Тепловые расходомеры

Принцип действия тепловых расходомеров основан на нагреве потока вещества и измерении разности температур до и после нагревателя (калориметрические расходомеры) или на измерении температуры нагретого тела, помещенного в поток (термоанемометрические расходомеры). Последние не имеют самостоятельного применения в технологических измерениях.

Схема калориметрического расходомера показана на рис. 7.19, а. В трубопроводе / установлен нагреватель потока 3, на равных рас-

Рис. 7.19. Схема калориметрического расходомера

стояниях от центра нагревателя — термопреобразователи 2 и 4 (при этом нагрев их от лучеиспускания одинаков), измеряющие температуру t\ потока до и после нагрева t₂.

Кривые распределения температуры среды до и после нагревателя при его постоянной выделяемой тепловой мощности приведены на рис. 7.19, б. Для неподвижной среды распределение температуры в ней (кривая 1) симметрично относительно оси нагревателя и поэтому разность температур M—t_x-~t₂=Q. При некоторой малой скорости потока распределение температуры (кривая 2) несимметрично и несколько смещается вправо. В сечении А-А температура U падает вследствие поступления холодного вещества, а в сечении В-В температура fa или несколько возрастает, или же не меняется,

вследствие чего при малых расходах At увеличивается с ростом расхода. С дальнейшим увеличением расхода при постоянной мощности нагревателя fa станет убывать, в то время как t\ практически постоянна, т. е. будет уменьшаться At. Таким образом, при больших расходах разность температур At обратно пропорциональна расходу.

Исходя из сказанного, можно заключить, что зависимость At от массового расхода имеет две ветви — восходящую при малых расходах и нисходящую — при больших. Обе эти ветви в определенных пределах измерения линейны [14], и, естественно, надо работать на одной из ветвей. Обычно работают на нисходящей ветви, где At обратно пропорциональна G.

Зависимость между массовым расходом G и разностью температур А* при допущении, что нет потерь теплоты в окружающую среду (что достигается изоляцией трубы), определяется уравнением теплового баланса вида

N=kQc^t, (7.57)

отсюда.

G=N/(kc_pM),, (7.58)

где N — мощность нагревателя; k — поправочный множитель на неравномерность распределения температур по сечению трубопровода; с_р — теплоемкость вещества при температуре (t\ + t^l2.

Из выражения (7.58) следует, что измерение массового расхода может быть осуществлено двумя способами: 1) по значению подаваемой к нагревателю мощности N, обеспечивающей постоянную заданную разность температур А^; 2) по значению разности At при постоянной N.

В соответствии с первым способом расходомер работает как регулятор температуры нагрева потока. При изменении At автоматически изменяется мощность N до тех пор, пока At не достигнет заданного значения. Массовый расход при этом определяется по шкале ваттметра в цепи нагревателя.

Для уменьшения расходуемой мощности обычно ограничивают заданное значение А^ в пределах 1—3° С.

По второму способу, когда к нагревателю подводится постоянная мощность, расход определяют по прибору, измеряющему разность температур. Недостатком этого способа является гиперболический характер шкалы, а значит, и падение чувствительности при увеличении расхода.

В качестве преобразователей температуры в калориметрических расходомерах могут быть использованы различные термоприемники (термоэлектрические преобразователи, термопреобразователи сопротивления и др.). Термопреобразователи сопротивления обладают здесь тем преимуществом, что их можно выполнять в виде равномерной сетки, перекрывающей все сечение, и таким образом измерять среднюю по сечению температуру.

Калориметрические расходомеры, градуируемые индивидуально, имеют классы точности 0,5—1. Калориметрические расходомеры в основном применяют для измерения малых расходов чистых газов. Для измерения расхода жидкостей калориметрические расходомеры не нашли практического применения из-за большой потребляемой мощности. Основное и важное преимущество калориметрических расходомеров состоит в том, что они обеспечивают измерение массового расхода газа без измерения его параметров состояния (давление, температура, плотность).

Поиски повышения эксплуатационной надежности калориметрических расходомеров привели к созданию тепловых расходомеров, у которых нагреватель и термопреобразователи размещают на наружной стенке трубы, и передача теплоты к потоку осуществляется через стенку трубы и далее — через пограничный слой. В зависимости от относительного расположения термопреобразователей друг к другу и к нагревателю различают расходомеры теплового пограничного слоя и квазикалориметрические. Расходомеры теплового пограничного слоя применяют для трубопроводов с диаметром 50—100 мм «я выше. Эти расходомеры основаны на измерении разности температур, образующейся с обеих сторон пограничного слоя. При реализации этого метода оказывается практически достаточно вместо непосредственного измер-зния разности температур пограничного слоя, зависящей от расхода вещества в трубе, измерять эквивалентную разность. Для этого первый по ходу потока термопреобразователь располагают на внешней стороне трубы на участке, изолированном от ее нагретой части, т. е. принимая, что измеряется температура поступающего потока, а второй термопреобразователь—непосредственно на трубе за нагревателем. Градуиро-вочные кривые у расходомеров, измеряющих разность температур пограничного слоя, в отличие от калориметрических, не имеют двух ветвей. Отмеченная особенность является их преимуществом. К недостаткам следует отнести зависимость показаний этих приборов от теплопроводности, теплоемкости и вязкости потока, а также от изменения параметров состояния.

Еще одной разновидностью тепловых расходомеров, у которых нагреватель и термопреобразователи расположены на внешней стороне трубопровода (рис. 7.19, в), являются так называемые квазикалориметрические расходомеры [14]. В квазикалориметрических расходомерах (рис. 7.19, в) в отличие от тепловых расходомеров пограничного слоя не применяются никакие меры для того, чтобы изолировать первый по ходу потока термопреобразователь 2 от теплового воздействия нагревателя 3. При малых диаметрах труб (от 1,5 до 25 мм), для которых в основном и применяются эти расходомеры, прогревается не только пограничный слой, ко и в значительной мере весь поток, поэтому здесь измеряется не разность температур пограничного слоя, а разность, очень близкая к разности температур потока до и после нагревателя.

Трубу 1 из материала с большой теплопроводностью (обычно ни-

ОАП

кель, латунь) покрывают смоляным лаком с целью электрической изоляции от наматываемых на нее нагревателя 3 и термопреобразователей сопротивления 2 и 5. Последние вместе с постоянными сопротивлениями R\ и R₂ образуют неуравновешенный электрический мост. Измеряемое в диагонали моста прибором 6 напряжение пропорционально разности температур, и шкала этого прибора градуируется в единицах массового расхода вещества. Для устранения влияния внешней среды и стабилизации температуры весь измерительный участок трубы теплоизолируется и, кроме того, его заключают в массивный медный кожух. При диаметрах труб в пределах 1,5—50 мм мощность нагревателя, питаемого от источника 4, составляет 0,1—100 Вт. Длина намотки на трубе 10—100 мм. Классы точности расходомеров с внешним расположением нагревателя 1,5—3. Основным их недостатком является большая инерционность.

Дата добавления: 2015-05-29