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

В работе [28] для измерения расхода смеси газа с твердой фа­ зой при концентрации последней от 150 до 450 кг/м3, скорости от 4 до 15 м /с и давлении от 2,3 до 2,8 МПа в поток с помощью вращающегося дозирующего цилиндра и повышенного давления последовательно вводились цеолитовые зерна диаметром 2,2-2,4 мм, содержащие изотоп In113 с периодом полураспада 100 мин. По­ следний получали в особом генераторе из изотопа Sn113. Плот­ ность цеолита равнялась плотности твердой фазы в потоке. Изме­ рения производили в вертикальной трубе на восходящем потоке. Расстояние между двумя, установленными снаружи трубы сцинтилляционными детекторами, равнялось 10 м. Погрешность из­ мерения не превышала ±1 % .

8.5. ПРИБОРЫ С ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТКАМИ

Приборы с физико-химическими метками также могут слу­ жить для измерения расхода как жидкостей, так и газов, но вы­ бор индикаторов в этом случае более ограничен. Так, для измере­ ния расхода воды обычно применяют лишь солевые метки. Ис­ следование по применению солевых меток для измерения расхо­ да воды в трубопроводах диаметром 200 и 1000 мм, а также

влиниях, подающих воду к гидравлическим турбинам круглого (диаметры 3500, 4000, 6000 мм) и прямоугольного (площади 31 и 59 м2) сечений, было выполнено Алленом и Тейлором [19] еще

в1923 г. Учитывая значительные площади сечений водоводов, они вводили раствор соли не в одной, а в нескольких точках сече­ ния. Контрольные участки выбирались большой длины около 100D (L = 108 м при D = 1,04 м и L = 426 м при D = 4 м). В начале участка, находившегося вблизи от места ввода раствора соли, и

вконце его устанавливались стержневые электроды, перегора­

живающие сечение трубы. Погрешность среднего результата из серии экспериментов по измерению расхода воды указанным ме­ тодом не превышала ±0,05 % . Применение солевых меток для измерения особенно больших расходов воды в трубах и открытых каналах и реках оказалось весьма целесообразно [38]. Рекомен­ дации по применению данного метода имеются в документе, раз­ работанном ИСО [44]. Рекомендуемые концентрации солевого раствора от 3 до 120 г/л в зависимости от метода контроля меток. Для улучшения перемешивания раствора соли с водой его наи­ большую допустимую плотность рр следует определять из уравне­ ния uc = 0,2gD(pp/p - 1), в зависимости от средней скорости воды L>c, ее плотности р, диаметра трубы D и ускорения свободного падения g. Раствор подается сжатым воздухом (его давление на 0,25 МПа больше давления в трубе), действующим на раствор, находящийся в резервуаре, или же на исполнительный механизм, перемещающий поршень, подающий раствор в трубу. Вводить раствор при длине контрольного участка L менее 100Х> рекомен-

160

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