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

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

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