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

образователями корреляционного расходомера надо иметь пря­ мой участок трубы. Согласно [5], длина такого участка после ко­ лена должна быть не менее (5-*-10)П.

9.2. ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ

Средняя квадратическая погрешность измерения объемного расхода OQ с п о м о щ ь ю корреляционного расходомера определя­ ется по формуле

OQ, = 5 0 [ ( М / ft)2 + (AS / S ) 2 + (AL / L)2 + (Дтп / т п )2 + (2 о т )2 ]0’5 ,

где ДО, AS, AL, Атп — максимальные погрешности измерения вели­ чин ky S, L, тп, а ат — средняя квадратическая погрешность из-за конечности времени Т интегрирования сигналов х (t - т) и у (*).

Наибольший вклад в погрешность измерения расхода вносит Дтп и, в некоторых случаях — еще Ай. Время перемещения тп

ирасстояние L взаимосвязаны. Чем меньше L, тем меньше и тп

итем больше абсолютные погрешности AL и Дтп будут влиять на <Ч* Но [16] с увеличением L (рис. 106) уменьшается не только

величина, но, что более важно, и крутизна максимума корреля­ ционной функции, что приводит к увеличению погрешности Дтп. Кроме того [18], имеются и другие причины избегать значитель­ ных L. Учитывая это, приходится брать сравнительно небольшие величины L, с тем чтобы время тп составляло по возможности доли секунды [10]. Рекомендуется [19] в зависимости от скорости потока брать L в пределах (0,5-s-4)D, где D — диаметр трубопрово­ да. Вместе с тем, для возможности выбора наиболее подходящего значения тп расходомер должен позволять изменять время задерж­ ки т в широких пределах. Так, в работе [21] сообщается о кор­ реляционных расходомерах, поз­

177

меряемом параметре преобразователями, установленными в сече­ ниях Л и Б. Так, ультразвуковые преобразователи реагируют на плотность измеряемого вещества, находящегося в пределах цилин­ дрической области распространения акустических колебаний от од­ ной стенки трубы до другой. Термопреобразователи же реагируют лишь на температуру вещества, окружающего чувствительный эле­ мент (например, конец термопары). Это обусловливает очень боль­ шое разнообразие значений поправочного коэффициента ft и его погрешности Aft. Так, в ультразвуковых преобразователях коэффици­ ент ft меняется от 0,93 до 0,95 при увеличении числа Рейнольдса от 105 до 106. Поэтому принятие постоянного значения ft во всей обла­ сти измерения от до Qmax дает соответствующую погрешность. Кроме того, в некоторых случаях коэффициент ft учитывает и свой­ ства вещества, например влияние осевой теплопроводности на ско­ рость перемещения измеряемого параметра.

Погрешность ат уменьшается с уменьшением L и увеличением периода интегрирования Т. Поэтому время Т надо брать доста­ точно большим, хотя это и связано с запаздыванием показаний. В некоторых случаях [9] оно бывает равно нескольким часам. Но увеличение времени Т не всегда возможно, не только из-за запаз­ дывания показаний, а в частности из-за непостоянства расхода потока. В этих случаях в работе [17] предлагается увеличивать число контрольных сечений, которые надо располагать на рав­ ных расстояниях L друг от друга. Выходные сигналы всех преоб­ разователей суммируются, и определяется частотный спектр ре­ зультирующего сигнала. Пик на кривой частотного спектра соот­ ветствует частоте, которая равна скорости потока, разделенной на расстояние L.

Результирующая погрешность измерения расхода будет также зависеть от точности измерения длины контрольного участка и площади сечения трубопровода S.

Не анализируя все многообразие различных случаев примене­ ния корреляционных расходомеров, укажем лишь, что предель­ ная погрешность измерения объемного расхода у них в большин­ стве случаев равна ±(2*5*4) % , причем для двухфазных потоков она обычно меньше, чем для однофазных [9, 24]. Например, при измерении расхода водопесчаной пульпы с содержанием песка от 2 до 15 % по массе при размерах частиц от 150 до 2000 мкм погрешность измерения не превосходила 1-2 % [6].

Подробный анализ и разбор источников погрешности у корре­ ляционных расходомеров дан в работе [12].

9.3. РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ РАСХОДОМЕРОВ

В зависимости от вида и способа измерения параметров, слу­ чайные колебания которых контролируются в корреляционных расходомерах, существует много их различных вариантов [7, 18].

178

Один из самых основных и нашедших промышленное приме­ нение — это ультразвуковой корреляционный расходомер [10, 23, 24]. В обоих контрольных сечениях снаружи или внутри тру­ бы устанавливается излучатель акустических колебаний часто­ той 0,3-1 МГц. Эти колебания направлены перпендикулярно к оси трубы и воспринимаются пьезопреобразователем, находя­ щимся на противоположной стороне трубы. Присутствие в жид­ кости различных неоднородностей в виде твердых частиц или газовых пузырей вызывает в результате поглощения и рассеяния ослабление акустических колебаний, поступающих на приемные преобразователи, соединенные через усилители, демодуляторы и фильтры с коррелометром. Турбулентность смещает луч, это мо­ дулирует по фазе сигнал приемника.

Согласно [4], работа ультразвукового корреляционного расхо­ домера ухудшается с увеличением отношения D/d, где D и d — соответственно диаметры трубы и пьезоэлемента. С увеличением D уменьшается ширина В корреляционного спектра частот меж­ ду контрольными сечениями. Поэтому в работе [4] рекомендует­ ся иметь D не более 200 мм. В той же работе изучалось влияние длины контрольного участка. С уменьшением этой длины от 3/2D до D/2 линейный участок шкалы прибора возрастал. В ра­ боте [5] также указывается на желательность иметь большие зна­ чения ширины В. С ее увеличением возрастает качество кросскорреляционной функции и снижается погрешность измерения. Обычная диаграмма направленности луча 12 °.

Однако расходомер-счетчик корреляционный ультразвуковой ДРК-М производства фирмы «Флоукор» (Москва), в зависимости от исполнения, обеспечивает измерение расхода от 0,0008 до 150 м3/с в трубопроводах с внутренним диаметром от 43 до 4200 мм (рис. 107).

Предназначен для измерения расхода и объема воды в полнос­ тью заполненных трубопроводах и может быть использован как в технологических целях, так и для проведения расчетных опе­ раций. Измеряемая среда — вода питьевая, теплофикационная, техническая, речная, сточная и т. д., имеющая следующие пара-

/ — трубопровод; 2 — излучатель ПП; 3 — приемник 1111; 4 — кабель; 5 — ЭП; 6 — шестираз­ рядный электро-механический счетчик объема; 7 — токовый выход; 8 — импульсный выход

179

метры: температура от 1 до 150 °С; давление до 2,4 МПа. По­ грешность измерения расхода ±1,5 % .

По согласованию с изготовителем расходомер-счетчик может использоваться для измерения расхода других сред — растворов солей, кислот, щелочей и т. д.

Состоит из электронного преобразователя (ЭП) и первичного преобразователя (ПП), в состав которого входят два акустичес­ ких излучателя и два приемника. Установка ПП может произво­ диться без демонтажа трубопровода. ПП и ЭП соединяются меж­ ду собой радиочастотным кабелем длиной до 200 м.

Выходные сигналы: по каналу измерения расхода — постоян­ ного тока 0-5-5, 4-^20 мА; по каналу измерения объема — импульс­ ный, 1 импульсу в зависимости от исполнения соответствует объем от 0,1 до 10 000 м3. Цифровую индикацию объема воды обеспечи­ вает шестиразрядный электромеханический счетчик. Питание — - 220 В, 50 Гц. Потребляемая мощность — не более 40 В ■А. Мас­ са: ЭП — не более 8 кг; ПП — не более 2,5 кг.

Поверка расходомера-счетчика осуществляется с помощью имитаторов ИРКР-М или ИР-ДРК без демонтажа ПП.

В случае измерения расхода газа излучающие и приемные пье­ зопреобразователи не могут находиться снаружи трубы. В лабо­ раторных же условиях ультразвуковой корреляционный расхо­ домер успешно применяли для измерения расхода газа [7]. В ра­ боте [25] сообщается о применении ультразвукового корреляци­ онного расходомера для измерения расхода и концентрации гидросмесей, а в работе [24] — для измерения воздуховодяной смеси в трубе диаметром 50,8 мм. Расстояние между контрольными сечениями также было равно 50,8 мм. Ультразвуковые преобра­ зователи работали на резонансной частоте 2 МГц. Объемную кон­ центрацию воздуха р, хорошо диспергированного в смеси, меняли от 0,6 до 43,6 % . При Р< 10 % точность измерения была весьма хорошей. С уменьшением скорости смеси от 4 до 1,5 м /с наблю­ далось небольшое увеличение погрешности (до 2%), а с возраста­ нием газосодержания — даже до 4 % .

В работе [13] предложен упрощенный вариант ультразвуково­ го корреляционного расходомера. В контрольных сечениях уста­ новлены лишь по одному пьезоэлементу, излучающему акусти­ ческую волну перпендикулярно к оси трубы и воспринимающему волну, отраженную от рефлектора, помещенного на противопо­ ложной стенке трубы. Неоднородности потока жидкости или газа влияют на образовавшуюся стоячую волну и изменяют акусти­ ческую нагрузку на пьезоэлемент, а следовательно, и его элект­ рический импульс. Расходомер измерял расход воды при скорос­ тях выше 0,4 м /с в трубе диаметром 34 мм и расход воздуха при скоростях до 20 м /с в трубе диаметром 100 мм. Его устройство проще, но погрешность измерения больше (до ±4 %).

Ионизационный корреляционный расходомер состоит из ис­ точников радиоактивного излучения, устанавливаемых с одной

180

стороны трубы, и приемников — обычно сцинтилляционных счет­ чиков, располагаемых с другой стороны. Подобные расходомеры пригодны для измерения газа, содержащего твердые частицы, но применяются сравнительно редко, так как требуют мощных ис­ точников радиации, чтобы приемное устройство могло реагиро­ вать на высокочастотный измерительный сигнал [7]. Устройство ионизационного преобразователя плотности см. в [гл. 12: 14]. Если само измеряемое вещество радиоактивно, то устройство корреля­ ционного расходомера упрощается благодаря отсутствию необхо­ димости в посторонних источниках измерения.

Оптические корреляционные расходомеры — третья разновид­ ность приборов, в которых посторонний луч, пронизывающий трубопровод, модулируется неоднородностями потока. Они нашли преимущественное применение для измерения расхода жидкости в открытых потоках [8], где отражение световых лучей происхо­ дит от неровностей, имеющихся на поверхности жидкости. Но их с успехом можно применять и для измерения расхода гидросме­ сей, движущихся в трубопроводах, например целлюлозной пуль­ пы [11, 14, 22]. В контрольных сечениях, расположенных близко друг от друга, помещают световоды 1 и 2 из волоконной оптики (рис. 108). Диоды 3 посылают через эти световоды лучи света, которые отражаются частицами целлюлозы. Отраженные лучи возвращаются по этим световодам и воспринимаются фотопреоб­ разователями, сигналы которых после прохода через предвари­ тельный усилитель поступают в измерительную схему. Прибор предназначен для измерения расхода целлюлозной пульпы при ее температуре до 100 °С и давлении до 1 МПа. Приведенная по­ грешность ±1 % [22]. Достижению высокой точности измерения способствует, как показывает опыт, равномерный профиль ско­ ростей пульпы, если средняя скорость не превосходит некоторого значения i>max = 1,8С1,4(3, где С — объемная концентрация пуль­ пы, % ; Р — поправочный коэффициент (Р = 0,9 и Р = 1 для древес­

181