Концентрационные расходомеры основаны на зависимости от расхода кратности разбавления вещества индикатора, вводимого в поток. Их называют иногда расходомерами, основанными на методе прививки, на солевом методе, на методе смешения и т. д.
Существенное достоинство концентрационного метода измерения расхода — отсутствие необходимости знать размеры поперечного сечения трубопровода или другого канала.
Раньше подобные расходомеры служили для измерения расхода воды, причем веществом-индикатором был солевой раствор. В дальнейшем стали применять другие индикаторы, в частности радиоактивные изотопы. Это позволило применить концентрационный метод также для измерения газа и даже пара.
Особенно целесообразен концентрационный метод при разовых измерениях больших расходов в закрытых и открытых каналах, а также при проверке работы других расходомеров, так как при этом не требуется демонтажа их преобразователей расхода. Так, этот метод с успехом был применен для проверки состояния и работоспособности труб, которые многие годы работают на основных линиях водопровода.
Погрешность измерения расхода с помощью концентрационного метода зависит от индикатора, надлежащей степени его перемешивания и особенно от правильности измерения его конечной концентрации. Погрешность измерения расхода лежит в пределах от ±(0,5-1)% до ±(2+3) %. Разработаны и реализуются две разновидности концентрационного метода. В первой производится непрерывный (в течение нескольких минут) ввод индикатора и при этом измеряется его расход. Во второй имеем кратковременный или залповый ввод известного количества индикатора.
Расходомеры с непрерывным вводом вещества-индикатора
Принцип действия концентрационного расходомера с непрерывным вводом индикатора состоит в измерении степени или кратности разбавления индикатора после смешения с измеряемым веществом. Здесь в течение некоторого времени в поток вводится индикатор, объемный расход и начальная концентрация которого должны быть известны. Время должно быть не меньше такого, которое обеспечит получение в контрольном сечении после надлежащего смешения с измеряемым веществом постоянной концентрации индикатора в течение, по крайней мере, нескольких минут. Время обычно выбирают от 5 до 30 мин.
Расчет объемного расхода требует точного измерения очень малых концентраций, что представляет определенные трудности. Для этой цели в зависимости от индикатора применяют различные методы: химическое титрование, колориметрический, флуорометрический, рефрактометрический, интерференционный, кондуктометрический и др. Большинство из них или весьма трудоемки, или не обеспечивают высокой точности измерения. Флуорометрический и колориметрический методы, необходимые для применения индикаторов красителей: бихромата натрия, родамина В и флуоресцеина. Концентрация радиоактивного индикатора определяется с помощью ионизационных счетчиков.
Для того чтобы повысить точность определения объемного расхода, в ряде случаев, например при измерении расхода воды с помощью раствора соли, рекомендуется предварительно приготовить стандартный раствор, концентрация которого была бы близка к ожидаемой концентрации и вместо измерения последней измерять отношение концентраций.
Расходомеры с кратковременным(залповым) вводом вещества-индикатора
Принцип действия у рассматриваемых расходомеров такой же, как и у предыдущих, но ввод индикатора здесь не непрерывный, а практически мгновенный. Это обусловливает некоторые особенности в способе измерения степени или кратности разбавления введенного индикатора.
С большой скоростью в поток, расход которого подлежит определению, вводится известное количество индикатора. Если это раствор, то должны быть известны его объем и концентрация индикатора в нем. После полного смешения его с измеряемым веществом, при котором достигается равномерное распределение индикатора, по сечению потока производится непрерывно или каким-либо другим путем измерение переменной во времени концентрации индикатора в потоке в течение времени, обеспечивающем полный проход индикатора через контрольное сечение.
Ввиду трудности точного измерения, в этом случае, как и при непрерывном вводе индикатора, полезно иметь образцовый раствор с концентрацией индикатора в нем, близкой к ожидаемой концентрации раствора.
Вещества-индикаторы
В зависимости от рода измеряемого вещества можно применять различные вещества-индикаторы, которые принято разделять на две группы: нерадиоактивные и радиоактивные.
При выборе начальной концентрации и количества индикатора нужно, чтобы их конечная концентрация после смешения была не меньше некоторого значения минимальной концентрации, которое может быть измерено с достаточной точностью.
Для измерения расхода воды рекомендует следующие нерадиоактивные индикаторы: бихромат натрия; хлорид натрия; родамин В; родамин Wt; хлорид лития; флуоресциин; нитрит натрия; сульфат марганца. Бихромат натрия отсутствует в значительных дозах в природной воде, но хорошо в ней растворяется. Он относительно дешев, а малые его концентрации сравнительно легко определяются колориметрическим методом. Хлорид натрия очень дешев и доступен, а сопротивление его раствора пропорционально концентрации в широком диапазоне, но он присутствует в природной воде и неприменим при очень слабых концентрациях. Родамины отсутствуют в природной воде и допускают определение при очень малых концентрациях, но они не очень хорошо растворяются и дорогостоящие. Чаще всего применяют хлорид натрия, но если измеряемая вода сама содержит его в заметном количестве, то во избежание очень большого расхода хлорида натрия переходят на другой индикатор, в частности на бихромат натрия. Учитывая токсичность последнего, его окончательная концентрация должна быть во много раз меньше, чем хлорида натрия.
Иногда для прозрачных веществ, например для воды, применяют светорассеивающие индикаторы, например суспензию поливинилхлорида.
При измерении расхода газа в зависимости от его состава в качестве индикаторов применяют те или другие газы. Для измерения расхода воздуха используют диоксид углерода, фтор, оксид углерода, монооксид азота и природный газ. Но при измерении расходов газа лучше применять в качестве индикаторов радиоактивные изотопы, потому что погрешность измерения малых концентраций газовых индикаторов значительна ±(2+3) %. Чаще всего для этой цели служит Кг85. Некоторые радиоактивные изотопы, например Na и Вг, находят применение также и при измерении расхода жидкостей. Выбирая радиоактивный изотоп в качестве индикатора, надо учитывать время его полураспада, максимально допустимую концентрацию в измеряемом веществе, которая зависит как от степени радиоактивности изотопа, так и от назначения измеряемого вещества, например питьевая вода. В последнем случае лучше вообще воздержаться от применения радиоактивных индикаторов. По соображениям техники безопасности во всех случаях нежелателен длительный период полураспада, но слишком короткий непригоден, так как не обеспечит необходимой точности измерения.
Устройство концентрационных расходомеров
Элементы конструкции. Концентрационный расходомер состоит из устройства для ввода индикатора в поток при одновременном измерении его расхода или количества и устройства для измерения концентрации в потоке после его перемешивания или устройства для измерения отношения этой концентрации и концентрации образцовой смеси. Концентрация индикатора во вводимом веществе должна быть предварительно определена. Устройства для непрерывного ввода индикатора отличны от устройств для его залпового ввода. В первом случае для ввода жидкостных, в том числе и радиоактивных растворов, применяют поршневые или ротационные насосы-дозаторы. В других случаях для измерения индикатора применяют те или другие расходомеры, а для обеспечения постоянства подачи — регуляторы расхода. Нередко раствор из дозатора вводят не непосредственно в поток, а в промежуточную емкость (трубу) с водой, где разбавление индикатора доводят до 1 :1000. Этот разбавленный раствор и подается в поток. В результате сокращается необходимая длина перемешивания.
Газообразный индикатор вводят из баллона, давление в котором выше, чем давление измеряемого вещества, через редуктор и теплообменник. Постоянство расхода достигается при критической скорости истечения через одно или несколько отверстий. При необходимости может быть применен регулятор расхода. А расход определяется путем взвешивания баллона до и после введения индикатора в измеряемое вещество и измерения времени введения.
У концентрационных расходомеров залпового типа индикатор вводится с помощью быстродействующих устройств (пневматических, пружинных и т. п.).
Схемы концентрационных расходомеров. На рис. 1 показана гидравлическая, а на рис. 2 — электрическая схемы концентрационного расходомера с непрерывным вводом солевого раствора. Схему успешно применяли при проверке труб, установленных на водопроводных магистралях. Ее средняя квадратическая погрешность при измерении расхода не превышает 0,2 %. Схема основана на измерении кратностей разбавления индикатора (соли) в измеряемом веществе и в образцовом растворе или, что то же, отношения концентраций соли в образцовом растворе и в измеряемом веществе.
Рисунок 1.–Гидравлическая схема концентрационного расходомера
Рисунок 2.–Электрическая схема концентрационного расходомера
(АК- автокомпенсатор; У- усилитель автокомпенсатора; Rp- реохорд автокомпенсатора; R1-резистор; rc,r0,rx- кондуктометрические преобразователи электрических проводимостей растворов)
Приготовленный для ввода в трубопровод 10 (рис. 1) с измеряемым веществом раствор соли известной концентрации заливают в мерный бак 8, имеющий мерный объем между отметками а и б. В дозирующий сосуд 3 узла образцовой смеси заливают такой же раствор или, в общем случае, этот раствор, но предварительно разбавленный водой некоторой кратностью. Последнее делается для упрощения приготовления образцового раствора, концентрация соли в котором будет близка к концентрации в контрольном сечении потока. Для приготовления образцового раствора вода, имеющая начальную концентрацию соли, отбирается из трубопровода 10 до места ввода в него раствора соли из бака 8. Отбираемая вода проходит через два кондуктометрических преобразователя r0, сосуд-смеситель 4, усреднитель 5, кондуктометрический преобразователь r0 и сливается в бак 1. Достигнув нижнего открытого конца сосуда 2, вода будет подниматься в нем и сжимать воздух, который станет вытеснять из дозирующего сосуда 3 находящийся в нем раствор соли в сосуд-смеситель 4, образуя в последнем образцовую смесь. Эта смесь, пройдя через усреднитель 5 и кондуктометрический преобразователь rс, будет сливаться в бак 1. Кратность разбавления образцовой смеси представляет собой отношение объема жидкости, поступившей в бак 1, к объему раствора соли, вытесненной из дозатора 3 в смеситель 4. Для измерения расхода воды в трубе 10 включают насос 7, подающий в эту трубу раствор соли из бака 8. Постоянство расхода раствора соли контролируется ротаметром 6, а точное измерение этого расхода производится путем деления контрольного объема бака 8 между отметками a и б на соответствующее время выхода раствора. После смешения последнего с водой в трубе 10 отбирается ее проба, имеющая концентрацию, которая проходит через усреднитель 9 и кондуктометрический преобразователь rх. Благодаря усреднителю расстояние от места ввода раствора до места отбора пробы удалось сократить до 30D. Четыре одинаковых кондуктометрических преобразователя rх, rс, r0 и r0 включены в мостовую схему (рис. 2), питаемую от сети через трансформатор. Разность напряжений в диагонали моста подается на вход усилителя автокомпенсатора АК. Последний перемещает движок реохорда Rр, пока напряжение на входе усилителя У не станет равным нулю.
Рассмотренная схема предназначена для измерения расхода воды вплоть до 15 ООО м3/ч при давлении 0,8 МПа. Объем мерного бака 65 л. Расчетная кратность разбавления стандартного раствора от 1000 до 12 ООО. Длительность измерения расхода 5-12 мин.
Схема концентрационного расходомера с залповым вводом солевого раствора, разработанная для измерения расхода воды при температуре до 100 0С, показана на рис. 3.
Рисунок 3.–Электрогидравлическая схема залпового концентрационного расходомера.
Так же, как и предыдущая схема, она основана на измерении отношения концентрации соли в образцовом растворе и концентрации соли в контрольном сечении потока с измеряемым веществом.
Оцинкованная трубка 23 вместимостью 15 мл заполняется через трехходовой кран 22 солевым раствором. Вода под давлением, поступающая по трубке 21, впрыскивает этот раствор при открытом нижнем кране 24 в трубопровод 25 с измеряемым веществом. На достаточном расстоянии от места ввода раствора в контрольном сечении через трубку 26 отбирается проба, имеющая некоторую концентрацию. Она проходит через кран 9, змеевик 1, ротаметр 2 и кондуктометрический преобразователь 3. Змеевик 1 проложен внутри теплообменника 4, через который под действием насоса 5 циркулирует раствор сравнения, имеющий некоторую концентрацию. Далее этот раствор проходит через кондуктометрический преобразователь 6, ротаметр 7, регулирующий вентиль 8, а в случае необходимости — еще и через калориферное устройство с принудительным обдувом. Благодаря теплообменнику происходит выравнивание температур раствора сравнения и измеряемого вещества, что очень важно для правильной работы кондуктометрических преобразователей 3 и 6. Генератор 10 частотой 1000 Гц питает через инвертор 11 стабилизированным напряжением преобразователь 3 и, кроме того, переменный резистор 12, имитирующий электрическую проводимость потока, имеющего начальную концентрацию соли. Преобразователь 6 через инвертор 13 и переменный резистор 14, служащий для имитации электрической проводимости исходной воды для раствора сравнения, включены в цепь обратной связи операционного усилителя 15. Измерительный сигнал с последнего поступает на масштабный усилитель 16 и далее на интегратор 18. Вольтметр 19 служит для измерения текущего значения отношения электрических проводимостей, а следовательно, и концентраций растворов в преобразователях 3 и 6, а вольтметр 20 показывает нарастающим итогом значение интеграла. Для компенсации неидентичности кондуктометрических преобразователей и возможного неравенства их температур служит переменный резистор 17. С его помощью при протекании исходной воды через оба преобразователя коэффициент передачи масштабного усилителя 16 устанавливается так, чтобы отношение электрических проводимостей в преобразователях равнялось единице.
Расходы в контурах образцового раствора и отбора пробы от 150 до 200 л/ч. Погрешность определения расхода измеряемого вещества ±1 %. Достоинства схемы — простота устройства и компактность установки, которая легко может быть переносной. Для сокращения участка перемешивания рекомендуется между местом ввода индикатора и местом отбора пробы иметь турбулизирующее сопротивление, например сужающее устройство расходомера, а ввод индикатора делать напротив движения потока.
Особые разновидности концентрационных расходомеров
Для измерения расхода сточных вод, а также воды, идущей на охлаждение на электростанциях и в промышленности, в качестве индикаторов нередко применяют красящие вещества, обладающие флуоресцирующими свойствами. Определение их концентрации в жидкости производят флуорометрическим методом. Применяют 20%-ный раствор родамина, который до введения в поток предварительно разбавлялся в 7,3 раза. При постоянной скорости ввода рекомендуемое соотношение расхода вводимого раствора к расходу измеряемого вещества 1:2000. В некоторых случаях, например при рециркуляционных системах, надо измерять также концентрацию красителя в потоке, до места ввода индикатора. Кроме того, следует учитывать возможное поглощение красителя на пути перемешивания, например, некоторыми твердыми частицами (сера, пирит и т. п.), содержащимися в сточных водах.
Значительно реже в качестве индикатора применяют суспензию, содержащую мелкие частицы (0,5 мкм) из поливинил-хлорида. Измерение концентрации этих частиц в потоке основано на поглощении ими света. Степень проводимости светового луча зависит не только от концентрации, но и от толщины. Погрешность измерения расхода около ±1 % в пределах чисел Re от 3600 до 340 000. Диаметр трубы D = 150 мм. Расстояние контрольного сечения от места ввода 158D.
Сравнение различных вариантов концентрационных расходомеров
Концентрационный метод применяют лишь для разовых измерений в большинстве случаев больших расходов в закрытых и открытых каналах, а также для периодической поверки расходомеров жидкостей и газов на месте их установки без демонтажа. Из двух разновидностей метода с непрерывной и залповой подачей индикатора первый применяется чаще. Он может обеспечить большую точность измерения, и нет необходимости следить за временем полного прохода индикатора через контрольное сечение. Кроме того, в этом случае возможно сокращение расстояния между точкой ввода индикатора и контрольным сечением за счет усреднения во времени (0,5-1 мм) отбираемой пробы. Преимущества залпового метода — сокращение времени измерения и расхода индикатора, что имеет значение при больших расходах измеряемого вещества. Он может быть рекомендован при измерениях, не требующих особо высокой точности. Залповый метод можно реализовать с помощью компактной и малогабаритной измерительной установки.
Достоинства нерадиоактивных веществ-индикаторов — отсутствие ограничений по технике безопасности, связанных с применением радиоактивных изотопов, и постоянство свойств индикатора, позволяющее хранить его неограниченно долго. Поэтому при измерении расхода жидкостей, и прежде всего воды, целесообразно применение нерадиоактивных индикаторов, преимущественно солевых растворов, которые могут обеспечить высокую точность измерения. При измерении расхода газа радиоактивные индикаторы (изотопы) нередко более предпочтительны. С их помощью можно получить более точное измерение расхода, так как погрешность измерения малых концентраций нерадиоактивных газов-индикаторов весьма значительна.
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
