В современной технике применяются различные методы измерения расхода жидкости — электроиндукционный, магнитный, электронно-оптический и др. Однако ни один из них полностью не отвечает требованиям, предъявляемым нашей промышленностью. Электроиндукционный метод применим только для проводящих жидкостей, магнитный трудно использовать при измерении расхода жидкости, находящейся при высокой температуре, а также при измерении малых расходов из-за тормозного момента магаитного поля. Область применения электронно-оптического метода ограничивается лишь прозрачными жидкостями. В настоящее время появилась возможность использовать радиоактивные излучения в устройствах автоматического контроля расхода жидкости. Радиоактивный метод обеспечивает работу прибора при любых температурах и при любом давлении контролируемой жидкости. Контроль расхода в этом случае осуществляется при отсутствии контакта жидкости с измерительной аппаратурой, что позволяет не нарушать производственный процесс и не изменять свойств контролируемой жидкости. Один из таких методов бесконтактного дистанционного автоматического контроля и измерения расхода жидкости с использованием радиоактивного излучения от искусственных радиоизотопов разработан в Институте автоматики и телемеханики АН СССР. Он основан на использовании механической модуляции радиоактивного излучения, получаемой благодаря применению датчика расхода жидкости скоростного типа.
Принцип действия радиоактивного расходомера жидкости пояснен на рис. 1. Все устройство состоит" из выносного и измерительного блоков, соединенных двужильным кабелем. Выносной блок содержат .вставку в трубопровод 1, по которому протекает контролируемая жидкость, турбинку 2 с изотопам 3, коллиматор 4 и приемник радиоактивного излучения 5, заключенный в герметически закрытый стальной кожух. Измерительный блок представляет собой электронный усилитель 6 с выходом на контрольно-измерительные приборы 7, S, 9. Усилитель может быть установлен в любом помещении за несколько сотен метров от места измерения. Датчиком расходомера служит мнотолопастная тур-бинка 2, помещенная в поток измеряемой жидкости. Бодну или несколько лопастей турбинки запрессовывается радиоактивный-изотоп 3 («источник радиоактивного излучения) так, что исключается всякая возможность непосредственного контакта его с контролируемой жидкостью. С наружной стенки трубопровода 1 находится коллиматор (поглотитель) 4, в котором частично поглощается радиоактивное излучение. Коллиматор располагается таким образом, что при вращении турбинки излучение поглощается в течение всего времени, пока изотоп находится в нижнем положении. За коллиматором помещается приемник радиоактивного излучения—счетчик типа СТС-1. Он преобразует радиоактивное излучение в электрическую энергию.
В качестве источника радиоактивного излучения используется изотоп, дающий гамма-излучение, легко проникающее сквозь стальные стенки трубопровода. При вращении турбинки благодаря коллиматору интенсивность излучения, попадающего на счетчик за один оборот турбинки, изменяется от определенного минимального до некоторого максимального значения. Так как радиоактивное гамма-излучение представляет собой поток гамма-квантов определенной энергии, то модулированный радиоактивный луч образует «пакеты» гамма-квантов. Частота следования таких «пакетов» зависит от частоты модуляции, т. е. от скорости вращения чувствительного элемента (турбинки), которая пропорциональна расходу протекающей в .трубопроводе жидкости. Электрические импульсы со счетчика поступают на вход 'измерительного устройства, которое предназначено для счета «пакетов» импульсов и для измерения частоты поступления их. Принципиальная электрическая схема измерительного устройства показана на рис. 2. Измерительное устройство будет нормально работать только в том случае, если на вход его будет поступать напряжение электрического сигнала, имеющего только один максимум, соответствующий одному полному обороту турбинки. С этой целью на вход измерительного устройства включена специальная интегрирующая ячейка R1C1, обеспечивающая достаточно плавное интегрирование «пакетов» импульсов в соответствующем диапазоне измеряемых частот модуляции (диапазоне расхода). Напряжение сигнала с интегрирующей цепочки поступает на управляющую сетку электронной лампы Лх типа 6ЖЗП. Лампа Л1 работает в режиме ограничения сигнала по минимуму и максимуму. Подобный режим позволяет получать в анодной цепи лампы почти прямоугольные импульсы строго постоянной величины. При появлении на сетке лампы положительного импульса ток через лампу увеличивается, срабатывает реле отсчета оборотов P1 и конденсатор С3 разряжается до потенциала средней точки стабилизаторов Л2 Л3. Ниже потенциала средней точки напряжение упасть не может, так как откроется диод Д1 и потенциалы анода Л\ и средней точки стабилизаторов Л2 Л3 сравняются. При отсутствии на сетке лампы Л1 напряжения сигнала она заперта и конденсатор Сз заряжен до анодного напряжения лампы Л1 Диоды Д2 и Д3 включены так, чтобы прибор МА измерял разрядный ток конденсатора С3. Благодаря стабилизации зарядного и разрядного напряжений мгновенное значение разрядного тока конденсатора, измеряемого прибором, не зависит от величины амплитуды входного сигнала, что позволяет сохранить заданную точность измерения расхода жидкости при колебаниях питающего напряжения до +10%. Измерительное устройство радиоактивного расходомера жидкости имеет несколько диапазонов измерений. Каждый из диапазонов рассчитан на измерение расхода в соответствующих пределах, характеризующихся определенной скоростью потока жидкости. Практически шкала измеряемых частот разделяется на диапазоны: 0—5 гц, 5—50 гц и т. д. при одном рабочем источнике гамма-излучения определенной активности. В случае использования указанной аппаратуры для бесконтактного измерения числа оборотов или скорости вращения элементов в труднодоступных местах (турбины, роторы, специальные моторы и т. п), а также для безмоментного определения числа оборотов или положений маломощных двигателей и различных устройств (микромоторы, сельсины и т. п.) дальнейшее повышение диапазона измеряемых частот можно получить, используя в качестве приемника радиоактивного излучения сцинтиляционный счетчик. В противном случае величины активностей радиоактивных источников будут высокими, что усложняет эксплуатацию устройства. Питание измерительного устройства и счетчиков осуществляется от выпрямителя на полупроводниковых диодах, собранного по одпополупериодной схеме выпрямления. Потребляемая мощность от сети около 30 вт. При конструировании радиоактивных приборов для измерений расхода жидкости необходимо правильно выбрать источник излучения, подобрать соответствующею толщину стенок трубопровода, коллиматора и т. д. Остановимся более подробно на этом вопросе. Как известно, радиоактивные изотопы4 характеризуются тремя основными параметрами: видом излучения (а> Р» v)> энергией частиц или квантов и периодом полураспада. По этим параметрам выбираются радиоактивные изотопы, применяемые в тех или иных устройствах. В расходомере жидкости излучение от радиоактивного изотопа вступает во взаимодействие с материалом турбиики, жидкостью и стенкой трубопровода. В момент прохождения радиоактивного излучения через какую-либо среду процесс взаимодействия для разных видов излучения протекает неодинаково. Альфа-частицы благодаря своей большой массе очень сильно поглощаются средой. Их пробег в воздухе равен нескольким сантиметрам. Пробег в воздухе бета-частиц составляет от десятков сантиметров до нескольких метров, однако они полностью поглощаются слоем металла в несколько миллиметров. Гамма-кванты представляют собой поток электромагнитного излучения, которое поглощается в воздухе на расстоянии нескольких метров и ослабляется только наполовину слоем свинца толщиной в 20 мм. Таким образом, в радиоактивном расходомере жидкости может быть использован изотоп, дающий гамма-излучение достаточной энергии или бета-излучение с энергией, которая обеспечит прохождение излучения сквозь ослабленную стенку трубопровода (0,5-^-2 мм А1). Энергия гамма-квантов должна выбираться такой, чтобы излучение свободно проходило через стенку трубопровода и заметно поглощалось в коллиматоре. Ниже приводится таблица радиоактивных изотопов, которые могут быть использованы при зарядке крыльчатки радиоактивного расходомера жидкости. Активность источника для расходомера жидкости следует выбирать из соображений максимальной нагрузки счетчика, которай определяется его разрешающей способностью. Для счетчиков, используемых в описываемом расходомере, разрешающее время равно 10~4 сек.; значит, он мажет зарегистрировать 60 000 имп/мин. Для этого числа импульсов нужно взять активность (в- милликюри) около Здесь: Максимальный расход жидкости, который может быть измерен при дайной активности источника радиоактивного излучения, определяется максимальной частотой вращения крыльчатки, а следовательно, верхним пределом полосы пропускания частот измерительного устройства. Исходя из оценки минимально необходимой активности источника, можно подсчитать предельное значение верхней частоты /ыаКс на основании соотношения: чить, применив специальную быстродействующую схему (гашения или сцинтиляционныи счетчик, разрешающее время которого на три порядка выше, чем у газонаполненных счетчиков Важным фактором для надежной работы радиоактивного расходомера жидкости является правильное определение геометрических размеров и качества защитного экрана (коллиматора), обеспечивающего максимально возможную глубину модуляции излучения Для этого необходимо использовать экран из материала, обладающего наибольшим коэффициентом поглощения гамма-квантов дайной энергии Поскольку линейный коэффициент поглощения зависит от плотности и атомного номера вещества поглотителя, следует в качестве материала экрана брать элементы, находящиеся в конце периодической системы Д И Менделеева Наиболее доступным элементом, отвечающим предъявленным требованиям, является свинец Толщину и форму коллиматора можно определить опытным путем, руководствуясь достаточной глубиной модуляции при данной скорости вращения крыльчатки . На рис 3 изображен внешний вид установки, демонстрирующей применение радиоактивного метода измерения расхода жидкости
й промышленностью. Электроиндукционный метод применим только для проводящих жидкостей, магнитный трудно использовать при измерении расхода жидкости, находящейся при высокой температуре, а также при измерении малых расходов из-за тормозного момента магаитного поля. Область применения электронно-оптического метода ограничивается лишь прозрачными жидкостями. В настоящее время появилась возможность использовать радиоактивные излучения в устройствах автоматического контроля расхода жидкости.
