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
|
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
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).
Приняв во внимание, что v2/c2 пренебрежимо мала по сравнению с единицей (например, для жидкостей, у которых с = 1000—1500 м/с, a v не превосходит 6—8 м/с, v2/c2