Тепловые расходомеры

Тепловыми называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контактирующее с потоком. Чаще всего их применяют для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости. Тепловых расходомеры различают по: способу нагрева; расположению нагревателя (снаружи или внутри трубопровода); характеру функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Электрический омический способ нагрева является основным, индуктивный нагрев почти не применяется на практике. Также в некоторых случаях применяют нагрев с помощью электромагнитного поля и с помощью жидкостного теплоносителя. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на: калориметрические (при электрическом омическом нагреве нагреватель расположен внутри трубы); термоконвективные (нагреватель расположен снаружи трубы); термо-анемометрические. У калориметрических и термоконвективных расходомеров измеряется разность температур AT газа или жидкости (при постоянной мощности W нагрева) или же мощность W (при ΔТ == const). У термоанемометров измеряется сопротивление R нагреваемого тела (при постоянной силе тока i) или же сила тока i (при R = const). Термоанемометрические приборы для измерения местных скоростей потоков появились раньше остальных. Калориметрические расходомеры с внутренним нагревом, появившиеся позже, не получили заметного применения. Позднее стали разрабатываться термоконвективные расходомеры, которые благодаря наружному расположению нагревателя находят все более широкое применение в промышленности. Термоконвективные расходомеры делят на квазикалориметрические (измеряется разность температур потока или мощность нагрева) и теплового пограничного слоя (измеряется разность температур пограничного слоя или соответствующая мощность нагрева). Они применяются для измерения расхода главным образом в трубах небольшого диаметра от 0,5—2,0 до 100 мм. Для измерения расхода в трубах большого диаметра находят применение особые разновидности термоконвективных расходомеров: парциальные с нагревателем на обводной трубе; с тепловым зондом; с наружным нагревом ограниченного участка трубы. Достоинством калориметрических и термоконвективных расходомеров является неизменность теплоёмкости измеряемого вещества при измерении массового расхода. Помимо этого в термоконвективных расходомерах отсутствует контакт с измеряемым веществом, что также является их существенным достоинством. Недостаток и тех и других расходомеров - их большая инерционность. Для улучшения быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. Термоанемометры в отличие от остальных тепловых расходомеров весьма малоинерционны, но они служат преимущественно для измерения местных скоростей. Приведенная погрешность термоконвективных расходомеров обычно лежит в пределах ±(l,5-3) %, калориметрических расходомеров ±(0,3-1) %.

Тепловые расходомеры с нагревом электромагнитным полем или жидкостным теплоносителем применяются значительно реже. Электромагнитное поле создается с помощью излучателей энергии высокой частоты, сверхвысокой частоты или инфракрасного диапазона. Достоинством первых тепловых расходомеров с нагревом электромагнитным полем является сравнительно малая инерционность. Они предназначены в основном для электролитов и диэлектриков, а также селективно-серых агрессивных жидкостей. Расходомеры с жидкостным теплоносителем применяют в промышленности при измерении расхода пульп, а также при измерении расхода газожидкостных потоков.

Температурный предел применения термоконвективных расходомеров 150—200 °С, но в редких случаях может достигать 250 °С. При нагреве электромагнитным полем или жидкостным теплоносителем этот предел можно повысить до 450 °С. Калориметрические расходомеры

Рисунок 1 – Калориметрический расходомер (а – принципиальная схема; б – распределение температур; в – зависимость ΔT от расхода QM при W=const) Калориметрические расходомеры основаны на зависимости от мощности нагрева среднемассовой разности температур потока. Калориметрический расходомер состоит из нагревателя 3, который расположен внутри трубопровода, и двух термопреобразователей 1 и 2 для измерения температур до Т1 и после Т2 нагревателя. Термопреобразователи располагаются обычно на равных расстояниях (l1=1г) от нагревателя. Распределение температур нагрева зависит от расхода вещества. При отсутствии расхода температурное поле симметрично (кривая I), а при его появлении эта симметрия нарушается. При малых скоростях потока температура T1 падает сильнее (вследствие притока холодного вещества), чем температура Т2, которая при малых скоростях может даже возрастать(кривая II). В результате вначале с ростом расхода растет разность температур ΔT = Т2 - Т1. Но при достаточном увеличении расхода QM температура Т1 станет постоянной, равной температуре притекающего вещества, в то время как T2 будет падать(кривая III). При этом разность температур ΔT будет уменьшаться с увеличением расхода QM. Рост ΔT при малых значениях Qm почти пропорционален расходу. Затем этот рост замедляется и после достижения максимума кривой начинается падение ΔТ по гиперболическому закону. При этом чувствительность прибора падает с ростом расхода. Если же автоматически поддерживать ΔT = const путем изменения мощности нагрева, то между расходом и мощностью будет прямая пропорциональность, за исключением области малых скоростей. Эта пропорциональность является достоинством данного метода, но устройство расходомера оказывается более сложным. Градуировать калориметрический расходомер можно путем измерения мощности нагрева ΔT. Для этого прежде всего необходима хорошая изоляция того участка трубы, где расположен нагреватель, а также невысокая температура нагревателя. Далее как нагреватель, так и терморезисторы для измерения Т1 и Т2 выполняют таким образом, чтобы они перекрывали равномерно сечение трубопровода. Это делается для обеспечения правильного измерения среднемассовой разности температур ΔТ. Но при этом скорости в различных точках сечения разные, поэтому средняя температура по сечению не будет равна средней температуре потока. Между нагревателем и термопреобразователем для измерения Т2 ставят завихритель, состоящий из ряда наклонных лопастей, обеспечивающий равномерное температурное поле на выходе. Такой же завихритель, расположенный до нагревателя, позволит устранить его теплообмен с термопреобразователем. Если прибор предназначен для измерения больших расходов, то разность температур ΔТ при Qmax ограничивают 1—3° во избежание большого расхода мощности. Калориметрические расходомеры находят применение лишь для измерения очень малых расходов жидкостей, так как теплоемкость у жидкостей много больше, чем у газов. В основном эти приборы применяют для измерения расхода газа. Калориметрические расходомеры с внутренним нагревом не получили распространения в промышленности из-за малой надежности работы в эксплуатационных условиях нагревателей и термопреобразователей, располагаемых внутри трубопровода. Их применяют для различных исследовательских и экспериментальных работ, а также в качестве образцовых приборов для поверки и градуировки других расходомеров. Данные приборы при измерении массового расхода могут быть проградуированы путем измерения мощности W и разности температур ΔT. Используя калориметрические расходомеры с внутренним нагревом можно обеспечить измерение расхода с относительной приведенной погрешностью ±(0.3-0,5) %.