, имити­ рующий электрическую проводимость потока, имеющего на­ чальную концентрацию соли CQ. Преобразователь б через ин­ вертор 13 и переменный резистор 14, служащий для имита­ ции электрической проводимости исходной воды для раствора сравнения, включены в цепь обратной связи операционного усилителя 15. Измерительный сигнал с последнего поступает на масштабный усилитель 16 и далее на интегратор 13. Вольт­ метр 19 служит для измерения текущего значения отноше­ ния электрических проводимостей, а следовательно, и кон­ центраций растворов С0/Сх в преобразователях 3 и б, а вольт­ метр 20 показывает нарастающим итогом значение интеграла

*к

J Сх dt. Для компенсации неидентичности кондуктометрических

0 преобразователей и возможного неравенства их температур слу­

жит переменный резистор 17. С его помощью при протекании исходной воды через оба преобразователя коэффициент передачи масштабного усилителя 16 устанавливается так, чтобы отноше­ ние электрических проводимостей в преобразователях равнялось единице.

Кондуктометрические преобразователи типа ДСВ-23. Теп­ лообменник, изготовленный из трубы диаметром 83 мм и дли­ ной 700 мм, покрыт изоляцией из поролона толщиной 25 мм и снаружи — оцинкованным железом. Змеевик из нержавею­ щей трубки диаметром 10 мм имеет поверхность 0,2 м . Расхо­ ды в контурах образцового раствора и отбора пробы от 150 до 200 л/ч. Погрешность определения расхода Q0 измеряе­ мого вещества ±1 % . Достоинства схемы — простота устройства и компактность установки, которая легко может быть пере­ носной. Для сокращения участка перемешивания рекоменду­ ется между местом ввода индикатора и местом отбора пробы иметь турбулизирующее сопротивление, например сужающее устройство расходомера, а ввод индикатора делать напротив движения потока.

149

7.7. ОСОБЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Для измерения расхода сточных вод, а также воды, идущей на охлаждение на электростанциях и в промышленности, в качестве индикаторов нередко применяют красящие вещества, обладаю­ щие флуоресцирующими свойствами. Определение их концент­ рации в жидкости производят флуорометрическим методом.

Вработе [29] применялся 20%-ный раствор родамина, который до введения в поток предварительно разбавлялся в 7,3 раза. При постоянной скорости ввода рекомендуемое соотношение расхода q вводимого раствора к расходу QQизмеряемого вещества 1 : 2000.

Внекоторых случаях, например при рециркуляционных систе­ мах, надо измерять также концентрацию красителя в потоке, до места ввода индикатора. Кроме того, следует учитывать возмож­ ное поглощение красителя на пути перемешивания, например, некоторыми твердыми частицами (сера, пирит и т. п.), содержа­ щимися в сточных водах. Методы учета даны в работе [29].

Значительно реже в качестве индикатора применяют суспен­ зию [21], содержащую мелкие частицы (0,5 мкм) из поливинил­ хлорида. Измерение концентрации С этих частиц в потоке основа­ но на поглощении ими света. Степень проводимости Е светового

луча зависит не только от С, но и от толщины х 9 обычно равной D, просвечиваемого участка по формуле Е = с~°'1тх. Погрешность измерения расхода была [21] около ±1 % в пределах чисел Re от 3600 до 340 000. Диаметр трубы D = 150 мм. Расстояние конт­ рольного сечения от места ввода 158D.

Были выполнены работы [34, 35] по применению концентра­ ционного метода для измерения расхода пара и высокотемпера­ турных газов, конденсирующихся при низких температурах. В одной из них [34] в паропровод вводилась радиоактивная вода, содержащая тритий Н3, в другой [35] — криптон Кг85. В первом случае в контрольном сечении непрерывно отбиралась проба пара, который конденсируется, проходя через змеевик, охлаждаемый проточной водой. Во втором в отборную трубку перед охлаждаю­ щим змеевиком непрерывно поступал азот из баллона, расход которого <7а поддерживается постоянным. Он уносил с собой Кг85, не конденсируясь в змеевике. Ионизационный счетчик опреде­ лял в нем содержание изотопа. Помимо измерения расхода азота да измерялся также и расход qn отбираемого пара по количеству полученного конденсата.

7.8. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ РАСХОДОМЕРОВ

Концентрационный метод применяют лишь для разовых из­ мерений в большинстве случаев больших расходов в закрытых и открытых каналах, а также для периодической поверки расхо­

150