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

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

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

	воляющих изменять время т от	R X V ( X )
	7 мс до 70 с. Преобразователи	. 1
	1 и 2, контролирующие случай­
	ные процессы в сечениях А и Б
	(см. рис. 104), должны иметь
	строго одинаковые характерис­	\
	тики, и в том числе динамичес­
	кие, во избежание отрицатель­
	ного влияния на погрешность из­
	мерения тп. Все сказанное каса­
	лось точности определения тп.
	Второй существенный источ­	200	400 т. мс
	ник погрешности Ak зависит от
		Рис. 106. Зависимость корреляционной
	профиля скоростей, определяе­	функции R ху ф от контрольного рассто­
	мого числом Рейнольдса и ше­	яния L, равного:
	роховатостью трубы, и от спосо­	1 — 200 мм; 2 — 300 мм; 3 — 400 мм; 4 —
	ба получения информации об из­	500 мм

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