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 %.

СЧЕТЧИКИ ЖИДКОСТИ

Счетчики по принципу своего действия делятся на объемные, скоростные и весовые.

Объемные счетчики жидкости основаны на измерении постоянных по объему порций контролируемого вещества, вытесняемого из измерительной камеры под действием разности давлений и суммирования результатов измерений. В основном эти счетчики применяются для контроля жидких сред. Их преимущество заключается в высокой точности измерений. К недостаткам можно отнести циклич-ность измерений, связанную с необходимостью отделять измеряемый объем от всей массы.

В молочной промышленности нашли применение типа объемные счетчики следующих типов: с кольцевым поршнем, овальными шестернями и барабанные.

Молокосчетчики с кольцевым поршнем имеют проточную камеру, в которой деление жидкости на объемы осуществляется эксцентрично вращающимся кольцевым поршнем. Камера разделена перегородкой, с обеих сторон которой расположены входное и выходное отверстия. Вход и выход изолированы с одной стороны перегородкой, а с другой – вращающимся кольцевым поршнем. Поршень – кольцо цилиндрической формы, прорезь которого скользит по перегородке. В середине поршня имеется ведущая цапфа, которая движется в кольцевом пространстве.

Молоко, поступающее через входное отверстие, наполняет серпообразное пространство и перемещает поршень до тех пор, пока не достигнет затвора. Во время движения молоко поступает во внутреннее серповидное пространство. При дальнейшем движении поршня заполненное молоком пространство соединяется с выходным патрубком и опорожняется. В движении поршня отсутствует мертвая зона.

Вращение поршня передается счетному механизму с помощью магнитной муфты, которая образуется двумя магнитами, один из которых запрессован в диск, а второй – снаружи жестко связан с валом счетного механизма.

Кольцевой поршень изготавливается из пластмассы или резиновой смеси, не поглощающей влагу и обладающей способностью самосмазки соприкасающихся поверхностей.

Погрешность молокосчетчиков с кольцевым поршнем ±0,5 %.

Молокосчетчики с автоматическим дозатором состоят из трех частей: проточной, счетной и дозирующей.

Количество молока по объему составит:

,

где – объем молока, вытесненный из измерительной камеры за один оборот кольцевого поршня;

– число оборотов кольцевого поршня.

 

У счетчика имеется задатчик количества молока, который автоматически управляет клапаном. Задаваемое количество устанавливается на четырехзначном барабане.

Счетчики имеют стрелочный или роликовый счетный механизм. Имеются модификации, оснащенные печатающим устройством для выдачи накладной за полученное количество молока. Допустимая температура продукта до 40 °С, моющих средств до 60 °С.

Имеется модификация счетчика с приспособлением для печатания показаний счетчика на карте вместе с номером сдатчика, порядкового номера измерений и даты. Счетчик может быть укомплектован приставкой для дистанционной передачи показаний с подачей импульсов соответственно через 0,1; 1 и 10 л. Счетчики комплектуются фильтрами, воздухоотделителями и обратными клапанами. Допустимая температура продукта 40 °С, моющей среды 95 °С.

В пищевой промышленности, в том числе молочной, широко применяются, счетчики с овальными шестернями.

За один оборот колеса отсекаются четыре определенных объема жидкости, которые в сумме равны свободному объему измерительной камеры счетчика. В зависимости от положения, занимаемого колесами относительно входа жидкости, каждое из них попеременно является ведущим и ведомым.

Овальные шестерни счетчика изготовлены из нержавеющей стали. Их вращение в счетный механизм передает пара магнитных колец, встроенных в одну из овальных шестерен.

Таким образом, с помощью магнитной муфты осуществляется передача оборотов шестерен счетному механизму.

Перед счетчиком, как правило, устанавливают фильтр и воздухоотделитель.

Барабанные счетчики используют при измерении небольших количеств газа. Принцип действия основан на преобразовании вращения барабана в показания счетного механизма.

Приборы рассчитаны на измерение расхода 0,16-6 м³/ч. Класс точности 1.

Аналогичен принцип действия счетчиков молока групповых типа МГБ. Они предназначены для автоматического учета количества молока при доении. Принцип действия основан на измерении объемного количества жидкости путем последовательного автоматического наполнения и опорожнения мерных камер барабана – измерителя объема.

Молоко поступает через входной патрубок во внутренний распределительный цилиндр барабана. Из цилиндра через щели молоко наполняет камеру барабана. Равновесие нарушается при заполнении пространства камеры. При этом осуществляется поворот барабана и заполнение последующей секции. Жидкость сливается порционно во внешнее пространство и через нижний патрубок выводится из счетчика. На торцевой поверхности барабана укреплены три магнита, которые при его вращении замыкают магнитоуправляемый контакт, управляющий работой счетного механизма. Основная относительная погрешность комплекта 1,5 %. Емкость сумматора 6 знаков. Цена деления 1,0 л.

Скоростные (крыльчатые) счетчики жидкости включают в себя пус с расположенной внутри крыльчаткой, ось вращения которой может располагаться вертикально или горизонтально.

Для измерения расхода воды применяют счетчики с винтовой вертушкой. Жидкость через струевыпрямитель подается на вертушку, связанную червячным редуктором со счетным механизмом. Погрешность 2–3 %.

Для поверки счетчиков используют циферблатные весы с погрешностью 0,1 %. Относительная погрешность

,

где – объем по показаниям счетчика;

– действительный объем, ( – масса; – плотность при измеренной температуре).