Оптические расходомеры

Действие оптических расходомеров основано либо на эффекте Доплера, возникающем при рассеянии света движущимися частицами, либо на эффекте Физо-Френеля (эффект увлечения света средой).

Оптические расходомеры используют для измерения расхода агрессивных, высокотемпературных или низкотемпературных жидкостей и газов.

Свет можно рассматривать как электромагнитное колебание определенной частоты. В этом случае эффект Доплера заключается в изменении частоты колебаний при отражении от движущихся частиц. Для создания таких частиц можно, например, в трубопроводе с газом распылить некоторое количество воды.

Если частота излучаемых источником (например, оптическим квантовым генератором) колебаний будет равняться некоторой величине f₀ , то частота отраженных колебаний на входе принимающего устройства (см. рис. 2.8) будет определяться выражением:

2.13

где с – скорость распространения колебаний (скорость света для вакуума м/с).

Приведенное выражение справедливо в случае, когда скорость распространения колебаний c много больше скорости движения отражателя V.

На рисунке 2.9 показано устройство оптического расходомера, действующего на основе эффекта Физо-Френеля. Этот эффект заключается в изменении скорости света, распространяющегося в движущейся среде [11]:

, 2.14

где знак «+» соответствует распространению света в направлении движения среды; знак «–» соответствует распространению света в направлении противоположном движению среды; V – скорость среды;

с – скорость света в подвижной среде; м/с; n – показатель преломления среды.

Основным элементом рассматриваемого расходомера является гелий-неоновый лазер с активным элементом 9 и резонатором, который образован зеркалами 1, 4, 5, расположенными в вершинах треугольника. Лазер генерирует две встречные световые волны, бегущие по замкнутым оптическим путям. При попадании внутрь трубопровода 2 через прозрачные окна 3 световые волны увлекаются средой, что вызывает разницу во времени прохождения встречными волнами этого участка. Этот эффект эквивалентен наличию положительных или отрицательных приращений оптических путей встречных волн лазера, вследствие чего различны и их частоты¹ В рассматриваемом расходомере с помощью системы полупрозрачных зеркал лазерный луч разделяется, а образованные два луча проходят по одному замкнутому контуру в противоположных направлениях. Так как часть пути лучи проходят в среде, движущейся со скоростью V по прозрачному трубопроводу, то в точке расположения приемного устройства (интерферометра), несмотря на равенство пройденных расстояний, будет зафиксирован фазовый сдвиг между ними. Величина фазового сдвига будет пропорциональна скорости V и может быть определена по смещению полос интерференционной картины.

Тепловые расходомеры

В эту группу объединяются калориметрические и термоанемометрические. Конструкции расходомеров обоих видов очень похожи. В трубопровод помещается электрический нагреватель, который передает движущемуся в трубопроводе веществу некоторое количество теплоты.

Термоанемометрические расходомеры оценивают объемный расход вещества по результатам измерения температуры нагревателя, который одновременно может являться и датчиком температуры – сопротивление спирали, а значит и ток через нее, будет зависеть от ее температуры. Чем выше скорость потока, проходящего через нагреватель, тем сильнее он охлаждается и наоборот. Так в бытовом фене при плохом проходе воздуха происходит перегрев и перегорание спирали нагревателя.

В калориметрических расходомерах объемный расход вещества оценивается на основе уравнения теплового баланса:

, 2.15

где – мощность нагревателя, [Вт];

G_в – весовой расход воздуха [кг/ч];

C_p – средняя теплоемкость вещества, ;

ΔТ – разница температур вещества до и после нагревателя.

Следует отметить, что тепловые расходомеры являются практически единственным средством измерения малых расходов газа.