1 |
3 |
9 |
Рис. 102. Структурная схема парциального расходомера:
1 — корпус ПИП; 2 — измерительный (основной) канал; 3 — обводной канал; 4, 5 — измерительные пленочные терморезисторы; б, 7 — компенсационные пле ночные терморезисторы; 8 — нагреватель пленочный; 9 — вставка с набором диа фрагм; 10 — измерительно-преобразующий блок; 11 — ПЭВМ
лило снизить погрешность измерения расхода растворов в усло виях измерения их свойств на 1-1,25 % .
Наряду с указанным направлением развития тепловых расхо домеров постоянно совершенствовались структурные методы по вышения их динамической точности. Разработаны методы адап тивной динамической коррекции по мгновенному значению вы ходного сигнала ПИП или темпу его изменения, при различных законах возмущений по расходу, реализованные на ЭВМ и обес печившие повышение быстродействия тепловых расходомеров в 10-15 раз (Труды 9-й конф., Санкт-Петербург, 1996 г.).
Совершенствование динамических (меточных) методов изме рения включает исследования возможности уменьшения величин измеряемых расходов газов, а также расширения динамического диапазона измерения и создания методики определения градуи ровочной характеристики расчетным путем. Критерием оценки эффективности решения поставленных задач являлись метроло гические показатели лучших зарубежных тепловых расходоме ров газов (фирма «BRONKHORST» типа «ELFLOW»).
Разработан опытный образец парциального меточного тепло вого расходомера, структурная схема которого представлена на рис. 102.
Экспериментальные исследования парциального расходомера показали, что его динамический диапазон увеличился более чем в 7 раз, что обеспечило измерение расхода воздуха в диапазо не 10-300 мл/с с приведенной погрешностью, не превышающей ±1,2 % . Градуировочные характеристики парциального расходо мера при различных диафрагмах обводного канала показали для отверстий диафрагмы 6 мм расходы 140-320 мл/с при времени 580-980 мс, для 5 мм — 70-140 мл/с, а при закрытом отверстии 5-35 мл/с.
171
8.8. ПРИБОРЫ С ОПТИЧЕСКИМИ МЕТКАМИ
Оптическими метками могут быть или вещества-индикаторы, вводимые в поток, или же частицы, присутствующие в потоке, отличные по своим оптическим свойствам от остального измеря емого вещества. В больших и средних трубопроводах оптические метки занимают лишь некоторую часть потока. В малых трубах диаметром менее 10 мм каждая метка может целиком перекры вать сечение потока.
Веществами-индикаторами, создающими оптические метки, могут быть алюминиевая стружка, плексигласовый или алебаст ровый порошок, полистироловые частицы сферической формы диаметром около 1 мм и т. п. Кроме того, для этой же цели могут служить окрашенные жидкости и различные эмульсии, напри мер эмульсия из вазелинового масла и хлорбензола, которая
впотоке воды превращается в шарики диаметром 2-2,5 мм. По этому необходимо, чтобы плотности индикатора и измеряемого вещества были близки друг другу. Заметим, что полистироловые частицы после обработки их ацетоном имеют плотность, почти равную плотности воды.
Существуют разные способы образования оптических меток
всамом измеряемом веществе. Если поток содержит флуоресци рующие частицы, то метки в нем могут быть созданы периоди ческим излучением через прозрачные для последнего окна. В ра боте [60] рассматривается образование оптических меток в пото ке, в который введен раствор пиридина в этиловом спирте. Под воздействием создаваемого газоразрядной трубкой кратковремен ного (длительность 0,3-3 мкс) ультрафиолетового луча, пересе кавшего поток через оптически прозрачные кварцевые стенки,
узкая полоса жидкости мгновенно окрашивалась в синий цвет. Другой способ заключается в образовании в водном потоке путем электролиза газовых пузырьков, состоящих из водорода и кисло рода. Для осуществления процесса электролиза к двум металли ческим проволочкам, установленным перпендикулярно к оси тру бы, прикладывается необходимая разность потенциалов.
Предложены также различные оптико-механические системы для контроля за оптическими метками, распределенными по се чению потока. Так, с помощью лазера и оптической системы, образующей в газопроводе два световых луча на близком рассто янии друг от друга, можно контролировать время пересечения этих лучей механическими частицами, содержащимися в газе [69].
8.9.ПРИБОРЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ МЕТКАМИ
Врассматриваемых приборах имеется катушка-отметчик, рас положенная рядом с трубопроводом или намотанная на него, ко
торая в зависимости от свойств измеряемого вещества создает
172
токовую или магнитную метку. При проходе метки через конт рольное сечение, где расположена вторая катушка, в последней возникает импульс тока. Время перемещения метки на конт рольном участке определяется по разности между временем по явления импульса во второй катушке и временем подачи возбуж дающего импульса в первую катушку.
На рис. 103 показана схема прибора с токовыми метками [5] для измерения расхода электропроводной жидкости, движущей ся по прямоугольному каналу А . Токовая метка создается прямо угольной катушкой Б, расположенной параллельно плоскости канала, при подаче в нее прямоугольного импульса тока от гене ратора 5. Возникающий при этом в жидкости ток перемещается вместе с ней. Когда он проходит мимо приемной катушки Б, ус тановленной на расстоянии х от первой катушки с другой сторо ны канала перпендикулярно к его плоскости, в ней возникает ЭДС. В момент пересечения токовой меткой плоскости катушки В ЭДС в ней переходит от положительного к отрицательному зна чению. Поэтому время Ат перемещения метки по контрольному участку длиной х равно разности времен между моментом, когда ЭДС в катушке В становится равной нулю, и моментом подачи возбуждающего импульса в катушку Б. Сигнал от катушки В по ступает на усилительно-амплитудный ограничитель 1. Последний, связанный через ключ Г с генератором 5, включает его в момент перехода через нуль напряжения на выходе усилителя 1. На се лектор полярности 2 одновременно поступают сигналы от усили теля 1 и генератора 5 после дифференцирования вырабатывае мых им прямоугольных импульсов тока. Выходной сигнал селек тора 2 имеет сложную форму. Его передний фронт переключает триггер 3, на выходе которого образуется прямоугольный импульс. Частота этих импульсов, равная частоте импульсов генератора 5, и, следовательно, обратно пропорциональная расходу, измеряет
ся частотомером 4. Длина конт |
|
||
рольного участка х берется тем |
|
||
больше, чем больше значения ско |
|
||
рости потока v. Кроме того, эта |
|
||
длина зависит от |
электрической |
|
|
проводимости х и магнитной про |
|
||
ницаемости р вещества. Имеем х > |
|
||
> 1ясрд2/4, где а — полуширина ка |
|
||
тушки. Длина х - |
3,7 мм при v от |
|
|
2 до 3 м/с и х - |
8,5 мм при |
v = |
|
= 20 м/с. Амплитуда сигнала, сни |
|
||
маемая с катушки размерами 9 х |
|
||
х 50 мм, имевшей 500 витков, при |
|
||
измерении расхода алюминия рав |
1AQ |
||
нялась 10 мВ. Приведенная |
по- |
||
|
r |
|
Рис. Шо. Схема расходомера с токо- |
грешность измерения ±2 % . |
|
выми меТками |
|
173
Расходомер с магнитными метками был разработан для изме рения расхода магнитных железорудных пульп [2]. Вокруг тру бопровода из немагнитного материала» по которому движется пульпа, намотаны две катушки на расстоянии L друг от друга. При подаче в первую из них кратковременного импульса тока в пульпе образуется магнитная метка длиной L В момент прохода метки внутри второй катушки в последней возникает импульс тока. Средний радиус катушки рекомендуется иметь равным I для получения выходного сигнала наибольшей крутизны.
8.10. ПРИБОРЫ С ЯДЕРНО-МАГНИТНЫМИ МЕТКАМИ
Приборы с ядерно-магнитными метками основаны на явлении ядерно-магнитного резонанса. Их применяют для жидкостей, имеющих большое гиромагнитное отношение, и лишь для труб, диаметр которых не более 100-150 мм. Они рассмотрены в гл. 5, посвященной ядерно-магнитным расходомерам.
Г л а в а 9
КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
9.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Большинство однофазных потоков, не говоря уже о многофаз ных, не строго однородны. Поэтому те или другие свойства или параметры потока (плотность, электрическая проводимость, тем пература и т. д.) непрерывно меняются случайным образом. Если с помощью коррелометра определить абсциссу максимальной ор динаты взаимной корреляционной функции двух случайно изме няющихся параметров потока одного и того же рода, в двух сече ниях, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии L, то эта абсцисса будет соответствовать времени тп перемещения пото ка на указанном расстоянии L. Зная поперечное сечение потока S, его объемный расход Q0 можно будет определить по формуле
Q0 = kSL/xB,
где k — коэффициент, учитывающий влияние профиля скорос тей, свойств вещества и характера информационно-измеритель ного устройства.
Принципиальная схема корреляционного расходомера показа на на рис. 104. Изменение того или другого параметра потока, например концентрации отдельных его фаз, воспринимается в сечениях А и Б двумя преобразователями 1 и 2. Сигналы х (t) и у (f), вырабатываемые этими преобразователями, приведены на рис. 105, а. Хотя сигналы х (t) и у (t) носят случайный характер, но, благодаря сравнительно небольшому расстоянию L между се чениями А и Б, они имеют тесную корреляционную связь. Форма сигнала х (t) опережает форму сигнала у (t) на время тп (рис. 105, б), необходимое для перемещения частиц потока от сечения А до сечения Б. Для измерения этого времени служит коррелометр (см. рис. 104), состоящий из блоков 3, 4, б и изме рительного прибора 5. Блок 6 преобразует сигнал x(f) в сигнал х (t - т). Он имеет регулирующее устрой
ство, позволяющее изменять время задерж ки т. Блок 3 дает произведение сигналов х (t - т) у (f). Блок 4 интегрирует это про изведение и выдает его среднее значение
Яху(т) за некотоРый период времени Г. Значение корреляционной функции Rxy ^ определяется уравнением
т
Rxy(x) = lim (1/ Т) j х (t - т) у (f) dt.
0
Рис. 104. Схема корреля ционного расходомера
175
Рис. 105. Корреляционный расходомер: а — сигналы преобразовате лей; б — вид корреляционной функции
Вид этой функции показан на рис. 105, б. Она имеет сравнитель но резко выраженный максимум, когда время задержки т рав но времени тп перемещения частиц потока от сечения А до сече ния Б.
Для вычисления корреляционной функции Rxy ^ и определе ния времени тп имеется и другая более новая схема коррелометра [12], основанная на трансформации сигналов х (f) и у (f) в ряды Фурье и получении взаимного спектра этих сигналов.
В большинстве случаев корреляционные расходомеры имеют только два канала преобразования расхода, как показано на рис. 104. Но известны [15, 23] расходомеры с несколькими парами кана лов преобразования, установленных последовательно в трубопро воде. Они целесообразны при измерении неустановившихся пере менных расходов.
Между корреляционными и меточными расходомерами име ется много общего. В том и другом случае на концах некоторого участка длиной L устанавливаются преобразователи, служащие для определения времени т — прохода потоком этого участка. Но в одном случае в поток вводится метка, и преобразователи выра батывают дискретные сигналы при проходе потоком контрольно го участка, а в другом — вырабатываются непрерывные сигналы, соответствующие характеру изменения случайных процессов в контролируемых сечениях. Особенно близки к меточным те кор реляционные расходомеры, у которых случайные процессы со здаются искусственным путем [26].
Достоинства корреляционных расходомеров: возможность при менения для измерения расхода загрязненных сред, многофаз ных потоков и расплавленных металлов; отсутствие потери дав ления; отсутствие контакта с измеряемым веществом в большин стве случаев.
Недостатки корреляционных расходомеров: длительность про цесса измерения, так как с уменьшением времени измерения Т погрешность возрастает; ограниченная точность, обычно погреш ность измерения расхода не менее 1,5-2 % .
Корреляционные расходомеры предназначены в первую оче редь для измерения многофазных веществ и различных потоков, имеющих какие-либо неоднородности. Иногда случайные изме нения какого-либо параметра потока, например температуры с по мощью нагревателя, создаются искусственным путем. Перед пре
176