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 вакуумам/с).

Приведенное выражение справедливо в случае, когда скорость распространения колебаний cмного больше скорости движения отражателяV.

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.

Рис. 2. 8. Взаимное расположение излучающей и приемной систем доплеровских измерителей скорости

Основным элементом рассматриваемого расходомера является гелий-неоновый лазер с активным элементом 9и резонатором, который образован зеркалами1,4,5, расположенными в вершинах треугольника. Лазер генерирует две встречные световые волны, бегущие по замкнутым оптическим путям. При попадании внутрь трубопровода2через прозрачные окна3световые 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 частоты¹В 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 скоростьюVпо 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 скоростиV 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.