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) %.

Термоконвективные расходомеры

Термоконвективными называются тепловые расходомеры, у которых нагреватель и термопреобразователь располагаются снаружи трубопровода, а не вводятся внутрь, что существенно повышает эксплуатационную надежность расходомеров и делает их удобными для применения. Передача тепла от нагревателя к измеряемому веществу осуществляется за счет конвекции через стенку трубы.

Разновидности термоконвективных расходомеров можно объединить в следующие группы:

1. квазикалориметрические расходомеры:
   • с симметричным расположением термопреобразователей;
   • с нагревателем, совмещенным с термопреобразователем;
   • с нагревом непосредственно стенки трубы;
   • с асимметричным расположением термопреобразователей.
2. расходомеры, измеряющие разность температуры пограничного слоя;
3. расходомеры особых разновидностей для труб большого диаметра.

У приборов 1-й группы градуировочные характеристики, как и у калориметрических расходомеров (см. рис. 1), имеют две ветви: восходящую и нисходящую, а у приборов 2-й группы — только одну, так как у них преобразователь начальной температуры Т изолирован от нагревательного участка трубы. Квазикалориметрические расходомеры применяются преимущественно для труб малого диаметра (от 0,5—1,0 мм и выше).

Чем больше диаметр трубы, тем в меньшей степени прогревается центральная часть потока, и прибор все в большей мере измеряет лишь разность температур пограничного слоя, которая зависит от его коэффициента теплоотдачи, а значит, и от скорости потока[1]. При малых диаметрах весь поток прогревается и измеряется разность температур потока с той и другой стороны нагревателя, как и в калориметрических расходомерах.

Термоанемометры

Термоанемометры основаны на зависимости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью газа или жидкости, в которых это тело находится. Основное назначение термоанемометров — измерение местной скорости и ее вектора. Также они применяются для измерения расхода, когда известно соотношение между местной и средней скоростью потока. Но существуют конструкции термоанемометров, специально предназначенных для измерения расхода.

Большинство термоанемометров относится к термокондуктивному типу со стабильной силой тока нагрева (измеряется электрическое сопротивление тела, являющееся функцией скорости) или же с постоянным сопротивлением нагреваемого тела(измеряется сила греющего тока, которая должна возрастать с ростом скорости потока). В первой группе термокондуктивных преобразователей ток нагрева одновременно служит и для измерения, а во второй — нагревающий и измерительные токи разделены: через один резистор течет ток нагрева, а через другой— ток, который необходим для измерения.

К достоинствам термоанемометров можно отнести:

• большой диапазон измеряемых скоростей;
• высокое быстродействие, позволяющее измерять скорости, изменяющиеся с частотой в несколько тысяч герц.

Недостаток термоанемометров с проволочными чувствительными элементами — хрупкость и изменение градуировки из-за старения и перекристаллизации материала проволоки.

Тепловые расходомеры с излучателями

В связи с большой инертностью рассмотренных калориметрических и термоконвективных были предложены и разработаны тепловые расходомеры, у которых нагрев потока производится с помощью энергии электромагнитного поля высокой частоты ВЧ (порядка 100 МГц), сверхвысокой частоты СВЧ (порядка 10 кГц) и инфракрасного диапазона ИК.

В случае нагрева потока с помощью энергии электромагнитного поля высокой частоты для нагрева протекающей жидкости снаружи трубопровода устанавливают два электрода, к которым подается напряжение высокой частоты от источника (например, мощный ламповый генератор). Электроды вместе с жидкостью между ними образуют конденсатор. Мощность, выделяемая в виде теплоты в объеме жидкости, находящемся в электрическом поле, пропорциональна его частоте и зависит от диэлектрических свойств жидкости.

Конечная температура зависит от скорости движения жидкости и уменьшается с увеличением последней, что позволяет судить о расходе путем измерения степени нагрева жидкости. При очень большой скорости жидкость уже не успевает прогреваться в конденсаторе ограниченных размеров. В случае измерения расхода растворов электролитов измерение степени нагрева целесообразно осуществлять путем измерения электропроводности жидкости, так как она сильно зависит от температуры. При этом достигается наибольшее быстродействие расходомера. В приборах применяется метод сравнения электропроводности в трубке, где протекает жидкость, и в аналогичной замкнутой емкости с электродами, где находится такая же жидкость при постоянной температуре[1]. Измерительная схема состоит из высокочастотного генератора, который подаёт напряжение через разделительные конденсаторы на два колебательных контура. Параллельно одному из них подключен конденсатор с проточной жидкостью, а к другому — конденсатор с неподвижной жидкостью. Изменение расхода неподвижной жидкости приведёт к изменению падения напряжения на одном из контуров, а следовательно, и разности напряжений между обоими контурами, которая и измеряется. Данная схема может применяться для электролитов.

Рисунок 2 – Преобразователь теплового расходомера с СВЧ – излучателем.

Высокочастотный нагрев также применяют и для диэлектрических жидкостей, основываясь на зависимости диэлектрической проницаемости жидкости от температуры. При применения для нагрева потока поля сверхвысокой частоты оно с помощью трубчатого волновода подаётся к трубке, по которой движется измеряемое вещество.

На рисунке 2 показан преобразователь такого расходомера. Поле, генерируемое магнетроном 3 непрерывного действия типа М-857 мощностью 15 Вт, подается по волноводу 2. Начальная часть волновода для охлаждения снабжена ребрами 12. Измеряемая жидкость движется по трубке 1 из фторопласта (внутренний диаметр 6 мм, толщина стенки 1 мм). Трубка 1 соединена с входными патрубками 5 с помощью ниппелей 4. Часть трубки 1 проходит внутри волновода 2. В случае полярных жидкостей трубка 1 пересекает волновод 2 под углом 10—15°. При этом отражение энергии поля стенкой трубки и потоком жидкости будет минимальным. В случае слабополярной жидкости для увеличения ее количества, находящегося в электромагнитном поле, трубку 1 размещают в волноводе параллельно его оси. Для контроля степени нагрева жидкости снаружи трубки размещены емкостные преобразователи 6, которые включены в колебательные контуры двух генераторов высокой частоты 7 и 8. Сигналы этих генераторов поступают в блок смешения 9, с которого снимается разностная частота биений входных сигналов. Частота этих сигналов зависит от расхода жидкости. Преобразователь расхода смонтирован на плате 10 и помещен в экранирующий защитный кожух 11. Частота генератора СВЧ-поля выбирается при максимальном значении, а частота измерительных генераторов 7 и 8 — при минимальном значении тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.

Рисунок 3 - Преобразователь теплового расходомера с ИК – излучателем

На рисунке 3 показан преобразователь теплового расходомера с инфракрасным источником излучения. В качестве источника ИК излучения применены малогабаритные кварцево-иодные лампы типа КГМ, которые могут создавать большие удельные потоки излучения (до 40 Вт/см2). К двум патрубкам 1 с помощью уплотнений 3 присоединена трубка 2 из кварцевого стекла (прозрачная для инфракрасного излучения), вокруг которой плотно расположены лампы нагрева 4 с экранами 5, покрытыми слоем серебра и охлаждаемыми водой. Благодаря слою серебра экраны хорошо отражают лучи, что концентрирует энергию излучения и уменьшает ее потери в окружающую среду. Разность температур измеряется дифференциальной термобатареей 6, спаи которой размещены на наружной поверхности патрубков 1. Вся конструкция помещена в теплоизолирующий кожух 7. Инерционность кварцево-иодных излучателей не более 0,6 с.

Погрешность измерения данных расходомеров не превышает ±2,5 %, постоянная времени в пределах 10—20 с. СВЧ- и ИК-излучатели пригодны лишь для небольших диаметров труб (не более 10 мм) и преимущественно для жидкостей. Они непригодны для одноатомных газов.

Тепловые расходомеры с жидкостным или газовым теплоносителем

Тепловые расходомеры с жидкостным теплоносителем (обычно водой) нашли применение для измерения расхода пульп, высокотемпературных сред и различных веществ в потенциально опасных технологических процессах. При этом в большинстве случаев вода охлаждает, а не нагревает измеряемое вещество.

По характеру работы рассматриваемые тепловые расходомеры относятся к калориметрической группе. Постоянные времени данных расходомеров лежит в пределах от 10 до 60 с и зависит от типа термоприемников. Расходомеры с жидкостным теплоносителем применяют для измерения расхода самых различных сред, различающихся высокой вязкостью, значительной температурой, осадкообразующих и двухфазных, в условиях, где ранее рассмотренные тепловые расходомеры едва ли применимы.

Основными достоинствами данных приборов являются:

• надежности работы;
• возможности взрывобезопасного исполнения;
• независимость показаний от зарастания стенок трубы и ухудшения теплопередачи в теплообменнике при условии, что отношение не будет изменяться;
• для рассматриваемых расходомеров пригодна расчетная градуировка.

Вспомогательный теплоноситель в тепловых расходомерах применяется не только в качестве основного источника нагрева или охлаждения измеряемого вещества. Так, не всегда можно обеспечить экспериментальную градуировку теплового расходомера с электрическим нагревом. В этом случае вспомогательный теплоноситель, нагреваемый за счет потери тепла преобразователем расходомера, может обеспечить расчетную градуировку[1].

Купить счетчики и расходомеры по доступной цене. Определится с выбором поможет наш сайт.

Используемая литература:

1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с