4.9. Расходомеры, основаннные на других физических принципах

Преобразователи ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) используются для контроля расхода жидкостей, содержащих ядра водорода, фтора, лития, имеющих большое гиромагнитное отклонение : (нефть, керосин, бензин, вода).

Атомы жидкости, имеющие магнитный момент , попадая в магнитное поле поляризатора, процессируют вокруг вектора с ларморовой частотой , где – гиромагнитное отношение, ; – спиновое число ядра; – постоянная Планка.

Если на пути движения поляризованных ядер поместить поле , осциллирующее с ларморовой частотой, то при этом за счет резонанса энергия ядер возрастает, отсюда и название этого явления – ядерно-магнитный резонанс.

ЯМР – резонансное поглощение электромагнитных волн, обусловленное квантовыми переходами атомных ядер между энергетическими состояниями (с разными ориентациями спина ядер). Для большинства ядер в магнитных полях 10³-10⁴ Э. ЯМР наблюдается в диапазонах частот 1–10 МГц.

Собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого, может быть целым (0, 1, 2 ...) или полуцелым (1/2, 3/2, …).

В преобразователях этот эффект создается в детекторе.

Сигнал ЯМР идентифицируется ЭДС ( ), индуцируемой в приемной катушке.

Величина пропорциональна проекции на направление , где . Отклонение от направления осуществляется осциллирующим с частотой магнитным полем, перпендикулярным .

Обозначим амплитуду сигнала ЯМР при движении жидкости через , при отсутствии – ; длину преобразователя, создающего резонансное поле – , время продольной релаксации ядер – и скорость течения жидкости – , тогда:

,

отсюда

; ; ,

где – коэффициент, характеризующий зависимость ;

– объемный расход жидкости.

Жидкость проходит по трубе из немагнитного материала, находящегося в сильном постоянном магнитном поле, на конце его находится катушка, включенная в схему детектора ЯМР.

Погрешность измерений 1–6 %.

Если в потоке жидкости существуют флуктуации, возникающие за счет пульсации скоростей, давлений, температуры, то они могут быть идентифицированы с помощью корреляционных преобразователей, разнесенных на расстояние .

При этом характер флуктуации у первого преобразователя задается функцией , а у второго , где – временный сдвиг двух функций.

Тогда наиболее вероятное время запаздывания прихода флуктуации ко второму датчику от первого определится по максимуму корреляционной функции:

,

где – интервал обработки.

При

,

где – вероятностная скорость потока.

При стационарных флуктуациях равна средней скорости потока.

Погрешность таких приборов 14 %.

Корреляционная функция стационарной случайной функции :

(момент второго порядка, математическое ожидание произведения).

Вихревой расходомер служит для непрерывного измерения объема и объемного расхода газов и газовых смесей в трубопроводах.

Использование коррозионностойких материалов позволяет использовать его для измерения агрессивных сред.

Прибор работает по принципу вихревого потока Кармана. При обтекании установленного в трубопроводе тела образуется ряд завихрений, частота повторения которых пропорциональна скорости потока. Эти завихрения воздействуют на консольно закрепленную пластину, связанную с пьезоэлектрическим чувствительным элементом, на выходе которого генерируется сигнал. Частотный сигнал после усиления, формирования и преобразования поступает в виде последовательности импульсов на электромеханический счетчик. Посредством частотно-аналогового преобразователя формируется аналоговый унифицированный сигнал тока, пропорциональный объемному расходу.

Конструктивно прибор состоит из 2-х функциональных блоков – датчика измеряемой величины и вычислительного блока.

Датчик с измерительной трубкой, флажками, сопротивлением, со встроенным пьезоэлектрическим чувствительным элементом и предусилителем образует отдельный блок.

Вычислительный блок размещен в корпусе унифицированной блочной системы и наряду с блоком питания содержит модули формирования сигналов, понижения частоты, частотно-аналоговый преобразователь, модуль индикации и управления. Для индикации показаний используется шестизначное счетное устройство (диаметр условного прохода равен 80, 100 и 150 мм). Выходной сигнал 0–5 ; 0–20 и 4–20 мА. Погрешность измерений 1,0 %.