8.4. Измерение расхода на основе тепловых явлений

Тепловыми расходомерами называют расходомеры, действие которых основано на измерении эффекта теплового воздействия на поток (или на тело, контактирующее с потоком), зависящего от расхода. Чаще применяются для измерения расхода газа и реже для измерения расхода жидкости. Тепловые расходомеры отличаются способом нагревания, расположением нагревателя (снаружи технологического трубопровода или внутри), а также характером функциональной связи между расходом и измеряемым сигналом. Основной способ нагревания — электрический омический. По характеру теплового взаимодействия тепловые расходомеры подразделяют на калориметрические, термоконвективные, термоанемометрические.

У калориметрических и термоконвективных расходомеров измеряется разность температур газа или жидкости (при постоянной мощности нагревания) или же мощность (при ). У термоанемометров измеряется сопротивление нагреваемого тела (при постоянной силе тока ) или же сила тока (при ). Калориметрические и термоконвективные расходомеры измеряют массовый расход при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества, что является их достоинством. Другое достоинство термоконвективных расходомеров — отсутствие контакта с измеряемым веществом. Недостаток тех и других — инерционность.

8.4.1. Калориметрические расходомеры

Принцип работы калориметрических расходомеров основан на зависимости среднемассовой разности температур потока от мощности нагревания. Калориметрический расходомер (рис. 88, а) состоит из нагревателя 3, расположенного внутри трубопровода 4, и двух термопреобразователей 1 и 2 для измерения температур до нагревателя и после нагревателя. Термопреобразователи располагаются обычно на равных расстояниях от нагревателя. Распределение температур по обе стороны от источника нагревания зависит от расхода вещества.

Так как теплоемкость у жидкостей намного больше, чем у газов, то калориметрические расходомеры находят применение лишь для измерения очень малых расходов жидкостей. Основное назначение этих приборов — измерение расхода газа. Из-за малой надежности работы в эксплуатационных условиях нагревателей и термопреобразователей, располагаемых внутри трубопровода, калориметрические расходомеры применяют как образцовые приборы для поверки и градуировки расходомеров других типов.

Рис. 88. Расходомеры:

а — калориметрический; 6 — термоконвективный (1,2— термопреобразователи; 3 — нагреватель; 4 — трубопровод); — термоконвективный с совмещенными нагревателем и термопреобразователями (/ — двухсекционный нагреватель; 2 — трубопровод; 3 — измерительный прибор; — терморезисторы); г — распределение температур в стенке трубопровода в отсутствие (/) и при наличии расхода (2) среды

8.4.2. Термоконвективные расходомеры

Термоконвективными называются тепловые расходомеры, у которых и нагреватель, и термопреобразователь (термопара) располагаются снаружи трубопровода (рис. 88, б). Это существенно повышает эксплуатационную надежность расходомеров и делает их удобными для применения. Передача теплоты от нагревателя к измеряемому веществу осуществляется через стенку трубы за счет конвекции.

Термоконвективные расходомеры, у которых нагреватель совмещен с термопреобразователями, обладают меньшей инерционностью.

В схеме (рис. 88, в) нагреватель состоит из двух секций, являющихся одновременно терморезисторами и , включенными в мостовую схему с терморезисторами и . Они нагреваются током от стабилизированного источника напряжения ИПС. При отсутствии расхода среды распределение температур в стенке трубопровода представляет симметричная кривая / (рис. 88, г). При этом и равны и мост находится в равновесии. С появлением расхода среды температура и сопротивление становятся меньше температуры и сопротивления , а распределение температур соответствует кривой 2. С ростом расхода среды возрастает разность температур — , увеличивается разность потенциалов в точках и , измеряемая прибором 3, шкала которого отградуирована в единицах расхода.

Примечание

В термоконвективных микрорасходомерах обычно применяют термометры сопротивления (медные, никелевые). В остальных типах термоконвективных расходомеров применяют термобатареи (последовательно соединенные медь-константановые или хромель-копелевые термопары) с числом спаев 8...30. Спаи термобатареи располагают в местах измерения температур и , и таким образом получаемая ТЭДС (1...10 мВ) соответствует разности температур . Спаи должны быть электрически изолированы от стенки трубы и в то же время их температура должна соответствовать температурам стенки. Для изоляции служат синтетические смолы и цемент. Сами же спаи и термоэлектроды должны иметь минимальные размеры.