книги из ГПНТБ / Азимов, Р. К. Теплообменные измерительные преобразователи

миллиметра до нескольких метров. На толщину стенок труб также не накладывается никаких ограничений. Это означает, что теплооб­ менные преобразователи могут обеспечить измерение практически при любых давлениях.

Можно указать на следующие области применения, в которых теплообменные измерительные преобразователи являются наиболее перспективными приборами:

1) измерение расходов газов, жидкостей и жидких металлов от мил­ лиметра в час до десятков метров в час при любых давлениях и тем­ пературах;

2)измерение расходов различных смесей жидких и твердых ве­ ществ, жидкостей и газов, газов и сыпучих (например, в пневмотранс­ порте);

3)измерение влагосодержания газов, жидкостей и сыпучих мате­ риалов;

4)измерение состава и концентрации различных веществ и др. Кроме вышеуказанных областей применения, теплообменные изме­

рительные преобразователи широко используются как составные пре­ образователи более сложных приборов (например, термомагнитных газоанализаторов).

Измерительные схемы и конструкции теплообменных преобразо­ вателей со стационарным режимом нагрева. Теплообменные измери­ тельные преобразователи в зависимости от типа применяемых термо­ чувствительных элементов и конкретных условий эксплуатации могут работать с несколькими видами измерительных схем. Это разом­ кнутые и замкнутые измерительные схемы на основе потенциометри­ ческих и мостовых схем, логометрические схемы, схемы двойных мостов и другие 1421.

Рассмотрим наиболее простые, надежные и получившие распрост­ ранение измерительные схемы применительно к теплообменным пре­ образователям расхода с термопарными термочувствительными элемен­ тами.

И з м е р и т е л ь н ы е с х е м ы т е п л о в ы х р а с х о д о ­ м е р о в . Возможны два принципиально различных режима работы расходомеров: 1) при постоянной мощности нагревателя, когда изме­ ряется разность температур потока до и после нагревателя и 2) изме­ ряется переменная мощность нагревателя, изменением которой авто­ матический регулятор стабилизирует разность температур потока .о и после нагревателя.

Схема расходомера, работающего в режиме постоянной мощнос­ ти, представлена на рис. 20. Мощность нагревателя поддерживает­ ся постоянной стабилизатором напряжения 6. Мерой расхода служит разность температур потока. Блок-контакт 5 при отсутствии потока отключает питание нагревателя.

В качестве вторичного прибора используется автоматический элек­ тронный потенциометр типа ЭПД или ЭПП, в измерительную схему которого вносятся некоторые изменения. Потенциометр в зависимос­ ти от системы автоматического регулирования может иметь любое

62

регулирующее устройство. Градуировка шкалы потенциометра опреде­ ляется параметрами среды, преобразователя и требуемым диапазоном измерения.

Расчет измерительной схемы потенциометра выполняется по мак­ симальным и минимальным значениям разности т. э. д. с. дифферен­ циальной термопары, что соответствует минимальным и максимальным значениям расходов.

Значения сопротивления RH, RK и Re рассчитываются обычным методом по величине входного сигнала от термодатчиков при измере­ нии расхода от минимального значения до максимального. Сопротив-

Рис. 20. Схема теплообменного преобразователя расхода со стационарным режимом нагрева:

1 — нагреватель; 2 — дифференциальная термопара; 3 — измерительная схема; 4 —шкала вторичного прибора; 5 — блок-контакт в цепи нагрева­ теля; 6 — стабилизатор напряжения; 7 — электронный усилитель; 8 — реверсивный двигатель.

ление RMвыполняется из манганина, так как при использовании диф­ ференциальной гипертермопары не требуется компенсация изменений температуры холодных спаев. Значения сопротивлений R„p, RK и R% по схеме ЭПП или ЭПД остаются без изменений.

С увеличением расхода уменьшаются измеряемая разность темпе­ ратур потока и значение входного сигнала (в милливольтах), поэте му в кинетическую схему вторичного прибора типа ЭПД или ЭПП вносятся необходимые изменения для получения обратной шкалы. Полярность питания моста от батареи изменяется на обратную. При этом в момент контроля рабочего тока реохорд в цепи питания из­ мерительного моста вращается против часовой стрелки, если стрелка прибора перемещается от нуля к верхнему пределу шкалы. Соответ­ ственно изменится схема натяжения тросика.

При отсутствии потока возможный перегрев трубки преобразова­ теля при включенном нагревателе предотвращается контактным

устройством, которое разрывает цепь нагревателя при попадании стрел­ ки прибора за нулевую отметку. Пределы срабатывания контактного устройства настраиваются при помощи профилированного диска, укрепленного на оси редуктора реверсивного двигателя. Запись на диаграмме вторичного прибора при отсутствии потока в приемном преобразователе имеет вид пилообразной кривой.

Схема расходомера, работающего в режиме постоянной разности температур, приведена на рис. 21. Сигнал от термочувствительных элементов 2 измеряется и усиливается в блоках 3 и 4, подается на ис­ полнительный механизм 5, который воздействует на мощность нагре­ вателя, регулируемого в блоке 6.

Мощность нагревателя измеряется ваттметром 7 и является мерой рас­ хода. Для блоков 3, 4, 5 могут быть применены регуляторы температуры, РУ 4-16А, ПРТЭ-1 и др.

Для выбора, расчета и настройки параметров регулятора для расходо­ мера определяются кривые разгона расходомера и параметры измери­ тельной схемы.

В результате сравнительного ис­ следования установлено, что расходо­ меры, работающие в узком диапазоне скоростей или предназначенные для поддержания определенного расхода по условиям технологического про­ цесса, наиболее целесообразно экс­ плуатировать в режиме постоянной мощности нагревания. Это позволяет в качестве вторичного прибора ис­ пользовать любой автоматический потенциометр типа ЭПД или ЭПП. Градуировочные характеристики при

режиме Р„ — const имеют нелинейный характер, близкий к гиперболи­ ческому. При использовании схемы с переменной мощностью нагрева градуировочная характеристика линейная, поэтому такая схема це­ лесообразна для приемных преобразователей расходомеров, работаю­ щих в широком диапазоне скоростей и обеспечивающих одинаковую точность и чувствительность во всем диапазоне.

Измерительная схема при постоянной разности температур созда­ ет более благоприятные условия для работы термочувствительных элементов и изоляционных материалов. Схема позволяет также опре­ делить суммарный расход по показаниям счетчика электрической энер­ гии, включенного последовательно в цепь нагревателя.

Конструкция преобразователя (рис. 22) состоит из отрезка трубо­ провода 1, на котором смонтированы нагреватель 2 и термочувстви­ тельные элементы 3 и 4. На кожухе монтируется два герметичных

64

штепсельных разъема для вывода цепи питания нагревателя и измери­ тельной цепи от термодатчиков. Материал трубы приемного преобра­ зователя выбирается из условий стойкости в измеряемой среде при рабочих температурах.

В качестве термочувствительных элементов могут применяться термопары, термометры сопротивления и термисторы. Максималь­ ная рабочая температура проволочных термометров сопротивления в эмалевой изоляции и термисторов не превышает 200—250° С, поэтому для температур выше250°С могут быть применены только термопары.

Рис. 22. Конструкция теплообменного трубчатого преобразователя:

1 — труба; 2 — нагреватель; 3, 4 — спаи дифференциальной термопары; 5 —фланцы; 6 — на­ ружный кожух; 7 , 8 — теплоизоляция; 9 — штепсельный разъем; 10 — указатель направления потока.

Для температур до 600° С предпочтительно использовать хромелькопелевые термопары диаметром электродов 0,2—0,5 мм, обладаю­ щие наиболее высокой чувствительностью. Для увеличения чувстви­ тельности на входе и на выходе приемного преобразователя устанав­ ливаются группы термопар, соединенные последовательно (дифферен­ циальные гипертермопары).

В разработанных конструкциях в качестве термочувствительных элементов используется хромель-копелевая дифференциальная гипер­ термопара, имеющая 24 спая, из которых 12 расположены до нагрева­ теля (по ходу потока), а 12 — за нагревателем. Для увеличения теп­ лопроводности компаунда добавляется наполнитель — графит в от­ ношении весов 1:1. Введение наполнителя уменьшает коэффициент линейного расширения смолы «ц = 65 • 10~в1/°С до а\2 — 15 х X 10~в1/°С (коэффициентлинейного расширения стали lX18H9Taic =

*= 16 • 10~61/°С). Компаунд наносится на трубу в сочетании со стек­

65

лотканевой изоляцией в следующем порядке: на очищенную поверх­ ность трубы наносится первый равномерный слой компаунд тол­ щиной 0,5—1 мм и одновременно наматывается стеклонить; после затвердевания компаунда на нем нитью укрепляются спаи термопар; затем для закрепления спаев наносится рторой слой компаунда со стеклонитью.

Компаунд [53] готовится при рабочей температуре, в котором на 100 вес. ч. смолы ЭД-6 добавляется 35 вес. ч. отвердителя — мале­ иновый ангидрид. Наполнителем служит графит или кварцевый песок —

ратурах до 200° С.

В преобразователях, работающих при температурах до600° С, спаи термопар крепятся в карманах специальных колец по 12 шт. на вхо­ де и выходе. Спаи крепятся силикатным цементом, являющимся вы­

или титановой эмали. Нагреватель через слой изоляции крепится к трубе при помощи боковых хомутов.

Теплоизоляция нагревателя состоит из пяти слоев алюминиевой фольги и асбеста. Изготовление кожуха из алюминия и заполнение асбестом внутреннего пространства приемного преобразователя обес­ печивает достаточную тепловую изоляцию, которая исключает до­ полнительную погрешность от изменения температуры окружающе­ го воздуха.

Описанная конструкция теплообменного преобразователя (рис. 22) контролировала расход жидкого калия в форсуночных аппаратах реакторов окислителей. Положительный опыт многолетней произ­ водственной эксплуатации расходомера калия свидетельствует о высокой надежности и перспективности подобных приборов.

Краткая техническая характеристика преобразователя расхода

66

новые термосопротивления 6 , 7 и нагревательный элемент 8 Уровень воды в сечении канала измеряется поплавком 3. Перемещение поплав­ ка 3 преобразуется в угол поворота рамы 5, шарнирно закрепленной в подшипниках 9 на крышке поплавка и в подшипниках 10 на метал­ локонструкции гидрометрического мостика. Угол поворота рамы преобразуется в сопротивление на ползунковом потенциометре 11 (Rh).При этом сопротивление на потенциометре изменяется пропор­ ционально уровню потока h. Вывод проводов из тела поплавка выпол­ нен через штепсельный разъем 15, закрепленный на крышке поплавка.

изготовлены из полупроводниковых термосопротивлений с отрица­ тельным температурным коэффициентом сопротивления, что позво­

RT1, Rt2 — полупроводниковые сопротивления, установленные до и после нагревателя;

Rhx — текущее значение сопротивления R h, зависящее от вели­ чины уровня воды.

При изменении произведения RT,, Rhx, пропорционального рас­ ходу G, на электронный усилитель 13 подается сигнал разбаланса, с выхода усилителя этот сигнал подается на реверсивный двигатель 14, который перемещает движок реохорда 12 (R p) до наступления рав­ новесия моста. При этом перемещается стрелка шкалы расходомера Ш. Шкала получается линейной.

Экспериментальная проверка опытного образца была проведена при следующих технических данных [101:

1.Поплавок обтекаемой формы, изготовленный из луженой жести, длина 200 мм, ширина 50 мм, центральный угол носовой и кормовой частей 5°.

2.Металлоконструкция рамы из углового алюминия длиной 350мм.

3.Канал — лоток трапецеидального сечения из оргстекла.

4.Термосопротивления R n и Rt2 ММТ-1, Р = —3% !град, номиналь­ ное сопротивление R293 = 1,5 ком было приклеено с помощью эпоксид­ ной смолы ЭД-6 ко дну поплавка.

5.Для сопротивления Rh использовался проволочный реостат с со­ противлением 0—2000 ом.

6.Нагреватель сопротивлением 50 ом был изготовлен из манганино­ вой проволоки 0,1 мм.

7.Измерительная схема расходомера была собрана на базе стан­ дартного электронного автоматического моста типа МС-01.

8.Рабочей измерительной средой была водопроводная вода с тем­ пературой 20°С.

68

Расход воды контролировался объемным методом с помощью мерных баков и секундомера. Ток нагревателя измерялся амперметром кл. 0,1.

Эксперименты были проведены при расходах Q = 6,4 -г- 125,0 м31час и токах нагревателя 150, 250 и 350 ма. Погрешность измерения расхо­ да воды не превышала ± 5,0%.

На основе теплообменного преобразователя был разработан вла­ гомер (рис. 25) для автоматического непрерывного измерения влаж­ ности сыпучих материалов [341. Измеряемый материал поступает в трубопровод 5 и транспортируется с постоянной скоростью с помо­ щью шнека 4. На наружной поверхности трубопровода 5 неконтактно с измеряемой средой установлены нагреватель 1 и кольцевые термо­ чувствительные элементы 2 и 3.

Рис. 25. Конструкция тшиюобмешюго измерительно'о преоЗразонагеля влажности сыпучего материала

1 — нагреватель; 2, 3 — кольцевые термочувствительные э.п^ ^ тц- 4 — шнек; .5 — теплопроводный трубопровод

Разность температур, измеряемая термочувствительными элемен­ тами 2 и 3 при известной мощности нагревателя 1 и постоянной ско­ рости потока, зависит главным образом от влагосодержания измеряе­ мого материала. Конструкция влагомера аналогична конструкциям преобразователей, представленных на рис. 22 и 23, и отличается от них наличием шнека с приводом.

Разработанный влагомер был использован для определения влаж­ ности аммофоса и других сыпучих материалов.

Краткая техническая характеристика преобразователя влажности:

Как уже указывалось в § 2, теплообменные измерительные преоб­ разователи нестационарного режима имеют более высокие точность и быстродействие по сравнению с преобразователями стационарного режима.

70