Корреляционные расходомеры – расходомеры, которые запоминают в заданном сечении трубопровода образ потока контролируемой среды и его последующее распознавание в другом сечении трубы расположенного на некотором расстоянии от первого.
Большинство однофазных потоков, не говоря уже о многофазных, не строго однородны. Поэтому те или другие свойства или параметры потока (плотность, электрическая проводимость, температура и т. д.) непрерывно меняются случайным образом. Если с помощью коррелометра определить абсциссу максимальной ординаты взаимной корреляционной функции двух случайно изменяющихся параметров потока одного и того же рода, в двух сечениях, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии то эта абсцисса будет соответствовать времени перемещения потока на указанном расстоянии.
Рисунок 1 – Схема корреляционного расходомера
Принципиальная схема корреляционного расходомера показана на рис. 1. Изменение того или другого параметра потока, например концентрации отдельных его фаз, воспринимается в сечениях А и Б двумя преобразователями 1 и 2. Сигналы x(t) и у(t), вырабатываются этими преобразователями. Хотя сигналы ч(t) и у(t) носят случайный характер, но, благодаря сравнительно небольшому расстоянию между сечениями А и Б, они имеют тесную корреляционную связь. Форма сигнала x(t) опережает форму сигнала, у(t) на некоторое время(τ) , необходимое для перемещения частиц потока от сечения А до сечения Б. Для измерения этого времени служит коррелометр (см. рис. 1), состоящий из блоков 3, 4, 6 и измерительного прибора 5. Блок 6 преобразует сигнал x(t) в сигнал x(t-τ). Он имеет регулирующее устройство, позволяющее изменять время задержки τ. Блок 3 дает произведение сигналов x(t-τ)*у(t). Блок 4 интегрирует это произведение и выдает его среднее значение за некоторый период времени.
В большинстве случаев корреляционные расходомеры имеют только два канала преобразования расхода, как показано на рис. 1. Но известны расходомеры с несколькими парами каналов преобразования, установленных последовательно в трубопроводе. Они целесообразны при измерении неустановившихся переменных расходов.
Между корреляционными и меточными расходомерами имеется много общего. В том и другом случае на концах некоторого участка устанавливаются преобразователи, служащие для определения времени прохода потоком этого участка. Но в одном случае в поток вводится метка, и преобразователи вырабатывают дискретные сигналы при проходе потоком контрольного участка, а в другом — вырабатываются непрерывные сигналы, соответствующие характеру изменения случайных процессов в контролируемых сечениях. Особенно близки к меточным те корреляционные расходомеры, у которых случайные процессы создаются искусственным путем.
Достоинства корреляционных расходомеров: возможность применения для измерения расхода загрязненных сред, многофазных потоков и расплавленных металлов; отсутствие потери давления; отсутствие контакта с измеряемым веществом в большинстве случаев.
Недостатки корреляционных расходомеров: длительность процесса измерения, так как с уменьшением времени измерения погрешность возрастает; ограниченная точность, обычно погрешность измерения расхода не менее 1,5-2 %.
Корреляционные расходомеры предназначены в первую очередь для измерения многофазных веществ и различных потоков, имеющих какие-либо неоднородности. Иногда случайные изменения какого-либо параметра потока, например температуры с помощью нагревателя, создаются искусственным путем. Перед преобразователями корреляционного расходомера надо иметь прямой участок трубы. Длина такого участка после колена должна быть не менее (5–10)диаметров трубы.
Различные варианты корреляционных расходомеров
В зависимости от вида и способа измерения параметров, случайные колебания которых контролируются в корреляционных расходомерах, существует много их различных вариантов.
Один из самых основных и нашедших промышленное применение — это ультразвуковой корреляционный расходомер. В обоих контрольных сечениях снаружи или внутри трубы устанавливается излучатель акустических колебаний частотой 0,3-1 МГц. Эти колебания направлены перпендикулярно к оси трубы и воспринимаются пьезопреобразователем, находящимся на противоположной стороне трубы. Присутствие в жидкости различных неоднородностей в виде твердых частиц или газовых пузырей вызывает в результате поглощения и рассеяния ослабление акустических колебаний, поступающих на приемные преобразователи, соединенные через усилители, демодуляторы и фильтры с коррелометром. Турбулентность смещает луч, это модулирует по фазе сигнал приемника.
Рисунок 2 – Схема ультразвукового корреляционного расходомера
(1-трубопровод; 2-излучатель ПП; 3-приемник ПП; 4-кабель; 5-ЭП; 6-шестиразрядный электро-механический счетчик объема; 7-токовый выход; 8-импульсный выход)
На рис. 2.представлена схема ультразвукового корреляционного расходомера. Предназначен для измерения расхода и объема воды в полностью заполненных трубопроводах и может быть использован как в технологических целях, так и для проведения расчетных операций. Измеряемая среда — вода питьевая, теплофикационная, и т. д., имеющая следующие параметры: температура от 1 до 150 °С; давление до 2,4 МПа. Погрешность измерения расхода ±1,5 %.
По согласованию с изготовителем расходомер-счетчик может использоваться для измерения расхода других сред — растворов солей, кислот, щелочей и т. д.
Состоит из электронного преобразователя (ЭП) и первичного преобразователя (ПП), в состав которого входят два акустических излучателя и два приемника. Установка ПП может производиться без демонтажа трубопровода. ПП и ЭП соединяются между собой радиочастотным кабелем длиной до 200 м.
Выходные сигналы: по каналу измерения расхода — постоянного тока 0-5, 4-20 мА; по каналу измерения объема — импульсный, 1 импульсу в зависимости от исполнения соответствует объем от 0,1 до 10 000 м3. Цифровую индикацию объема воды обеспечивает шестиразрядный электромеханический счетчик. Питание — 220 В, 50 Гц. Потребляемая мощность — не более 40 В А. Масса: ЭП — не более 8 кг; ПП — не более 2,5 кг.
В случае измерения расхода газа излучающие и приемные пьезопреобразователи не могут находиться снаружи трубы. В лабораторных же условиях ультразвуковой корреляционный расходомер успешно применяли для измерения расхода газа.
Ионизационный корреляционный расходомер состоит из источников радиоактивного излучения, устанавливаемых с одной стороны трубы, и приемников — обычно сцинтилляционных счетчиков, располагаемых с другой стороны. Подобные расходомеры пригодны для измерения газа, содержащего твердые частицы, но применяются сравнительно редко, так как требуют мощных источников радиации, чтобы приемное устройство могло реагировать на высокочастотный измерительный сигнал. Если само измеряемое вещество радиоактивно, то устройство корреляционного расходомера упрощается благодаря отсутствию необходимости в посторонних источниках измерения.
Оптические корреляционные расходомеры — в которых посторонний луч, пронизывающий трубопровод, модулируется неоднородностями потока. Они нашли преимущественное применение для измерения расхода жидкости в открытых потоках, где отражение световых лучей происходит от неровностей, имеющихся на поверхности жидкости. Но их с успехом можно применять и для измерения расхода гидросмесей, движущихся в трубопроводах, например целлюлозной пульпы.
Рисунок 3. – Схема оптического корреляционного расходомера
В контрольных сечениях, расположенных близко друг от друга, помещают световоды 1 и 2 из волоконной оптики (рис. 3). Диоды 3 посылают через эти световоды лучи света, которые отражаются частицами целлюлозы. Отраженные лучи возвращаются по этим световодам и воспринимаются фотопреобразователями, сигналы которых после прохода через предварительный усилитель поступают в измерительную схему. Прибор предназначен для измерения расхода целлюлозной пульпы при ее температуре до 100 °С и давлении до 1 МПа. Приведенная погрешность ±1 % . Достижению высокой точности измерения способствует равномерный профиль скоростей пульпы.
Диэлектрические корреляционные расходомеры – это расходомеры реагирующие на изменение емкости. Такие расходомеры имеют в каждом контрольном сечении по электроду в виде тонкого полукольца, изолированного от трубы и не выступающего за ее поверхность. Заземленная труба образует противоположные электроды. Такие расходомеры целесообразны для измерения расхода воздушных потоков, переносящих порошкообразные (цемент, муку и т. п.), гранулометрические(зерно и т. п.) и кусковые материалы.
В одном из первых корреляционных расходомеров для измерения расхода муки в воздушном потоке электроды имели длину вдоль трубы 150 мм и расстояние между их осями 600 мм. Обычно эти расходомеры дополняются преобразователем плотности для возможности измерения массового расхода твердой фазы.
Кондуктометрические корреляционные расходомеры – это расходомеры, основанные на измерении изменения электрической проводимости, имеют в каждом контрольном сечении по электроду. Они весьма пригодны для измерения расхода различных пульп, а также смесей двух жидкостей при условии, что компоненты обладают разной электрической проводимостью. Их измерительные схемы очень просты, и они проще и дешевле, чем ультразвуковые, также пригодные для измерения расхода пульп. Но их нельзя применять, если среда дает осадки, залепляющие электроды и тем изменяющие их сопротивление.
Электростатические корреляционные расходомеры – это расходомеры, основанные на детектировании электростатических зарядов, имеющихся у твердых частиц, движущихся в воздушном потоке. Они имеют приемные пластины, как у диэлектрических расходомеров, и могут служить для измерения расхода газа при очень малом содержании в нем твердых частиц.
Для жидкостей с низкой электрической проводимостью имеются корреляционные расходомеры, основанные на измерении пульсаций плотности электрических зарядов, срываемых турбулентным потоком из двойного электрического слоя, возникающего на внутренней поверхности трубопровода. Преобразователь расхода состоит из диэлектрического участка трубы, снаружи которой расположены два кольцевых электрода на некотором расстоянии друг от друга.
Для расплавленных металлов возможно применение корреляционных расходомеров, основанных на измерении перемещения гидродинамических неоднородностей типа вихрей, возникающих в местных сопротивлениях. Детекторами могут служить два электромагнитных преобразователя расхода, из которых первый устанавливается вблизи местного сопротивления, а второй — на расстоянии 5-10 диаметров трубопровода.
Во всех рассмотренных вариантах корреляционных расходомеров контролируются случайные процессы, возникающие за счет неоднородностей, имеющихся в измеряемом веществе. Наряду с ними имеются корреляционные расходомеры, в которых эти неоднородности создаются искусственно. К ним относятся тепловые и электролитические корреляционные расходомеры. Они предназначены для измерения расхода строго гомогенных однофазных веществ.
Рисунок 4 – Схемы корреляционных расходомеров: а) теплового; б) электролитического
Схема теплового корреляционного расходомера показана на рис. 4, а. В трубе 1 помещен нагреватель 2, ток в котором меняется случайно, например, из-за изменения напряжения питания или путем частого выключения через различные промежутки времени генератора псевдослучайных сигналов. Далее по ходу потока установлены две термопары 3 и 4 на расстоянии друг от друга. Они через усилитель 5 и 7 связаны с коррелометром 6.
Наряду с рассмотренной имеются схемы тепловых корреляционных расходомеров без источника, создающего искусственную неоднородность потока. Для одной из них оказалась достаточной небольшая неоднородность температурного поля после теплообменника, вызывавшая разность температур от 0,01 до 1 °С. Термопреобразователи — малоинерционные термопары — размещались на расстоянии 100-150 мм друг от друга. Погрешность измерения ±(3+5) %. В другой схеме в контрольных сечениях были установлены проволочные преобразователи термоанемометров, нагреваемые током. Случайные изменения скорости воздушного потока, например турбулентные вихри, будут менять теплопередачу у преобразователей термоанемометров, а следовательно, и вырабатываемый ими сигнал. При диаметре трубы 94 мм расстояние между преобразователями варьировали от 100 до 500 мм. Имеются также тепловые расходомеры, у которых в контрольных сечениях установлены терморезисторы. Если в первый из них по ходу потока подавать периодически от генератора сигнал, то последний образует в потоке тепловую метку, которая, достигнув второго термистора, пошлет в схему приемный сигнал, и разность времен между этими сигналами даст время прохода меткой контрольного участка. Это соответствует работе теплового меточного расходомера. Если же для уменьшения тепловой нагрузки и соответственно электрической мощности подавать в первый термистор периодически слабый, но длительный сигнал и определять с помощью коррелометра время прохода этим сигналом контрольного участка, то получим тепловой корреляционный расходомер. Таким путем измеряли расход дизельного топлива от 2 до 20 л/ч в трубе диаметром 10 мм при расстоянии между термисторами 25 мм.
Тепловые корреляционные расходомеры нашли применение на атомных электрических станциях.
Схема электролитического корреляционного расходомера, предназначенного для измерения расхода электропроводных однофазных жидкостей, изображена на рис. 4, б. Электроды 1 и 4 установлены в стеклянной трубе 2 на расстоянии 27 мм друг от друга. На противоположной стороне трубы помещен общий электрод 3. Проходящие мимо концов электродов 1 и 4, случайные турбулентные вихри будут срывать образующиеся на них при прохождении тока слои газовых пузырьков и тем изменять сопротивление цепи. Во избежание поляризации электродов их следует питать переменным током.
Купить счетчики по доступной цене. Определится с выбором 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
