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

Катушки модуляции питаются от генератора низкой частоты 14, а приемная катушка — от генератора высокой частоты 9. При изменении расхода в приемную катушку 8 поступает жидкость

сположительной или отрицательной намагниченностью. Возни* кающий сигнал ЯМР проходит через усилитель высокой часто­ ты 10, детектор 11, усилитель низкой частоты 12 и поступает в синхронный детектор 13. При этом на его выходе появляется напряжение, знак которого зависит от направления изменения расхода. Это напряжение в вибропреобразователе 15 преобразует­ ся в переменное напряжение с частотой 50 Гц, усиливается уси­ лителем 16 и подается на реверсивный двигатель 17, который через редуктор соединен с потенциометром 19, регулирующим выходное напряжение генератора 18, подключенного к катушке нутации. Расход определяется по положению стрелки или пера потенциометра. Кроме того, его можно измерять по амплитуде напряжения генератора 18.

Малые массы и габаритные размеры магнитных систем благо­ даря применению кольцевых сердечников и их экранирование

спомощью замкнутого ярма позволило расположить поляриза­ тор и «резонатор» вблизи друг от друга. Это повысило отношение сигнала к шуму и снизило значение минимального расхода. На нижнем пределе измерения 0,1 л/ч относительная погрешность составляет 10 % , а в середине шкалы и на верхнем пределе 4 л/ч относительная погрешность не более 2 % . Столь большой диапа­ зон измерения (4 : 0,1 = 40) достигнут вследствие того, что шкала расходомера не линейная, а обратно-квадратичная. При желании иметь линейную шкалу прибора надо, учитывая, что между рас­ ходом Qc и силой тока i в катушке нутации существует обратно­ квадратичная зависимость, измерять ток i с помощью термоэлек­ трического миллиамперметра.

Нутационные расходомеры имеют перед меточными преиму­ щество благодаря более высокому отношению сигнала к шуму, что достигается не только возможностью близкого расположения поляризатора к резонатору, но и возможностью применения уз­ кополосных схем детектирования. В меточном расходомере мет­ ки жидкости имеют широкий спектр частот, для пропускания

которого требуется широкополосный канал. Перед амплитудным расходомером преимущество нутационного состоит в большей точности измерения и отсутствии зависимости показаний от вре­ мени релаксации Tv Нутационные расходомеры целесообразны в качестве промышленных приборов, прежде всего для измере­ ния малых и микрорасходов.

Меточные расходомеры. В меточных ядерно-магнитных рас­ ходомерах на каком-либо участке пути от поляризатора до при­ емной катушки «резонатора» производится создание метки в по­ токе путем изменения вектора намагниченности ядер. Расход Q0 определяется по времени t прохождения жидкостью пути L от отмет­ чика, создающего метку, до приемной катушки. Очевидно, имеем

129

Q0 = kLnd2/4t = kVL/t,

где k — поправочный множитель, учитывающий реальные усло­ вия измерения времени t; VL — объем участка трубопровода дли­ ной L. Существует много разновидностей ядерно-магнитных ме­ точных расходомеров, различающихся как способом создания метки в потоке, так и методом измерения времени t.

Чаще всего отметчиком жидкости служит нутационная катуш­ ка, находящаяся между поляризатором и «резонатором». Через нее импульсами длительностью т периодически пропускается пе­ ременный ток, создающий резонансное поле с индукцией Вн. Обыч­ но коэффициент нутации Ан выбирают так, чтобы при йн = 0 депо­ ляризовать ядра или же при feH= - l осуществить инверсию их намагниченности. В последнем случае отношение сигнала к шуму в два раза больше. Время *н прохождения жидкости через катуш­ ку нутации длиной /н, зависящее от расхода Qc, не должно вли­ ять на коэффициент Ан. Для этого надо иметь или очень короткие импульсы, чтобы их длительность т была много меньше t при наибольшем расходе, или же наоборот, длительность т должна быть достаточно большой, чтобы получить угол нутации 0 > 5я. В последнем случае достигается kn = 0 вследствие расфазировки ядерной намагниченности в различных точках поперечного сече­ ния потока.

Имеются и другие способы отметки ядер. Так, в американских расходомерах [12, 13] отметка производится импульсным изме­ нением величины постоянного магнитного поля в резонаторе, доводящем его до такого значения, при котором частота осцилли­ рующего поля в приемной катушке становится резонансной. Это достигается путем кратковременного пропускания импульсного постоянного тока через катушку отметчика, расположенного в по­ ле магнита «резонатора» на расстоянии L от приемной катушки (впереди от нее).

Также различны могут быть и методы измерения времени t прохода меткой контрольного пути L. Во временном методе схе­ ма включается в момент начала (или конца) отметки и выключа­ ется в момент изменения амплитуды сигнала в приемной катуш­ ке до заданного уровня А, обычно до половины максимального изменения амплитуды. При этом способе шкала нелинейна. При частотном методе измеряется частота повторения циклов отмет­ ки. Отметка включается в момент возрастания амплитуды сигна­ ла А и выключается в момент уменьшения ее до того же значе­ ния. При этом отметчик работает в течение времени t, пока перед­ ний фронт метки не достигнет приемной катушки, и затем, тоже в течение времени t9выключен. Отсюда частота отметки F = 1/2J. Подставляя это в предыдущее уравнение, получим

Qc = 2kVLF.

130

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