Меточными называют расходомеры, основанные на измерении времени перемещения какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути.
Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые разнообразные: ионизационные, радиоактивные, физико-химические, тепловые, оптические, ядерно-магнитные и др. Соответственно различны будут устройства для создания метки и ее детектирования при прохождении ею контрольного участка пути. Радиоактивные, физико-химические и некоторые оптические метки создают путем ввода в поток постороннего вещества-индикатора. В большинстве остальных случаев метка образуется в самом потоке без ввода постороннего вещества. Меточные расходомеры — приборы не непрерывного, а дискретного действия, но при высокой частоте образования меток можно практически говорить о непрерывном измерении расхода. Значительно чаще меточные расходомеры применяют не в качестве эксплуатационных приборов для непрерывного измерения, а для различных лабораторных и исследовательских работ, и в частности при градуировке и поверке других расходомеров.
Меточные расходомеры могут быть с одним или двумя детекторами метки. В первом случае (а) контрольное расстояние считается от места ввода метки 1 до детектора 2, во втором (б) — между двумя детекторами 2 и 3.
Обычно у меточных расходомеров расстояние в процессе измерения остается неизменным, но были разработаны расходомеры, у которых время Д поддерживалось постоянным путем автоматического перемещения одного из детекторов и изменения таким образом расстояния , которое в этом случае будет измеряемой величиной. В этом случае достигается линейность шкалы, но усложняется устройство. Такие расходомеры не получили распространения.
Меточные расходомеры при постоянной величине расстояния могут быть с постоянной частотой образования меток или с частотой, пропорциональной скорости потока. У первых измеряется время или величина, функционально связанная с этим временем, например сдвиг фаз, у вторых — частота генераций меток. Последние работают по схеме, изображенной на рисунке выше, а. Очередная метка создается в момент, когда предыдущая детектируется элементом 2. Поэтому период генерации меток равен времени перемещения метки на участке.
Выбор длины контрольного участка зависит прежде всего от физической природы метки — длительности ее существования, а также от желаемых точности измерения и быстродействия. Ионные метки быстро уничтожаются из-за рекомбинации ионов, а тепловые — вследствие передачи тепла окружающей среде. Поэтому в этом случае обязательна малая величина. При свободе выбора расстояния нужно учитывать, что с увеличением расстояния возрастает точность измерения, но уменьшается быстродействие. В большинстве случаев следует отдать предпочтение повышению точности и не снижать промежуток.
Точность измерения расхода меточными расходомерами зависит не только от точности измерения времени, но также от точности определения средней площади поперечного сечения трубопровода между контрольными отметками. У смонтированной трубы точное измерение внутреннего диаметра трубы и оценка ее эллиптичности не всегда возможны. В этом случае дополнительная погрешность в определении расхода может составлять 1—2 %. Кроме того, у некоторых меток скорость их перемещения определяется не только скоростью потока, но зависит еще и от физических свойств метки. Так у тепловых меток на скорость их перемещения влияет теплопроводность измеряемого вещества.
Устройства для ввода вещества-индикатора применяют для создания радиоактивных, физико-химических и ряда оптических меток. В большинстве случаев для ввода газового индикатора при измерении расхода газа, раствора соли при измерении расхода жидкости, а также радиоактивного изотопа применяют пружинные устройства, обеспечивающие быстрый ввод вещества-индикатора. Схема подобного устройства для ввода порции радиоактивного газа объемом в несколько кубических сантиметров в трубу небольшого диаметра, изображена на рисунке ниже. Время ввода 2-3 мс. Устройство состоит из поршня 4, имеющего две камеры А и В, и пружины 5. На рисунке ниже, а показано положение поршня, при котором радиоактивный газ по трубке 1 заполняет из резервуара камеру А, предварительно вакуумированную через трубку 2. Пружина 5 сжата. Выдвигая защелку, освобождают пружину 5, и она с большой скоростью перемещает поршень 4 вниз в положение, изображенное на рисунке ниже, б. При этом камера А вместе с индикатором вводится в трубу 3.
Устройства для ввода вещества индикатораБыстрый. ввод индикатора можно обеспечить и без пружины, с помощью сжатого воздуха. Пример такого устройства показан на рисунке выше. Оно предназначено для ввода радиоактивного изотопа. Последний через канал 6 поступает в цилиндрическую полость 7 объемом около 12 см3. Эта полость соединена с трубопроводом трубкой 9, диаметром 5 мм, имеющей на своих концах клапаны 8 и 12. Сжатый воздух, подаваемый по трубке 2, перемещает в цилиндре 4 поршень 3 и связанный с ним шток 5. Последний быстро выбрасывает раствор изотопа в трубопровод, открывая клапаны 8 и 12. При подаче воздуха по трубке под поршень 3 система перемещается в исходное положение. Так как площадь поршня 3 в 100 раз больше площади штока 4, то достаточно небольшого давления воздуха для обеспечения быстроты ввода индикатора в трубопровод. К стенке 13 последнего приварен фланец 11, на котором установлена задвижка 10 с укрепленным на ней вводным устройством.
Радиоактивные метки в измеряемом веществе создаются путем ввода в него того или иного изотопа, дающего обычно γ-излучение, хорошо проникающее через стенки трубы. Это позволяет легко проконтролировать проход метки через входное и выходное сечения контрольного участка. Схема расходомера для жидкостей с радиоактивными метками показана на рисунке ниже.
Приборы с радиоактивными метками применяют для измерения расхода как жидкостей, так и газов, даже когда газы ионизированы. При измерении расхода воды индикаторами служат Br82, J131, Au198, Na24 и др. В процессе ректификации нефти служат Co60 Sb124 , а при измерении расхода серной кислоты – золото 198. В измеряемую жидкость изотопы вводят виде растворов. При измерении расхода газа индикаторами служат Kr85 Ar41 Rn222 Xe133 и другие изотопы.
Обычно в качестве детекторов метки применяют сцинтилляционные счетчики. При незначительных диаметрах трубопровода их устанавливают снаружи его на концах контрольного участка. При большом же диаметре целесообразно производить непрерывный отбор проб газа из контрольных сечений через трубки диаметром 12.5 мм, на которых и размещают детекторы.
Для измерения расхода смеси газа с твердой фазой при концентрации от 150 до 450 кг/м , 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. Последний получали в особом генераторе из изотопа Sn . Плотность цеолита равнялась плотности твердой фазы в потоке. Измерения производили в вертикальной трубе на восходящем потоке. Расстояние между двумя, установленными снаружи трубы сцинтилляционными детекторами, равнялось 10 м. Погрешность измерения не превышала ±1 %.
Расходомеры с физико-химическими метками также могут служить для измерения расхода как жидкостей, так и газов, но выбор индикаторов в этом случае более ограничен. Так, для измерения расхода воды обычно применяют лишь солевые метки. Исследование по применению солевых меток для измерения расхода воды в трубопроводах диаметром 200 и 1000 мм, а также в линиях, подающих воду к гидравлическим турбинам круглого (диаметры 3500, 4000, 6000 мм) и прямоугольного (площади 31 к 59 м2) сечений, было выполнено Алленом и Тейлором еще в 1923 г. Учитывая значительные площади сечений водоводов, они вводили раствор соли не в одной, а в нескольких точках сечения. Контрольные участки выбирались большой длины. В начале участка, находившегося вблизи от места ввода раствора соли, и в конце его устанавливались стержневые электроды, перегораживающие сечение трубы. Погрешность среднего результата из серии экспериментов по измерению расхода воды указанным методом не превышала ±0.05%. Применение солевых меток для измерения особенно больших расходов воды в трубах и открытых каналах и реках оказалось весьма целесообразно. Рекомендуемые концентрации солевого раствора от 3 до 120 г/л в зависимости от метода контроля меток. 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 менее 100D рекомендуется не менее чем через четыре отверстия, находящихся на равном расстоянии друг от друга в зоне средней скорости. При промежутке >150D ввод раствора можно осуществлять в одной точке в любом месте сечения трубы, например у стенки.
При измерении расхода газа физико-химические метки применяют реже, но зато здесь ассортимент меток шире. Применяют для этой цели галоидные метки. В качестве индикатора испытывали фреон и четыреххлористый углерод. Из двух контрольных сечений непрерывно отбирали пробы газа, проходящие через детекторы, так называемые течеискатели. В каждом из них два электрода — эмиттер и коллектор ионов. Эмиттер, нагреваемый током до 900 °С, создает начальный ток. На коллектор подается напряжение до 250 В. Когда в межэлектродном пространстве оказывается газ. содержащий галоид, сила тока резко возрастает. Галоидные метки были с успехом применены для контроля состояния диафрагм на газопроводе Средняя Азия—Центр. Длина контрольного участка составляла 50 км. Расход, измеренный с помощью галоидных меток, совпал с показаниями дифманометра, соединенного с диафрагмой, в пределах 1-2 %. Для проверки сужающих устройств, служащих для измерения расхода кислорода, в качестве метки применяли гелий, вводившийся через сверхзвуковое сопло.
Предложено применении для измерения расхода газа меток, создаваемых с помощью жидкого аммиака. Предложено также применение в качестве меток газа (оксид углерода, пары воды, диоксид углерода, монооксид азота), сильно поглощающего инфракрасное излучение. Такая метка, двигаясь с измеряемым газом, пересекает поток инфракрасного излучения, создаваемый небольшим нагревательным элементом, и изменяет количество энергии, поступающей на малоинерционный чувствительный элемент.
Принципиальная схема расходомера с изотопом, размещенным снаружи трубы, показана на рисунке выше. В контейнере 1 заключен изотоп. Обтюратор 2, вращающийся с постоянной скоростью, периодически пропускает через стенку 3 трубы пучок β-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 (108-109 Ом) первого каскада усилителя 6 в цепь источника питания 4, создающего на электродах разность потенциалов, которая выбирается с учетом максимальной скорости движения газа. При прохождении метки между электродами в цепи возникает импульс тока, который, пройдя через усилитель 6, запирает мультивибратор 11, возвращая его в исходное положение. Очевидно, что длительность импульсов на выходе мультивибратора равна времени перемещения метки на контрольном участке от места ее образования до электродов. Последующее преобразование этих импульсов может быть различно. В схеме генератор 10 формирует пилообразное напряжение, амплитуда которого пропорциональна длительности поступающих импульсов. Это напряжение в блоке 9 преобразуется в напряжение постоянного тока, поступающее через каскад 8 с низкоомным входом к измерителю 7. Приведенная относительная погрешность рассмотренного расходомера +2 %. Имеются и другие разработки расходомеров с наружным расположением контейнера с изотопом. В одной из них последний вместе с обтюратором автоматически перемещался реверсивным двигателем так, чтобы время перемещения метки до контрольного сечения оставалось неизменным. Измеряемой величиной было расстояние от источника метки до контрольного сечения.
Значительно реже встречаются меточные расходомеры с изотопом, помещенным внутри трубопровода. Преобразователь такого расходомера показан на рисунке ниже. Внутри трубы 8 на ее концах имеются изоляционные втулки 1 и 6. В кольцевом пазу первой из них укреплена серебряная фольга 2 шириной 12.5 мм, внутри которой находится радиоактивный изотоп Sr90 (Y90 ), создающий β-излучение, непрерывно ионизирующее поток газа. Далее по ходу потока на расстоянии размещены кольцевые электроды 12 к 5, из которых первый через вывод 3 соединен с генератором импульсов, а второй 4 с измерительной схемой. Парные к ним электроды в виде кольцевых цилиндров 10 имеют внутренний диаметр 51 мм. Они отделены от трубы 8 втулками 9 из тефлона и воздушным зазором. Через вводы 7 и 11 к ним подается напряжение 260 В (при скоростях потока 3 12 м/с) или 960 В (при скоростях 10-30 м/с). При этом создается достаточно сильное поле, чтобы при включенном генераторе импульсов обеспечить быструю деионизацию газа в начале контрольного участка. Этому способствует и трехкольцевая конструкция электродов. Среднее кольцо диаметром 38 мм образует один, а два других диаметрами 19 и 51 мм — второй электрод. Когда деионизированный газ достигнет конца контрольного участка, произойдет резкое падение тока в цепи второй пары электродов. Это вызовет новое включение генератора импульсов. Очевидно, что частота этого включения будет линейно расти с ростом расхода.
Преобразователь расхода предназначен для давлений до 0.2 МПа. Его приведенная погрешность ±2 %. Погрешность измерения количества ±1 %. Но большая влажность газа и содержание в нем твердых частиц или капель масла могут нарушать правильную работу расходомера.
Расходомеры с ионизацией потока электрическим полем. Рассматриваемые расходомеры применяются для измерения скоростей и расходов газов, а также диэлектрических жидкостей. У газов ионизационная метка создается искровым или коронным электрическим разрядом, у диэлектрической жидкости — ее поляризацией в электрическом поле. При электрическом разряде образуется небольшое ионное облачко, суммарный заряд которого положителен. Измеряя скорость перемещения этого облачка, можно судить о местной скорости потока. При искровом разряде чаще применяют схему с двумя контрольными сечениями, при коронном разряде — схему с одним контрольным сечением.
Расходомеры с ионизацией газового потока искровым разрядом. Искровой разряд создается генератором, подающим периодически высокое напряжение 300-1000 В обычно к двум электродам, концы которых находятся в газопроводе на близком расстоянии друг от друга. Длину контрольного участка берут тем меньше, чем меньше измеряемая скорость газа, исходя из короткого срока существования метки и необходимости создания на приемных электродах сигналов, существенно превосходящих сигналы от различных шумов и помех.
Электрод 2, имеющий форму иглы, заряжается до напряжения 1600-1800 В от источника E через сопротивление Rк. Коронный разряд происходит в момент, когда около острия иглы скапливаются электроны из газовой среды. Этому способствует источник 1 с радиоактивным полонием, установленный на стенке канала против электрода 2, который создает около последнего небольшую ионизацию газового пространства. Во время разряда, длящегося менее 1 мкc, происходит сильная ионизация газа около электрода. При этом электроны переходят на электрод, а положительно заряженное ионное облачко уносится вместе с потоком газа. Когда оно достигнет приемного электрода 6, установленного на расстоянии 12-15 мм, то в нем возникает импульс тока, протекающий через сопротивление Rв. Электрод 6 состоит из медной проволоки диаметром 0.5 мм, изолированной шеллаком, находящейся в экранирующей трубке из коррозионно-стойкой стали диаметром 1 мм. Электроды 2 и 6 подключены к осциллоскопу 5 через усилители 3 и 4. Разряд на электроде 2 включает ждущую развертку на осциллоскопе, а импульс на электроде 6 после усиления поступает к пластинам вертикального отклонения. Расстояние по горизонтали от начала развертки до средней части приемного импульса дает время переноса метки между электродами (57 мкс).
Расходомеры с тепловыми метками можно применять для измерения расхода как жидкости, так и газа. Они состоят из нагревателя, создающего тепловую метку, и термопреобразователей для измерения времени перемещения метки на контрольном участке. Иногда нагреватель отсутствует. В этом случае термопреобразователи служат для измерения времени перемещения случайных тепловых неоднородностей, имеющихся в потоке. Имеются расходомеры, у которых нагреватель расположен как снаружи, так и внутри трубы.
В некоторых случаях в трубопроводе образуется тепловая метка путем введения в него порции жидкости или газа, нагреваемых в особой емкости, расположенной вне данного трубопровода.
Проблема создания современных методов и средств измерения расходов веществ, обладающих специфическими свойствами (агрессивность, нестационарность физико-химических характеристик, высокая вязкость и т. п.), функционирующих в различного рода сложных условиях эксплуатации, несмотря на определенный прогресс, остается весьма актуальной.
Развитие бесконтактного теплового метода в направлении синтеза интеллектуальных многоканальных тепловых расходомеров позволило существенно повысить их метрологические характеристики при решении сложных задач измерения расхода. При создании таких многоканальных расходомеров использовались некоторые принципы теории инвариантности, в соответствии с которыми первичный измерительный преобразователь (ПИП) теплового расходомера должен обеспечивать организацию как минимум двух каналов передачи первичной информации, помимо канала компенсации возмущающего воздействия (температуры потока вещества). Это является необходимым условием автономизации информации об измеряемой величине (расходе) и неинформативных величинах (изменяющихся свойствах веществ). Реализованы две структуры многоканальных тепловых расходомеров (МТР), основанных на термоконвективных ПИП. В МТР первого типа организация каждого из каналов передачи первичной информации осуществляется с помощью отдельного термопреобразователя или оба канала базируются на комплексной информации, генерируемой одним термопреобразователем. На основе структуры второго рода синтезируются только меточные МТР. Реализация алгоритмов функционирования МТР предполагает использование широких возможностей вычислительной техники. Создание МТР позволило снизить методическую погрешность измерения расхода вязких жидкостей. Для этого использовалась структура МТР первого типа. Так для расходомера мазута дополнительная погрешность измерения уменьшена в 5 раз и составила 0.2%/10 °С.
Существенно снижено влияние нестабильности свойств измеряемых потоков растворов жидкостей на показания меточного МТР, в котором использованы два контрольных участка измерения времени переноса метки. Причем, на первом участке по ходу метки на информативную величину времени влияет как значение объемного расхода, так и свойства раствора (например, плотность), а на втором — величина времени определяется только объемным расходом (скоростью) раствора. Дифференциальное включение этих каналов позволило снизить погрешность измерения расхода растворов в условиях измерения их свойств на 1-1.25 %.
Наряду с указанным направлением развития тепловых расходомеров постоянно совершенствовались структурные методы повышения их динамической точности. Разработаны методы адаптивной динамической коррекции по мгновенному значению выходного сигнала ПИП или темпу его изменения, при различных законах возмущений по расходу, реализованные на ЭВМ и обеспечившие повышение быстродействия тепловых расходомеров в 10-15 раз.
Совершенствование динамических (меточных) методов измерения включает исследования возможности уменьшения величин измеряемых расходов газов, а также расширения динамического диапазона измерения и создания методики определения градуировочной характеристики расчетным путем. Критерием оценки эффективности решения поставленных задач являлись метрологические показатели лучших зарубежных тепловых расходомеров газов.
Разработан опытный образец парциального меточного теплового расходомера, структурная схема которого представлена на рисунке ниже.
Экспериментальные исследования парциального расходомера показали, что его динамический диапазон увеличился более чем в 7 раз, что обеспечило измерение расхода воздуха в диапазоне 10-300 мл/с с приведенной погрешностью, не превышающей ±1.2 %. Градуировочные характеристики парциального расходомера 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.
Оптическими метками могут быть или вещества-индикаторы, вводимые в поток, или же частицы, присутствующие в потоке, отличные по своим оптическим свойствам от остального измеряемого вещества. В больших и средних трубопроводах оптические метки занимают лишь некоторую часть потока. В малых трубах диаметром менее 10 мм каждая метка может целиком перекрывать сечение потока.
Веществами-индикаторами, создающими оптические метки, могут быть алюминиевая стружка, плексигласовый или алебастровый 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, например эмульсия из вазелинового масла и хлорбензола, которая в потоке воды превращается в шарики диаметром 2-2.5 мм. Поэтому 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 в самом измеряемом веществе. Если поток содержит флуоресцирующие частицы, то метки в нем могут быть созданы периодическим излучением через прозрачные для последнего окна.
В рассматриваемых расходомерах имеется катушка-отметчик, расположенная рядом с трубопроводом или намотанная на него, которая в зависимости от свойств измеряемого вещества создает токовую или магнитную метку. При проходе метки через контрольное сечение, где расположена вторая катушка, в последней возникает импульс тока. Время перемещения метки на контрольном участке определяется по разности между временем появления импульса во второй катушке и временем подачи возбуждающего импульса в первую катушку.
На рисунке выше показана схема прибора с токовыми метками для измерения расхода электропроводной жидкости, движущейся по прямоугольному каналу А. Токовая метка создается прямоугольной катушкой Б, расположенной параллельно плоскости канала, при подаче в нее прямоугольного импульса тока от генератора 5. Возникающий при этом в жидкости ток перемещается вместе с ней. Когда он проходит мимо приемной катушки В, установленной на расстоянии от первой катушки с другой стороны 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 значению. Поэтому время перемещения метки по контрольному участку длиной 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 поступает 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 селектор полярности 2 одновременно поступают сигналы от усилителя 1 и генератора 5 после дифференцирования вырабатываемых им прямоугольных импульсов тока. Выходной сигнал селектора 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, измеряется частотомером 4. Погрешность измерения ±2 %.
Расходомер с магнитными метками был разработан для измерения расхода магнитных железорудных пульп. Вокруг трубопровода из немагнитного материала, по которому движется пульпа, намотаны две катушки на расстоянии друг от друга. При подаче в первую из них кратковременного импульса тока в пульпе образуется магнитная метка длинной $l$. В момент прохода метки внутри второй катушки в последней возникает импульс тока. Средний радиус катушки рекомендуется иметь равным $l$ для получения выходного сигнала наибольшей крутизны.
