2.2.5.6 Іонізаційні витратоміри

Загальна характеристика

Іонізаційними називаються витратоміри, засновані на штучній іонізації потоку речовини, яка рухається, що супроводжується виникненням іонізаційного струму між електродами, величина якого залежить від витрати. У більшості випадків застосовується безперервна штучна іонізація, але зустрічаються також і витратоміри з періодичною іонізацією потоку.

Існують іонізаційні позначкові витратоміри.

Іноді до іонізаційних витратомірів зараховують третю групу приладів, у якій ефект іонізації застосовується не в першій ступіні процесу перетворення витрати, а в наступних.

Іонізація потоку здійснюється реактивними ізотопами або ж за допомогою електричного поля.

У приладах з безперервною іонізацією потоку застосовуються α- або  β-випромінювання. У приладах з періодичною іонізацією  β- або γ-випромінювання.  У приладах же третьої групи застосовуються ізотопи, в основному що створюють  γ-випромінювання.

У приладах, дія яких пов'язана з виникненням іонізаційного струму, не можна застосовувати ізотопи, що мають мале значення періоду напіврозпаду, тому що зменшення інтенсивності випромінювання буде відбиватися на результатах виміру.

2.2.5.7 Позначкові витратоміри

Загальна характеристика

Відповідно до ГОСТ 15528-70, позначковими називаються витратоміри, засновані на вимірі часу проходу міткою визначеної ділянки шляху.

Фізична природа позначки може бути всілякої. Тому досить різноманітні можуть бути як пристрою для створення або введення позначки, так і пристрої для її виявлення. Основні види позначок: радіоактивні, іонізаційні, хімічні, теплові, магнітні, оптичні і ядерно-магнітні. Відповідно позначкові витратоміри підрозділяються на позначкові радіоактивні, позначкові іонізаційні тощо.

Точність виміру витрати за допомогою позначкових витратомірів коливається в досить широких межах. Маються повідомлення про прилади з похибкою усього ±0,2 і навіть ±0,1 %. З іншого боку, має місце по похибка порядку 2 – 3 %.

Це пояснюється низкою причин, насамперед, видом застосовуваних позначок і способом їхнього виявлення. У першому випадку похибка виміру зростає. Частіше відбору проб не роблять. Це знижує похибку і дозволяє вважати розглянутий метод виміру досить точним, що має похибку у багатьох випадках менш 1 %.

Області застосування позначкових витратомірів досить різноманітні:

        градуювальні роботи;

        перевірка різних типів стаціонарно установлених витратомірів без демонтажу останніх;

        періодичний вимір витрати в різних промислових і лабораторно-дослідницьких установках;

        безперервний вимір витрати в трубопроводах.

Поки позначкові витратоміри порівняно рідко застосовуються як експлуатаційні прилади для безперервного виміру витрати. Основна сфера їхнього застосування  градуювально-повіркові і дослідницькі роботи.

Довжина бази, або контрольної ділянки L коливається від декількох мм до десятків км. Великі довжини L зустрічаються тільки при вимірі у виробничих умовах і лише при деяких видах позначок. Дуже малі довжини L застосовують головним чином у разі застосування міток, наприклад іонізаційних, існування яких досить короткочасно.

За принципом своєї дії позначкові витратоміри є не безперервними, а дискретними приладами. Але у випадку застосування високої частоти повторення позначок порядку  10 Гц і вище вимір стає практично безперервним.

Принцип дії

Позначкові витратоміри поділяються на:

        прилади з постійною частотою утворення позначок;

        прилади з частотою створення позначок, пропорційною швидкості потоку.

На рисунку 2.21 показані дві можливі .принципові схеми позначкових витратомірів. В обох випадках позначка створюється елементом 1. Елементи 2 і 3 є детекторами позначки.

Рисунок 2.21 Принципові схеми позначкових витратомірів

У схемі (рисунок 2.21, а) мається тільки один детектор 2, і вимірювальною базою приладу є відстань L між елементами 1 і 2. У схемі (рисунок 2.21, б) маються два детектори 2 і 3, і відстань Lміж ними служить вимірювальною базою.

Виміривши час ∆τ переміщення позначки на ділянці довжиною L, визначимо швидкість у позначки з вираження

 

υ = L/∆τ                                                                                                              (2.66)

Якщо позначити через k відношення середньої швидкості υ_c потоку до швидкості позначки v, так що υ_c = kv, те для об'ємної витрати Q одержимо залежність

,                                                                                                           (2.67)

де S — поперечний переріз трубопроводу.

Схема по рисунку 2.21 може бути виконана в двох варіантах:

        відстань L постійно, виміряється час ∆τ або функціонально зв'язана з ним величина, наприклад зрушення фази;

        час підтримується постійним автоматично шляхом переміщення одного з елементів 1 або 2, при цьому виміряється відстань L.

Останній варіант зустрічається рідко.

Довжину бази L вибирають виходячи з фізичної природи позначки, точності виміру і його швидкодії. Деякі позначки можуть існувати лише короткочасно. Так, іонні позначки швидко знищуються внаслідок рекомбінації іонів, теплові  у результаті передачі тепла навколишньому середовищу тощо. Це дозволить одночасно поліпшити швидкодію приладу шляхом зменшення τ₂ або, що те ж, збільшення частоти f₂ =1/τ₂ генерації позначок. Але зате зменшення довжини L збільшує похибку виміру. Тому необхідно компроміс. Знижувати надмірно L не рекомендується. Так, для іонізаційних витратомірів з радіоактивним опроміненням пропонується брати L > 5D. Помітимо, що при великих діаметрах труб D ця умова не може бути виконана внаслідок швидкої рекомбінації іонів.

Витратоміри, у яких частота генерації позначок пропорційна швидкості потоку, будуються лише за схемою, показаною на рисунку 2.21, а. Динамічні властивості цих витратомірів поліпшуються з ростом швидкості v або витрати Q потоку, тому що частота f_г генерації позначок ∆τ^-1 прямо пропорційна v. Як і у витратомірів з постійною частотою генерації позначок, тут зберігається в силі вимога: ∆τ > τ_0. Рівняння виміру для витратомірів з частотою fг генерації позначок, пропорційною швидкості v, має вигляд:

 

Q=kLS/r,                                                                                                            (2.68)

 

Якщо швидкість переміщення позначки збігається з вимірюваною швидкістю, то для визначення останньої служить рівняння (2.66).

При звичайному профілі швидкостей, як буде показано далі, у більшості випадків має місце різниця між місцевою швидкістю і швидкістю переміщення позначки, що приводить до невизначеності коефіцієнта k у рівняннях (2.67) і (2.68). Останній залежить від багатьох причин, у тому числі від місця введення позначки, місця розташування приймальних кінців детекторів і, головне, від довжини шляху руху позначки.