К числу сравнительно новых, но быстро развивающихся методов из­мерения локальных скоростей потока и расхода относятся методы, осно­ванные на применении оптических квантовых генераторов—лазеров (ОКГ). Достоинствами этих методов являются: бесконтактность, высо­кая чувствительность, малая инерционность, большой диапазон измере­ний скоростей и расходов независимо от физических свойств измеряе­мой среды (как жидкостей, так и газов), за исключением требования ее прозрачности в диапазоне длин волн, излучаемых квантовыми генерато­рами.

Наиболее перспективно применение оптических методов в экспери­ментальной гидродинамике, особенно в области турбулентных явлений, изучение которых традиционными способами (например, с помощью тер­моанемометров) уже не дает желаемых результатов вследствие малой точности приборов и, главное, вносимых ими искажений в изучаемую структуру потока.

Кроме того, лазерные расходомеры используют при измерении рас­хода агрессивных, высоко- и низкотемпературных (криогенных) жид­костей и газов.

Б настоящее время распространение получили две конструктивные разновидности оптических (лазерных) расходомеров,, отличающихся ле­жащими в их основе физическими явлениями: расходомеры, основанные на эффекте рассеяния света движущимися частицами (допплеровские расходомеры), и расходомеры, основанные на эффекте Физо-Френеля — увлечения света движущейся средой.

Б оптическом расходомере (назовем его сокращенно ДИС), реализу­ющем первый эффект, излучение лазера, рассеянное движущимися в по­токе естественными или искусственно введенными частицами, приобре­тает частотный сдвиг, пропорциональный осредненной скорости частиц.

Принципиальная схема ДИС показана иа рис. 70. Прибор работает следующим образом. Световой поток, излучаемый газовым лазером 1, делится расщепителем 2 на два параллельных пучка равной интенсивнос­ти, которые линзой 3 фокусируются в исследуемой области среды, дви­жущейся по трубопроводу 4. В области пересечения лучей возникает пространственная интерференционная картина из чередующихся светлых и темных полос. Перемещающиеся в этой области частицы перекрывают светлые полосы, в результате чего рассеянный частицами свет модулиру­ется частотой, пропорциональной скорости движения частиц.

Рассеянный свет улавливается приемной оптической системой 5 и на­правляется на фотодетектор 7. Выделение и регистрация.частотного сиг­нала (пропорционального скорости движения частиц) осуществляется анализатором спектра или автоматической следящей системой 8. Диа­фрагма 6 предохраняет фотодетектор от фонового излучения.

Рис. 70. Принципиальная схема лазерного измерителя скоростей

Для создания рассеивающих центров (зоны движущихся частиц) в жидкостях в настоящее время чаще всего используют полистироловые шарики диаметром 0,5—1,0 мкм, добавляемые в поток с объемной кон­центрацией 0,002—0,02 %. Для получения сигнала требуемой интенсив­ности в газах достаточно 0,15 • 10~3
кг/м3 взвешенных примесей и аэро­золя. Эффективным способом получения рассеивающих центров в газах является способ распыления жидкостей (например, воды).

Основными источниками методических погрешностей ДИС являют­ся: неравномерность профиля скоростей потока; турбулентные пульса­ции скоростей; неоднородность рассеивающих частиц и их „проскальзы­вание" (несовпадение скоростей) относительно основного потока.

Эти погрешности совместно с аппаратурными обусловливают сум­марную погрешность измерений расхода с помощью ДИС порядка 1,5— 2,0%.

Принципиальная схема расходомера, реализующего эффект Физо-Френеля, показана на рис. 71. Основным элементом расходомера являет­ся гелиево-неоновый лазер, резонатор которого образован зеркалами 1, 4, 5, расположенными в вершинах треугольника, и активным элементом 9. Лазер генерирует две встречные волны, бегущие по замкнутым опти­ческим путям. Поток жидкости или газа, движущийся на некотором участке резонатора по трубопроводу 2 с прозрачными окнами 3, создает различные по знаку приращения оптических путей встречных волн лазера за счет составляющей проекции вектора скорости потока на направление луча. Вследствие этого различны и частоты встречных волн.

Часть энергии встречных лучей выводится из резонатора и зеркалами б, S направляется на фотодетектор 7, в цепи которого появляется фото-ток разностной частоты биений, пропорциональной скорости потока, ос-редненной по пути луча.

Инструментальная погрешность описанных расходомеров определя­ется, в основном, погрешностью измерения частоты биений. Нестабиль­ность частоты биений вызывается механическими вибрациями, изменени­ем температуры окружающей среды, а также процессами, происходящи­ми в плазме ОКГ. Известны „Физо-Френелевские" расходомеры, основ­ная погрешность которых не превосходит 0,5 % верхнего предела измере­ний.

гч- Г : / ^ \    i

 

Рис. 71. Принципиальная схема фи-зо-френелевого   лазерного  расхо­домера

— Методические погрешности зтих расходомеров обусловливаются не­постоянством показателя преломления измеряемой среды и отличием скорости, осредненной по длине луча, от действительной средней скорос­ти потока (аналогично, как у рассмотренных выше ультразвуковых рас­ходомеров) .

Особенно перспективны данные расходомеры для измерения расхода газов, поскольку частота выходного сигнала при показателях преломле­ния, близких к единице (что характерно для большинства газов), про­порциональна массовому расходу.

7.7. Измерение расхода методом контрольных „меток"

Если создать в потоке измеряемой среды какую-либо „метку" (ка­кой-либо отличительный признак части потока, за перемещением которо­го можно проследить) и измерять время tM, за которое эта „метка" пройдет определенный фиксированный путь LM, то, считая, что скорость перемещения „метки" v равна скорости потока, получим

v = 4*~-                                (7:28)

Расходомеры, основанные на этом методе измерений (рис. 72), со­стоят из устройства, периодически создающего ту или иную „метку" по­тока; устройства, фиксирующего момент прохождения „метки", и при­бора, измеряющего продолжительность перемещения „метки" на фикси­рованное расстояние LM.

На основании формулы (7.28) уравнение измерений зтих приборов будет иметь вид

(7.29)

Рис. 72. Схема измерения расхода ме­тодом контрольных „меток"

где sf — коэффициент, зависящий от распределения скоростей по сечению потока и числа Рейнольдса.

Погрешности измерения при данном методе не нормируются. Метод, как правило, используется в лабораторных условиях для измерения рас­хода газа при сверхвысоких скоростях, т. е. там, где другие методы трудно применить.

R контрольному вопросу № 13

Действительно, „закрутка" потока, вызванная сопротивле­нием первой турбинки, оказывает тормозящее действие на вто­рую.

7.8. Расходомеры, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР-расходомеры)

Поляризованные в постоянном магнитном поле атомные ядра боль­шинства элементов, помещенных в переменное осциллирующее поле, при угловой частоте осциллирующего поля, равной угловой скорости прецес­сии (колебаний относительно среднего положения) ядер (ларморовой частоте), взаимодействуют с ним, поглощая часть его энергии. При этом изменяется намагниченность ядер, т. е. суммарный магнитный момент ядер в единице объема вещества.

Это явление — явление взаимодействия поляризованных ядер с резо­нансным осциллирующим полем называется ядерным магнитным резо­нансом.

Существует несколько принципов построения расходомерных уст­ройств, основанных на ядерном магнитном резонансе. Во-первых, явле­ние ядерного резонанса используется для создания „меток" в потоке жидкости.

Схема ЯМР-расходомера, работающего на принципе контрольных „меток", показана на рис. 73. Жидкость проходит через магнитное поле, создаваемое магнитом 1 и поляризуется (ядра жидкости ориентируются

 

 

if*	г		L	С
	и
1      8		5 ^—	1

относительно силовых линий по­ля, что обусловливает ее намагни­ченность). Протекая через катуш­ку 2, на которую подается от ге­нератора 5 переменное напряже­ние резонансной частоты, поляри­зованные ядра жидкости поглоща­ют часть энергии осциллирующего поля, создаваемого катушкой, и жидкость деполяризуется. При пе­риодическом   отключении   тока,

Рис. 73. Схема ЯМР-расходомера, рабо-   питающего катушку 2, в потоке тающего на принципе контрольных меток   жидкости на выходе из катушки

будут создаваться пакеты поляризованных молекул. Эти молекулы, пройдя фиксированное расстояние L, попадают в катушку 3, которая также питается переменным напряжением резонансной частоты. В момен­ты протекания поляризованных молекул через осциллирующее поле ка­тушки 5 в ее цепи будет возникать сигнал ядерного магнитного резонан­са, фиксируемый измерительной схемой 4. Таким образом, в данном случае измерение расхода сводится к измерению времени между момен­том отключения напряжения от катушки 2 и моментом появления сигна­ла ядерного магнитного резонанса в схеме 4, связанной с катушкой 3. Уравнение измерений расходомеров данного типа не отличается от урав­нения измерений метода контрольных „меток" (98).

Другой принцип работы ЯМР-расходомеров основан на зависимости амплитуды сигнала ядерного резонанса А от скорости течения жидкости v, открытой индийским ученым Сурианом

(7.30)

где Ао — амплитуда сигнала ядерного резонанса в неподвижной жидкос­ти; tp — постоянное для данной жидкости время продольной релаксации ядер; / — длина датчика, создающего резонансное поле.

Пользуясь выражением (7.30), рабочее уравнение данного типа ЯМР-расходомеров можно представить в виде

Q=K(^—l),                                 (7.31)

где постоянная К — lF/tp; F — калибр расходомера.

Принципиальная схема такого расходомера показана на рис. 74. Учас­ток трубопровода помещен в сильное поляризующее поле. На концах участка монтируется датчик ядерного магнитного резонанса, на катушку которого подается переменное напряжение резонансной частоты. Поляри­зованная жидкость, протекая через датчик, дает сигнал ядерного резонан­са, амплитуда которого зависит от расхода жидкости. Подобное устрой­ство можно применять для измерения расхода жидкостей с большим ко­личеством ядер (например, жидкости, содержащие водород или фтор), обеспечивающим достаточно большой сигнал ядерного резонанса. Кон­центрация ядер должна сохраняться постоянной, в противном случае бу­дет изменяться чувствительность прибора. Концентрация ядер пропор­циональна плотности, а следовательно, погрешность показаний прибора зависит от всех факторов (температуры, давления, концентрации и т. п.), влияющих на плотность измеряемой среды. Кроме того, погрешность показаний существенным образом зависит от качества стабилизации пи­тающего напряжения и наличия внутренних (схемных) и внешних (вы­зываемых турбулентностью потока) шумов. При аппаратурном подавле­нии этих шумов (что ведет к большой сложности измерительной схемы) погрешность ЯМР-расходомеров при их градуировке на реальной измерят емой среде может быть сведена к погрешности порядка 0,5—1,0% верх­него предела измерений.

Рис. 74. Схема амплитудного ЯМР-расходо-мера

 

К достоинствам ЯМР-расходомербв (значительно окупающим их конструктивную сложность) относят: высокую чувствительность и ма­лый нижний диапазон измерений; бесконтактность измерений; нечув­ствительность к перемене ориентировки трубопровода в пространстве; линейность шкалы и возможность использования их в системах контро­ля и регулирования в связи с малой инерционностью и электрическим выходным сигналом датчика в виде напряжения низкой частоты.

В настоящее время ЯМР-расходомеры применяются в основном при лабораторных исследованиях, в биологии и медицине (для измерения расхода крови).