Измерение параметров сред учеб. пособие. Ч.1. Методы измерения параметров движущихся жидких и газообразных сред

где B~ − половина амплитуды индукции резонансного магнитного поля; T2

− время поперечной релаксации.

Время T2 характеризует скорость затухания поперечной и установ-

ления продольной составляющих вектора намагниченности M вещества в соответствии с выражением

С течением времени наступает некоторое стабильное состояние в веществе, т.е. устанавливается определенное распределение ядер по энергетическим уровням с соответствующим значением вектора намагниченности MÑÒ , которое находится из предыдущего уравнения при условии,

что dM dt 0 и M MÑÒ :

где величина z 1 2 B~2T1T2 1 называется фактором насыщения, характе-

ризующим конечный избыток числа ядер на нижнем энергетическом уровне по сравнению с соседним верхним.

Если в выражении (3.6) положить B~ 0 , то получается z 1 и MÑÒ M K . Закон изменения вектора намагниченности M вещества под действием одновременно двух полей (поляризующего B и деполяризую-

Зная среднюю скорость VÑÐ движения вещества в трубопроводе и

расстояние между контролируемыми сечениями L , можно определить время прохождения некоторого участка через отношение LVÑÐ . Тогда на-

52

Зависимость амплитуды сигнала ЯМР для движущегося вещества A от значения MÑÐ позволяет записать следующее равенство:

A A0 MÑÐ MÑÒ ,

A0 MÑÒ

где A0 − амплитуда сигнала ЯМР для неподвижного вещества при тех же самых полях B и B~ , пропорциональная MÑÒ .

Подставляя из уравнений (3.10) и (3.6) соответствующие значения MÑÐ и MÑÒ , а также принимая условие, что z 1 и MÂÕ 0 B , можно окончательно записать

Существует несколько принципов построения расходомерных устройств, основанных на явлении ЯМР. Они подразделяются на амплитудные, частотные, нутационные и меточные, которые в свою очередь имеют разновидности: временные, амплитудно-частотные и фазово-частотные.

Независимо от схемы расходомера ядерно-магнитный преобразователь в них содержит магнитный поляризатор, создающий достаточно высокое значение вектора ядерной намагниченности измеряемой среды, и чувствительные элементы, обеспечивающие регистрацию сигнала ядерного резонанса.

Рассмотрим одну из реализаций ЯМР-расходомера, работающего по принципу создания контрольных «меток» в потоке жидкости (рис. 52).

Вещество проходит через постоянное магнитное поле, создаваемое магнитом 1, и поляризуется (ядра вещества ориентируются относительно силовых линий поля, что обусловливает его намагниченность).

ГРЧ ИВИ

Рис. 52. Меточный ЯМР-расходомер

Перемещаясь через катушку 2, на которую подается от генератора 5 переменное напряжение резонансной частоты, поляризованные ядра веще-

53

ства поглощают часть энергии осциллирующего поля, создаваемого катушкой, и вещество деполяризуется. При периодической коммутации тока, питающего катушку 2, в потоке вещества на выходе из катушки будут создаваться пакеты поляризованных молекул, играющих роль контрольных «меток». Эти молекулы, пройдя фиксированное расстояние LM , попадают

в катушку 3, которая также питается переменным напряжением резонансной частоты. В моменты прохождения поляризованных молекул через осциллирующее поле катушки 3 в ее цепи будет возникать сигнал ядерного магнитного резонанса, фиксируемый измерительной схемой 4. Таким образом, в данном случае измерение расхода сводится к измерению времени tM между моментом отключения напряжения от катушки 2 и моментом

появления сигнала ядерного магнитного резонанса в схеме 4, связанной с катушкой 3.

Функция преобразования расходомеров данного типа полностью совпадает с функцией преобразования меточных расходомеров и определяется уравнением

Q LM S , tM

где − коэффициент, зависящий от распределения скоростей по сечению потока и числа Рейнольдса, S − площадь поперечного сечения потока или калибр расходомера.

Другой реализацией ЯМР-расходомеров является устройство, принцип работы которого основан на зависимости амплитуды сигнала ядерного резонанса A от скорости потока вещества V , открытой индийским ученым Сурианом:

На рис. 53 представлена схема амплитудного ЯМР-расходомера. Участок трубопровода помещен в сильное поляризующее поле. На

конце участка намотана катушка индуктивности детектора ЯМР, на которую подается переменное напряжение резонансной частоты. Поляризованное вещество, перемещаясь внутри катушки по всей ее длине l , вызывает сигнал ядерного резонанса, амплитуда которого зависит от расхода веще-

54

ства. Подобное устройство можно применять для измерения расхода жидкостей с большим количеством ядер (например, жидкости, содержащие водород или фтор), обеспечивающим высокоамплитудный сигнал ядерного резонанса. Поскольку концентрация ядер прямо пропорциональна плотности вещества, то погрешность измерения амплитудного ЯМР-расходомера во многом будет определяться такими факторами, как температура, давление, турбулентность потока и др. При учете всех возможных составляющих погрешности и принятии мер по их уменьшению значение ее может составлять 0,5—1,0 %.

l

N

S

Детектор

ЯМР

Рис. 53. Схема амплитудного ЯМР-расходомера

К достоинствам ЯМР-расходомеров (значительно окупающим их конструктивную сложность) относят: высокую чувствительность и малый нижний диапазон измерений; бесконтактность измерений; нечувствительность к перемене ориентировки трубопровода в пространстве; линейность шкалы и возможность использования их в системах контроля и регулирования в связи с малой инерционностью и электрическим выходным сигналом датчика в виде напряжения низкой частоты.

4. ОБЪЁМНЫЕ СЧЁТЧИКИ - РАСХОДОМЕРЫ

Принцип действия – отмеривание объёма и суммирование результатов измерений [16].

Объёмные счётчики бывают различных типов: дисковые, с кольцевым поршнем, с овальными телами вытеснения и др. На рис. 54 показан в качестве примера ротационный счётчик с овальными шестернями вытеснения среды.

Ротационный счётчик содержит измерительную камеру, в которой расположены вращающиеся лопасти, приводимые в движение разностью давлений газа, проходящего через счётчик. Зазоры между лопастями и корпусом 0,04 – 0,1 мм.

Объёмные счётчики с погрешностью не более 1 %, применяются в трубопроводах с диаметром условного прохода 12 250 мм и расходами,

55

измеряемыми в диапазоне от Qmin = 0,01 м3/ч до Qmax = 1000 м3/час. Установка счётчиков производится на вертикальных участках с нисходящим потоком газа.

Измерительная камера

Овальные шестерни

Рис. 54. Ротационный счётчик газа

5. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Мгновенное значение количества тепловой энергии определяется по выражению

Q C(i1 i2 ) ,

где Q – массовый расход теплоносителя, C – теплоёмкость, i1 , i2 – эн-

тальпия теплоносителя на входе и выходе в систему теплоснабжения [1]. Теплоёмкость характеризуется количеством теплоты, которое необ-

ходимо затратить для изменения температуры тела на 1 °С и измеряется в äæ êã ãðàä . Количество теплоты, отнесённое к единице количества веще-

ства называется удельной теплоёмкостью. Энтальпия вещества является сложной функцией температуры T и давления P . В справочниках значение энтальпии для конкретного вида теплоносителя определяется по таблицам для заданных значений: давления P и температуры T .

Расход тепловой энергии W за промежуток времени t t2 t1 опре-

деляется по выражению

t2

W QC(i1 i2 )dt

t1

или по упрощенной формуле для практических расчётов конкретного типа теплоносителя при постоянном давлении

t2

W QC(T1 T2 )dt.

t1

Здесь T1 и T2 – значение температуры на входе и выходе тепловой

системы.

Алгоритм вычисления тепловой энергии для конкретной теплосистемы согласно «Правилам учёта тепловой энергии» для закрытой системы выражается в виде конечных формул

56

где Q1 , Q2 – тепловая энергия, измеренная теплосчётчиками, M1i , M 2i – масса отпущенного теплоносителя за I-й интервал времени на входе и выходе потребителя, i1 i2 – разность энтальпий отпущенного и возвра-

щённого теплоносителя на I-м интервале времени.

Приборы, измеряющие расход теплоты в единицу времени, называются тепломерами, а измеряющие за некоторый промежуток времени –

теплосчётчиками.

Измерительные схемы тепломеров включают в себя: схемы измерения массового расхода Q1 , Q2 ; схемы измерения температуры перегретого

ходе трубопровода и вычислительное устройство, реализующее формулу измерения расхода (рис. 55).

Микроконтроллер является ядром вычислительного устройства. Он обеспечивает сбор информации с датчиков на входе и выходе системы теплоснабжения. Эта информация используется для вычисления параметров расхода тепловой энергии.

Результат измерения выводится на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), кроме того, имеется возможность через интерфейс RS-232 подключения к ЭВМ с целью автоматизации измерений и оптимизации параметров системы отопления.

57

6. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ АТТЕСТАЦИЯ РАСХОДОМЕРОВ

Цель метрологической аттестации не зависит от метода испытаний, принципа измерения расхода и формулируется в виде оценки основных метрологических характеристик: оценки основной погрешности, влияния неинформативных параметров, диапазона измерения.

Для решения поставленной задачи по экспериментальным данным формируется исходная совокупность пар значений расхода образцового ( Q0 ) и рабочего ( QX ) для нескольких серий воспроизведений расхода [16].

Воснове принципа обеспечения единообразия средств измерений расхода лежит система передачи размера единицы физической величины.

Достоверная передача размера единицы измерения в метрологической цепи от эталона или образцовых средств производится в определённом порядке в поверочной схеме.

Поверочные схемы могут иметь статус государственных, ведомственных или локальных. Государственные поверочные схемы разрабатывают и вводят в виде Государственных стандартов. В ведомственных и локальных поверочных схемах допускается указывать конкретные типы средств измерений.

Поверочная схема схематически представляет способ передачи размера единицы измерения и, кроме того, представляет собой структуру плана метрологической аттестации [14].

Вкачестве примера на рис. 56 показана компоновка ведомственной поверочной схемы средств измерения расхода без конкретизации используемого принципа работы аттестуемого расходомера.

Взависимости от вида эталонных или образцовых средств измерения расхода различают следующие методы метрологической аттестации (поверки, градуировки): метод образцового сигнала (прямой метод) и метод образцового средства измерения (метод сличения).

Вкачестве источника образцового сигнала используются установки, моделирующие расход с заданной точностью. Существуют различные модификации устройств, моделирующих расход жидкости, однако они должны удовлетворять определённым требованиям по обеспечению заданных значений расхода, распределённых по диапазону рабочего расходомера.

Имитационные установки могут реализовать заданный расход различными способами:

– методом дросселирования потока жидкости при заданном давлении, температуре и параметрах трубопровода;

– моделированием расхода в мерных емкостях калиброванного объёма (массы) с измерением истечения жидкости за определённый промежуток времени;

– моделированием расхода путём перемещения рабочего расходомера с заданной скоростью относительно неподвижной среды.

Основными требованиями к образцовым источникам расхода явля-

59

на заданный режим его стабилизации.

В процессе выполнения серии циклов испытаний расходомера основными контролируемыми параметрами являются: значения отсчётов поверяемого расходомера QX , образцового расходомера Q0 и метки времени.

Обработка информации состоит в определении среднеинтегральных значений выходных сигналов испытуемого и образцового расходомеров за период в несколько циклов.

Особое внимание при производстве испытаний уделяется устройствам создания и стабилизации расхода. Они включают в себя напорное устройство или его имитатор, устройство стабилизации расхода. Устройствами настройки на заданный режим служат регулируемые вентили, нерегулируемые гидравлические сопротивления (диафрагмы, сопла). Расход может задаваться значением напора, давления, высотой столба жидкости в напорном устройстве, в особых случаях скоростью перемещения расходомера в неподвижной жидкости.

При метрологической аттестации по методу сличения вследствие синхронности измерения расхода QX и Q0 погрешности от нестабильности

расхода минимизируются за счёт синфазности поступающих на расходомеры сигналов.

При метрологической аттестации производят оценку функций влияния неинформативных параметров, таких как температура, вязкость и других физических свойств жидкости, только в тех случаях, когда градуировка образцовых преобразователей расхода производится на среде-имитаторе.

По результатам метрологической аттестации составляется эксплуатационный формуляр, в котором приводятся следующие основные характеристики:

–общий диапазон воспроизведения расхода (м3/с);

–информативный параметр образцового расходомера;

–характеристики первичных преобразователей образцового расхо-

домера;

–наименование рабочей жидкости с указанием рабочей температуры, плотности, вязкости;

–параметры структуры потока в месте установки поверяемых первичных преобразователей расхода;

–функции влияния условий эксплуатации и диапазоны влияющих факторов и ряд других характеристик.

Расходомер считается пригодным к эксплуатации, если максимальное значение погрешности не превышает заданного. При несоответствии погрешности расходомера допускается повторно провести градуировку.

Оформление результатов поверки

Результаты поверки оформляются свидетельством установленного образца. При положительных результатах поверки в руководстве по экс-

60

плуатации на расходомер делается запись о результатах поверки и ставится подпись поверителя, скрепленная оттиском поверительного клейма, а расходомер допускается к эксплуатации с нормированной погрешностью.

При отрицательных результатах поверки расходомер к эксплуатации не допускается. В руководстве по эксплуатации расходомера производится запись о его непригодности, а поверительное клеймо гасится.