Расходомеры с ионизацией газа или жидкости электрическим полем
Расходомеры с ионизацией газа или жидкости электрическим полем –это расходомеры у которых в качестве ионизатора выступает электрическое поле.
Ионизация потока газа может происходить под действием электрического разряда. Ионизация диэлектрической жидкости происходит в результате возникновения в ней электрических зарядов под действием внешнего электрического поля.
При ионизации газа электрическим разрядом промежуток между электродами очень мал (несколько миллиметров или даже доли его). Поэтому соответствующие приборы находят применение преимущественно в качестве анемометров для измерения местных скоростей воздуха. Различаются анемометры с тлеющим, дуговым и искровым разрядами.
В конструкций анемометра с тлеющим разрядом расстояние между заточенными на конус концами платиновых электродов диаметром 0,15-0,5 мм равнялось 0,1-0,25 мм. Электроды были припаяны к металлическим стержням, изолированным друг от друга. При столь малом расстоянии между электродами и достаточной величине приложенного к ним напряжения возникает тлеющий разряд, ионизирующий газ. Тлеющий разряд формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока может превращаться в дуговой разряд.
С увеличением скорости газа все большее число ионизированных молекул будет уноситься из зазора между электродами, и ионизационный ток будет уменьшаться. Измеряя силу тока или напряжения на электродах, которое требуется для поддержания постоянной силы тока, можно судить о скорости газа. Для уменьшения шумов на электроды предпочитают подавать переменное напряжение высокой частоты (100 кГц). При очень больших скоростях газа применение анемометров с тлеющим разрядом нецелесообразно, так как требующееся при этом увеличение подводимой мощности может привести к изменению вида разряда.
При больших, в том числе при сверхзвуковых скоростях, применяют анемометры с дуговым разрядом при питающем напряжении весьма высокой частоты для уменьшения шумов. В установке для измерения сверхзвуковых скоростей электроды диаметром 0,7-1 мм были выполнены из молибдена и вольфрама с примесью молибдена. Зазор в пределах 0,15-0,25 мм, частота 25-30 мГц, погрешность около ±5 %. При измерении дозвуковых скоростей электроды можно изготовлять из платиновой проволоки диаметром 0,3-0,5 мм. Благодаря весьма малой инерционности анемометры, как с дуговым, так и с тлеющим разрядом пригодны для измерения скоростей, изменяющихся с частотой, равной десяткам килогерц.
На рис. 2.36 показан ионизационный расходомер для жидкостей-диэлектриков. Поток индустриального масла протекает в кольцевом пространстве между наружным трубчатым электродом 6 и цилиндрическим электродом 7, укрепленным вдоль оси потока с помощью изоляционной втулки 8. Электрод 6 заземлен, а к электроду 7 через винт 9 подается высокое (10 кВ) отрицательное напряжение. Под действием электрического поля в жидкости, находящейся в кольцевом пространстве между электродами 6 и 7, возникают отрицательные электрические заряды.
Рис. 2.36. Ионизационный преобразователь для жидкостей-диэлектриков
Чем больше скорость жидкости, тем большее число этих зарядов будет собираться на третьем электроде – коллекторе 4, отделенном от электрода 6 изоляционной втулкой 5, и тем больше будет сила тока, измеряемая микроамперметром 11. Металлическая крестовина К со стержнем 12 дополняет электрод 4, способствуя лучшему сбору всех зарядов из жидкости. С помощью изоляционных втулок 13 и 10 преобразователь расхода монтируется в трубопроводе.
Ионизационные расходомеры имеют большую погрешность (±5 %) и поэтому применяются редко. Несколько чаще ионизационный метод находит применение для измерения скоростей воздушных потоков.
Расходомеры с вторичными ионизационными преобразователями
Ионизационные преобразователи, могут также применяются в различного рода расходомерах, напримкр в расходомерах обтекания. Так, в ротаметрах для этой цели в поплавке укрепляют радиоактивный изотоп, предназначенный для преобразования перемещения поплавка в сигнал, измеряемый с помощью сцинтилляционного счетчика, счетчика Гейгера или измерителя силы ионизационного тока. В расходомерах с поворотной лопастью радиоактивный изотоп укрепляется на свободном конце лопасти и преобразует поворот или деформацию лопасти в измерительный сигнал. Так, в одном из расходомеров стальная упругая пластина (длиной 40 мм и толщиной 40-100 мкм) одним концом закреплена в трубе диаметром 50 мм, а на другом свободном конце имеет маленький источник γ -излучения. При перемещении этого конца изменяется интенсивность γ-излучения, достигающая приемника, установленного снаружи трубопровода. В этом случае изменение плотности и состава измеряемого вещества будет влиять на степень поглощения γ-лучей, а значит и на показания прибора.
В турбинных расходомерах иногда применяют ионизационные преобразователи частоты вращения турбинки в частоту импульсов тока. В одну или несколько лопастей запрессовывают радиоактивный изотоп, а снаружи трубы устанавливают приемник, экранизированный так, что излучение попадает в него в пределах некоторого угла поворота турбинки.
2 .9. КОРИОЛИСОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Расходомер, основанный на эффекте Кориолиса (Coriolis). Принцип действия кориолисовых массовых расходомеров основан на изменениях фаз механических колебаний трубок, по которым движется измеряемая среда. Измеряемая среда проходит через U-образную трубку (Рис. 2.37), которая испытывает вибрации, перпендикулярные направлению потока и вызывающие закручивание вещества. Если трубка пуста, колебания приведут к синхронному ускорению всех участков трубки. Если же по трубке перемещается жидкость, на неё из-за воздействия ускорения, вызванного колебательным воздействием, будет также действовать кориолисова сила, направленная в различные стороны для входного и выходного потоков жидкости, что приведёт к сдвигу фазы колебаний трубки (Рис. 2.38).
Действие кориолисовой силы можно наблюдать когда гибкий шланг извивается под напором подаваемой в него воды. Величина фазового рассогласования зависит от массы жидкости, протекающей по трубке в единицу времени.
Рис. 2.37. Схема функционирования кориолисовского расходомера
На рис. показано поперечные принудительные колебания труб при отсутствии и при наличии движения жидкости.
а) б)
Рис. 2.38. Поперечные принудительные колебания труб
а – при отсутствии движения жидкости;
б – при противоположном движении жидкости
На рис. 2.39 представлена одна из конструкций кориолисового расходомера. Основными элементами являются две расходомерные трубки, на которых расположены:
привод, состоящий из силовой электромагнитной катушки возбуждения и магнит;
два тензодатчика с магнитами и электромагнитными катушками;
терморезистор.
Рис. 2.39. Кориолисовый силовой расходомер
Трубкам посредством силовой катушки сообщается колебательное движение, из-за чего в системе возникает дополнительная сила инерции – сила Кориолиса, которая сопротивляется вибрации расходомерных трубок. Их изгиб фиксируется индукционными датчиками. При одновременном снятии сигналов наблюдается смещение по фазе. Это относительное запаздывание прямо пропорционально массовому расходу.
Резонансная частота трубки зависит от её массы. Общая масса состоит из: массы самой трубки, которая постоянна для данного датчика, и массы измеряемой среды в трубке, которая равна произведению плотности среды и внутреннего объема трубки. Но так как объем трубки – это константа для данного типоразмера датчика, то резонансная частота колебаний трубки может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения резонансной частоты колебаний, периода колебаний трубки и температуры. Температура определяется с помощью термосопротивления.
Для расходомеров данного типа не существует требования подвода и отвода жидкости по прямым трубам к расходомеру, чтобы выровнять поток.
Прибор должен быть установлен так, чтобы он был постоянно заполнен и чтобы не образовывалось воздушных пробок в системе. Наиболее предпочтительная схема установки является вертикальная с направлением движения потока вверх, но установка в горизонтальных линиях тоже приемлема. Установка в вертикальном положении с направлением движения потока вниз не рекомендуется.
В конструкциях кориолисовых расходомеров вибрация трубопровода не должна создавать помехи измерительному прибор. Если в инструкции по установке упоминаются дополнительные средства, то этот прибор чувствителен к вибрации, и пульсационные демпферы, гибкие соединения и специальные разъемы, рекомендованные производителем должны быть установлены в надлежащем порядке.
Если существует большая вероятность присутствия пузырьков воздуха в жидкости, то рекомендуется установить воздушный дегазатор перед входом в расходомер. Рекомендуется устанавливать фильтры или воздушные дыхательные клапаны для отвода воздуха или паров, т. е для удаления всех нежелательных вторичных фаз. Обязательным требованием настройки расходомера (установки на нуль) является отсутствие воздуха в системе.
Кориолисовый расходомер имеет ряд достоинств, из которых можно выделить:
высокую точность;
повторяемость результатов измерений;
не требуются прямые участки;
работают вне зависимости от направления потока;
нет затрат на установку вычислителей расхода;
нет необходимости в периодической перекалибровке и регулярном техническом обслуживании;
могут работать от разных источников питания с помощью самопереключающегося встроенного блока питания;
надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды;
длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей.
Главным достоинством устройств данного типа является их универсальность – они могут применяться для определения скорости потока большого спектра веществ – как жидкостей, так и газов.
Основным же недостатком кориолисовых расходомеров является их относительно высокая стоимость. Внешний вид кориолисового расходомера представлен на рис. 2.40.
Рис. 2.40. Кориолисовый расходомер
-
2.10. ТУРБОСИЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Турбосиловыми называют силовые расходомеры, в преобразователе которых в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу, поток закручивается.
На рис. 2.41 показана принципиальная схема турбосилового расходомера при внешнем силовом воздействии. Внутри трубопровода 2 установлен ротор 3 с малым радиальным зазором. Ротор имеет каналы для прохода жидкости, которые разделены перегородками, параллельными его оси (могут быть выполнены в виде прямолопастной крыльчатки). Вращаясь от электродвигателя 1, ротор закручивает жидкость. После чего она приобретает винтовое движение, показанное стрелкой. Далее жидкость поступает на ротор 5, закрепленный на пружине 6, и закручивает её на угол, пропорциональный массовому расходу. Неподвижный диск 4 предназначен для уменьшения вязкостной связи между роторами.
Рис. 2.41. Принципиальная схема турбосилового расходомера
Чтобы исключить появление дополнительной погрешности измерения массового расхода, момент, создаваемый силами вязкостного трения на поверхностях ротора, и от момента, создаваемого силами трения в подшипниках, должны сохранить постоянное значение (или быть компенсированы). Чувствительность расходомера увеличивается с увеличением наружного радиуса каналов роторов или лопастей крыльчаток. Длину лопастей выбирают так, чтобы обеспечить закрутку всех частиц потока, проходящих через ротор при наибольшем измеряемом расходе. Таким образом, длина лопастей должна быть тем больше, чем меньше их число.
Если закручивание потока происходит за счет его потенциальной энергии (т. е. электродвигатель отсутствует) с помощью роторов, имеющих наклонные лопатки, то с увеличением расхода скорость возрастает.
Турбосиловые расходомеры отличаются большей компактностью по сравнению с кориолисовыми, но имеют ограниченное применение, из-за невозможности измерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых потоков. Так как при этом возникает опасность расслоения фаз при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, что нарушит равномерное их распределение по сечению и изменит величину измеряемого момента. Но для средних и больших расходов турбосиловые расходомеры могут применяться. Максимальные расходы жидкости у них составляют 6-300 т/ч при диаметрах труб 50-200 мм. Их погрешность ± (0,5-2) % от предела шкалы. Также существенным достоинством данных расходомеров является возможность измерения различных по величине расходов жидкости и газа.
Контрольные вопросы
1. Как работает расходомер постоянного перепада давления?
2. Как работает расходомер переменного перепада давления?
3. Какой расходомер называется тахометрическим?
4. Каков принцип действия турбинного расходомера?
5. Расскажите о турбинном расходомере с индуктивным преобразователем.
6. Расскажите о турбинном расходомере с индукционным преобразователем.
7. Расскажите о турбинном расходомере с фотоэлктрическим преобразователем.
8. Расскажите о турбинном расходомере с оптическим преобразователем.
9. Какие виды турбинок используются в турбинных расходомерах?
10. Каков принцип действия различных шариковых расходомеров?
11. Чем отличается шариковый расходомер от роторно-шарового?
12. Какие расходомеры относятся к камерным?
13. Охарактеризуйте основные разновидности камерных расходомеров?
14. Какова конструкция лопастного счетчика?
15. Какова конструкция ковшового счетчик?
16. На каком физическом принципе основана работа электромагнитного расходомера?
17. Каковы достоинства и недостатки электромагнитых расходомеров?
18. Какие расходомеры называются ультразвуковыми?
19. Чем отличаются различные конструкции ультразвуковых расходомеров?
20. Как работают вихревые расходомеры?
21. Какие конструкции тепловых расходомеров Вы знаете?
22. Какие разновидности ионизационных расходомеров используются в практике измерений?
23. Каков принцип работы кориолисового расходомера?
24. Каковы особенности турбосилового расходомера?
|
