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

ды, создающие разность напряжения U на обкладках, в соответ­ ствии с уравнением

U = [(e -l)/ t]B v D ,

где е — диэлектрическая проницаемость жидкости; В — магнит­ ная индукция; v — средняя скорость жидкости; D — расстояние между обкладками.

В характере уравнений измерения и в устройстве преобразова­ телей расхода у поляризационных и электромагнитных расходо­ меров много общих черт. Но первые предназначены для измере­ ния расхода диэлектрических, а вторые — электропроводных жидкостей. Опытный образец преобразователя поляризационно­ го расходомера имел прямоугольную форму (10 х 60 мм). На его плоских обкладках, находящихся на расстоянии 60 мм друг от друга, при В = 0,56 Тл и v = 0,1 м /с возникла разность напряже­ ний Uуравная 4 мВ. Ввиду очень высокого внутреннего сопротив­ ления преобразователя для измерения поляризационной ЭДС не­ обходимо применение электрометрических усилителей с входным сопротивлением Ю9-Ю 10 Ом.

Другой метод основан на том, что между внутренней поверх­ ностью участка трубы из изоляционного (диэлектрического) ма­ териала и находящейся в трубе диэлектрической жидкостью воз­ никает двойной электрический слой. Движущаяся жидкость вы­ носит из диффузной части этого слоя электрические заряды, со­ здающие разность потенциалов U на концах изолированного участка трубы. Эта разность потенциалов пропорциональна объем­ ному расходу жидкости. На этом принципе в ЛПИ был разрабо­ тан [1] преобразователь расхода, в котором внутри диэлектриче­ ского патрубка для увеличения поверхности двойного электри­ ческого слоя был подвешен вкладыш из синтетического материа­ ла — поливинилхлоридной связки. Ток, возникающий под влия­ нием разности потенциалов [/, преобразовывался в частоту путем периодического заряда и разряда емкости. Периодическая ком­ мутация емкости производилась с помощью порогового устрой­ ства. При сопротивлении нагрузки 10 кОм длительность импуль­ сов равнялась 20 мкс, а амплитуда — 20 В. При увеличении рас­ хода жидкости от 0,6 •10”5 до 6 •10~5 м3/с измеряемая частота возрастала линейно от 15 до 150 Гц. Погрешность преобразовате­ ля расхода около 2 %.

Имеется и иная реализация преобразователя, основанного на движении вместе с диэлектрической жидкостью электростатичес­ ких зарядов. Снаружи трубы, изготовленной из изоляционного материала, располагают несколько, например шесть, кольцевых электродов [7]. Первый, третий и пятый электроды соединяют одним проводом, а второй, четвертый и шестой — другим. При движении зарядов на концах проводов возникает измерительный сигнал синусоидальной формы, частота которого / определяется

193

уравнением f = v/2d, где v — скорость движения жидкости; d — расстояние между осями двух соседних электродов. Данный спо­ соб не обеспечивает высокой точности измерения. Электростати­ ческие заряды носят случайный характер, и измерительный сиг­ нал содержит большой спектр частот.

10.7. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Для измерения расхода электролитов служат многие из ранее рассмотренных расходомеров и в том числе корреляционные. Здесь же кратко остановимся на особых методах, связанных со специ­ фикой данного измеряемого вещества, и прежде всего на методе, который основан на зависимости контактного потенциала метал­ лического электрода от скорости движения электролита. Это обус­ ловлено тем, что с изменением скорости электролита меняется состояние двойного электрического слоя между металлом и ра­ створом его соли. В работе [15] в трубопровод со слабым раство­ ром НС1 вводился электрод в виде трубки из оксида алюминия, имеющей диаметры: внутренний 0,2 и наружный 0,5 мм, запол­ ненной цинком высокой чистоты (>99,99 %). Потенциал электро­ да менялся от -640 до -480 мВ при увеличении скорости жидко­ сти от 0 до 25 см/с. Темп изменения потенциала замедлялся с увеличением скорости жидкости. Изменение потенциала элект­ рода будет вызывать изменение сопротивления и, следовательно, силы тока в цепи, в которую входит данный электрод. На этом основан прибор [5], примененный для измерения расхода шахт­ ной жидкости (pH = 8). Электрод платиновый.

Для слабых электролитов, имеющих небольшую удельную элек­ трическую проводимость у» измерительная цепь состояла из двух платиновых электродов, расположенных в воде (у= 3 - 10-1 См/м) на расстоянии 0,5 мм друг от друга [12]. Проводили испытания проволочных (диаметром 0,5 и длиной 15 мм) и пластинчатых (10 х 5 х 0,5 мм) электродов, включенных в качестве одного из плеч в электрический мост. При изменении скорости движения электродов в неподвижной жидкости наблюдалось или троекрат­ ное изменение отношения AI/I от 0,4 до 1,2 (где / = 5 мкА — сила тока при скорости движения, равной нулю) при постоянном на­ пряжении C/Q, и л и троекратное изменение отношения Д £ //[ /0 от 0,04 до 0,12 при постоянной силе тока. Аналогичные опыты со сла­ быми растворами NaCl и H2S04, имевшими у = (2,9*4,6)10~2 См/м, дали меньшее изменение А /// и At//t/0. Применение алюминие­ вых электродов несколько повышает чувствительность метода, который применим лишь для слабых электролитов и при неболь­ ших скоростях до 15-25 см/с. При дальнейшем увеличении ско­ рости чувствительность резко падает.

Кроме рассмотренного способа, для измерения расхода элект­ ролитов применяют и другие специфические методы, в частно­

194

Г л а в а 11

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ РАСХОДОВ

11.1. ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ РАСХОДОВ

Для возможности измерения переменных расходов приборы должны обладать быстродействием или, иначе, высокими дина­ мическими характеристиками. Это требование относится к рас­ ходомерам не только при измерении быстропротекающих про­ цессов, но также при контроле переходных режимов обычных процессов. Это особенно важно для расходомера, работающего в системе автоматического регулирования. Высокое качество по­ следнего во многом будет зависеть от быстроты реагирования при­ бора на изменение расхода.

Другие требования предъявляются к расходомерам, измеряю­ щим пульсирующий расход, который возникает чаще всего при работе поршневых насосов и компрессоров. В этом случае обычно нужно лишь правильное измерение среднего расхода, а не мгно­ венных его значений. Для этого существенно иметь не столько быстродействие, сколько линейность характеристики расходоме­ ра, понимаемую в широком смысле. Необходима не только ли­ нейность статической характеристики прибора, но и равенство показателей его быстродействия, например постоянных времени, как при уменьшении, так и при возрастании расхода, т. е. линей­ ность в динамике.

11.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Динамические характеристики расходомера определяются при исследовании его реакции на типовой переходный режим, чаще всего на скачкообразное (мгновенное) или же синусоидальное из­ менение расхода. Возникающий при этом переходный процесс в расходомере описывается дифференциальным уравнением, по­ рядок которого будет зависеть от свойств прибора.

Приборы, подчиняющиеся уравнению первого порядка. Ли­ нейное дифференциальное уравнение первой степени, описываю­ щее переходный процесс, имеет вид

где х — величина, непосредственно измеряемая расходомером (перепад давления, создаваемый сужающим устройством; часто­ та вращения турбинки и т. л.). Коэффициент Tv имеющий раз­ мерность времени и называемый постоянной времени, — основ­ ная характеристика динамических свойств расходомера.

196

Решая это уравнение при скачкообразном изменении расхода от Qj до Q2, получим

значения х. Соответствующий переходный процесс показан на рис. 114.

При t = T1 из этого уравнения получим, что (х - л^) = 0,632 (х2- - JCj). Откуда следует, что постоянная времени Тг прибора назы­ вается время, в течение которого его показания (х - х^) изменят­ ся на 63,2 % (—2/3) от полного их изменения х 2 —Ху

Переходный процесс называется экспоненциальным, если по­ стоянная Tj не зависит от Q и сохраняет одно и то же значение при различных Q1 H Q2 ~ О*. Чем меньше значение Т у тем выше быстродействие прибора. Если в начальной точке кривой пере­ ходного процесса провести касательную, то ее подкасательная будет равна (в масштабе оси абсцисс). Этим способом часто пользуются для определения значения Т у если имеется экспери­ ментально полученная кривая переходного процесса. Существует другой способ нахождения Т у После логарифмирования уравне­ ния (71) получим In (х2 - х г)(х2 - х) = -t/Tv Эта зависимость в по­ лулогарифмических координатах (х2 - х^)/(х2 -х ) и t изобразит­ ся в виде прямой с углом у при основании; ctg у = Т у

Если в уравнении (70) f (Q) соответствует не скачкообразному изменению расхода, а изменению по закону синусоиды с часто­ той со, то и на выходе величина х будет меняться по такому же закону, но с меньшей амплитудой и со сдвигом фазы. Решая в этом случае уравнение (70), получим отношение а амплитуд колебаний на выходе к амплитудам колебаний на входе а = (1 + + T2(D2)”0,5 и сдвиг фаз е колебаний s= arctg Тгсо. Зависимость а от со называется амплитудно-частотной, а зависимость е от со — фазово-частотной характеристикой прибора. Первая из них изобра­ жена на рис. 115 для значений Т у равных 0,001; 0,01; 0,1 и 1 с. Существующие типы расходомеров очень сильно различаются по

Рис. 114. Переходный экспоненциальный процесс

197

небольшую наперед заданную величину а (в % ), например: 0,5; 1; 2; 5 % . Время та называют временем установления или време­ нем a-процентного недохода. Связь между та и Тг выражена урав­ нением а /100 = eT°^Tl9 получаемым из уравнения (70). При а, равном 0,5; 1; 2; 5 и 10 % , имеем т0 = 5,37^; т10/о = 4,67^; т2о/о = = 3,97^; т5о/о= 37^; т10 0/о = 2,37^.

Приборы, подчиняющиеся уравнению второго порядка. Пере­ ходные процессы у рассматриваемых расходомеров описываются

вкотором имеются две постоянные времени Тг и Тт2. Постоянная 7’1 характеризует время запаздывания прибора так же, как и

вуравнении первой степени. Постоянная Т2 — время или круго­ вой период свободных колебаний подвижной системы прибора. Обратная величина k = — круговая или угловая частота сво­ бодных колебаний подвижной системы. Время Т2 характеризует инерционные свойства подвижной системы прибора. Степень ус­ покоения или демпфирования прибора Р = Тг/2Т2 зависит от со­ отношения между Tj и Т2. Она характеризует поведение прибора при переходных процессах. Вводя вместо времени t безразмерное

время т = t/T2, из предыдущего уравнения получим

При Р> 1 переходный процесс при скачкообразном изменении расхода будет апериодическим, а при 0 < р < 1 — колебательным затухающим. Последний процесс показан на рис. 116. Как боль­ шие, так и малые значения р удлиняют переходный процесс.

198