Ионизационными расходомерами называются приборы, основанные на измерении того или иного зависящего от расхода эффекта, возникающего в результате непрерывной или периодической ионизации потока газа или (реже) жидкости.
Ионизационные расходомеры разделяются на две существенно отличные друг от друга группы:
- расходомеры, в которых измеряется зависящий от расхода ионизационный ток между электродами, возникающий в результате обычно непрерывной искусственной ионизации потока газа (или жидкости) радиоактивным излучением или электрическим полем;
- расходомеры, в которых измеряется зависящее от расхода время перемещения на определенном участке пути ионизационных меток, возникающих в результате периодической ионизации потока газа ионизирующим излучением или электрическим разрядом; эти расходомеры называются меточными ионизационными.
Погрешность расходомеров, основанных на измерении ионизационного тока, около ±5% и применяются они сравнительно редко, преимущественно для измерения скоростей, а не расходов газовых потоков. Кроме того, имеются разработки ионизационных приборов для измерения расхода жидкостей-диэлектриков, в частности расхода индустриального масла. В таких расходомерах погрешность измерения меньше и находится в пределах 2-4%. Меточные ионизационные приборы более точные.
Расходомеры с ионизацией потока газа радиоактивным излучением - это расходомеры у которых в качестве ионизатора выступает радиоактивное излучение.
Радиоактивный источник, создающий α-или β-излучение, может находиться как внутри (рис. 1, а, б), так и снаружи трубы (рис. 1, в).
Это излучение ионизирует поток газа, движущегося в трубе. Внутри нее помещены два(иногда три) электрода, к которым подана разность потенциалов. Сила ионизационного тока, возникающего между электродами, будет зависеть от числа ионизированных молекул в промежутке между электродами, т. е. от скорости движения газа. Имеются два типа ионизационных расходомеров. В первом — источник излучения и электроды (по крайней мере, один из них) находятся друг от друга на некотором расстоянии L по оси трубы (рис. 1, а-в) и ионизационный ток течет вдоль оси трубы. Во втором — ионизационный ток течет не вдоль, а поперек трубы, так как источник излучения и приемные электроды расположены на противоположных сторонах трубы (рис. 2, а,б).
Рисунок А.
Рисунок Б.
Рисунок В
Рисунок 1.–Схемы ионизационных расходомеров, в которых источник излучения и приемные электроды расположены на некотором расстоянии L вдоль оси трубы.
Две разновидности расходомеров первого типа показаны на рис. 1, а-б. В первой схеме (рис. 1, а) слой радиоактивного вещества нанесен на первом по ходу потока электроде 1, второй 2 расположен от первого на расстоянии L. Во второй схеме (рис. 1, б) радиоактивный источник 3 кольцевой формы находится на расстоянии L от двух пластинчатых электродов 4 полукольце образной формы, расположенных друг против друга. В третьей схеме (рис. 1,в) радиоактивный изотоп хрома Cr85 помещен снаружи трубы в защитном контейнере 5. β-излучение проходит в газопровод через окно, закрытое медной фольгой, и поступает внутрь кольцевого электрода 6. Второй электрод 8 находится на расстоянии L от первого. Стенка трубы 7 из изоляционного материала. При отсутствии расхода во всех трех схемах все ионизированные молекулы рекомбинируют*, прежде чем, достигнут приемного или приемных электродов и тока в цепи не будет. С увеличением же расхода будет возрастать число ионизированных молекул, достигающих приемных электродов, и сила тока в цепи станет расти. Вначале рост силы тока пропорционален расходу, но затем станет замедляться. Ток будет стремиться к некоторому постоянному значению, когда все ионизированные молекулы, не успев рекомбинировать, достигнут приемных электродов. При дальнейшем возрастании скорости газа наблюдается даже небольшое уменьшение силы тока, объяснимое тем, что часть ионизированных молекул проносится мимо электродов. В качестве источника радиоактивного излучения, кроме Сг85, рекомендуются: стронций Sr90 и иттрий Y90, пригодные до температур 300 °С, а также америций Am24, применяемый до 150 °С.
Рисунок 2а.
Рисунок 2Б.
Рисунок 2 – Схемы ионизационных расходомеров, в которых источник излучения и приемные электроды расположены на противоположных стенках трубы.
В схеме, изображенной на рис. 2,а, напротив излучающего электрода расположен один приемный электрод, а в схеме на рис. 2, б — два приемных электрода 2 и 3 расположены симметрично относительно излучающего электрода 1 и включены навстречу друг другу. В первой схеме при отсутствии расхода сила тока будет максимальной. С увеличением расхода сила тока будет уменьшаться, потому что при этом все большее число ионизированных молекул будет уноситься из межэлектродной зоны. Во второй схеме — наоборот: при отсутствии расхода и полной симметрии схемы разность ионизационных токов, текущих через приемные электроды, равна нулю. С увеличением расхода число ионизированных молекул, достигающих электрода 2, уменьшается, а достигающих электрода 3 — увеличивается, благодаря чему разность ионизационных токов возрастает.
Ионизационный ток в обеих схемах наряду с зависимостью от скорости или расхода потока зависит и от разности напряжений, приложенных к электродам. С возрастанием напряжения увеличивается скорость перемещения ионов вдоль силовых линий электрического поля.
Расходомеры с ионизацией газа или жидкости электрическим полем
Расходомеры с ионизацией газа или жидкости электрическим полем –это расходомеры у которых в качестве ионизатора выступает электрическое поле.
Ионизация потока газа может происходить под действием электрического разряда. Ионизация диэлектрической жидкости происходит в результате возникновения в ней электрических зарядов под действием внешнего электрического поля.
При ионизации газа электрическим разрядом промежуток между электродами очень мал (несколько миллиметров или даже доли его). Поэтому соответствующие приборы находят применение преимущественно в качестве анемометров для измерения местных скоростей воздуха. Различаются анемометры с тлеющим, дуговым и искровым разрядами.
В конструкций анемометра с тлеющим** разрядом расстояние между заточенными на конус концами платиновых электродов диаметром 0,15-0,5 мм равнялось 0,1-0,25 мм. Электроды были припаяны к металлическим стержням, изолированным друг от друга. При столь малом расстоянии между электродами и достаточной величине приложенного к ним напряжения возникает тлеющий разряд (один из видов самостоятельных электрических разрядов в газах), ионизирующий газ. С увеличением скорости газа все большее число ионизированных молекул будет уноситься из зазора между электродами, и ионизационный ток будет уменьшаться. Измеряя силу тока или напряжения на электродах, которое требуется для поддержания постоянной силы тока, можно судить о скорости газа. Для уменьшения шумов на электроды предпочитают подавать переменное напряжение высокой частоты (100 кГц). При очень больших скоростях газа применение анемометров с тлеющим разрядом нецелесообразно, так как требующееся при этом увеличение подводимой мощности может привести к изменению вида разряда.
При больших, в том числе при сверхзвуковых скоростях, применяют анемометры с дуговым разрядом при питающем напряжении весьма высокой частоты для уменьшения шумов. В установке для измерения сверхзвуковых скоростей электроды диаметром 0,7-1 мм были выполнены из молибдена и вольфрама с примесью молибдена. Зазор в пределах 0,15-0,25 мм, частота 25-30 мГц, погрешность около ±5 %. При измерении дозвуковых скоростей электроды можно изготовлять из платиновой проволоки диаметром 0,3-0,5 мм. Благодаря весьма малой инерционности анемометры, как с дуговым, так и с тлеющим разрядом пригодны для измерения скоростей, изменяющихся с частотой, равной десяткам килогерц.
На рис.3 показан ионизационный расходомер для жидкостей-диэлектриков. Поток индустриального масла протекает в кольцевом пространстве между наружным трубчатым электродом 6 и цилиндрическим электродом 7, укрепленным вдоль оси потока с помощью изоляционной втулки 8. Электрод 6 заземлен, а к электроду 7 через винт 9 подается высокое (10 кВ) отрицательное напряжение. Под действием электрического поля в жидкости, находящейся в кольцевом пространстве между электродами б и 7, возникают отрицательные электрические заряды.
Рисунок 3 – Ионизационный преобразователь для жидкостей диэлектриков
Чем больше скорость жидкости, тем большее число этих зарядов будет собираться на третьем электроде — коллекторе 4, отделенном от электрода 6 изоляционной втулкой 5, и тем больше будет сила тока, измеряемая микроамперметром 11. Металлическая крестовина К со стержнем 12 дополняет электрод 4, способствуя лучшему сбору всех зарядов из жидкости. С помощью изоляционных втулок 13 и 10 преобразователь расхода монтируется в трубопроводе. В пределах десятикратного изменения расхода (от 0,5 *10-5 до 6*10-5 м /с) индустриального масла и при температуре от 27 до 40°С получена пропорциональность между силой тока и объемным расходом. Ионизационные расходомеры имеют большую погрешность (±5 %) и применяются довольно редко. Несколько чаще ионизационный метод находит применение для измерения скоростей воздушных потоков.
Расходомеры с вторичными ионизационными преобразователями
Ионизационные преобразователи, находящиеся не в первой, а в последующих ступенях измерительного комплекта, применяются в различного рода расходомерах, чаще всего в расходомерах обтекания. Так, в ротаметрах*** для этой цели в поплавке укрепляют радиоактивный изотоп (например, кобальт 60 или тулий 170), предназначенный для преобразования перемещения поплавка в сигнал, измеряемый с помощью сцинтилляционного счетчика, счетчика Гейгера или измерителя силы ионизационного тока. В расходомерах с поворотной лопастью радиоактивный изотоп укрепляется на свободном конце лопасти и преобразует поворот или деформацию лопасти в измерительный сигнал. Так, в одном расходомере стальная упругая пластина (длиной 40 мм и толщиной 40-100 мкм) одним концом закреплена в трубе диаметром 50 мм, а на другом свободном конце имеет маленький источник γ -излучения. При перемещении этого конца изменяется интенсивность γ-излучения, достигающая приемника, установленного снаружи трубопровода. Заметим, что изменение плотности и состава измеряемого вещества будет влиять на степень поглощения γ-лучей, а значит и на показания прибора.
В турбинных расходомерах иногда применяют ионизационные преобразователи частоты вращения турбинки в частоту импульсов тока. В одну или несколько лопастей запрессовывают радиоактивный изотоп, а снаружи трубы устанавливают приемник, экранизированный так, что излучение попадает в него в пределах некоторого угла поворота турбинки.
Принципиально возможным является применение ионизационного дифманометра**** для измерения перепада давления, создаваемого сужающим устройством или другим преобразователем. Однако практического применения эти дифманометры не получили.
Рекомбинация носителей зарядов* - процесс, обратный ионизации. При рекомбинации из положительных ионов и электронов образуются нейтральные атомы. Так как на ионизацию атома была затрачена энергия, то при воссоединении иона и электрона энергия излучается в пространство, что сопровождается иногда свечением газа. Процесс рекомбинации происходит в основном на поверхности электродов газоразрядного прибора или на стенках его баллона, хотя некоторое число заряженных частиц рекомбинирует и в объеме газа.
Тлеющий разряд** — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.
Ротаметр*** — прибор для определения объёмного расхода газа или жидкости в единицу времени.
Дифманометр**** – предназначен для измерения перепада давления различных газов, неагрессивных по отношению к примененным конструкционным материалам, в т.ч. на счетчиках газа, газовых фильтрах, струевыпрямителях и других устройствах с целью контроля их технического состояния и степени загрязнения.
Контроль расхода учет жидкостей осуществляется с помощью различных счетчиков и расходомеров. Определится с выбором вам поможет наш сайт.
Используемая литература:
Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с
