книги из ГПНТБ / Коротков П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин

Аналогично приемным преобразователям с термопарами ПП с термометрами сопротивления могут работать как с разомкну­ тыми, так и с замкнутыми измерительным системами. На рис. 71 приведена схема расходомера, которая может реализовать оба

До нагревателя установлен компенсационный термометр, который измеряет температуру потока без нагрева. Второй термометр реагирует на изменение коэффициента теплоотдачи, зависящего от

расхода. Расходомер рабо­ тает в режиме постоянной мощности, т. е. при изме­ рении разности температур мост непрерывно баланси­ руется. Электронный урав­ новешенный мост состоит из термосопротивлений ТС, постоянных сопротивле­ ний R1 и R2, реохорда Rp, усилителя ЭУ и реверсив­ ного двигателя РД1. В слу­ чае реализации этой схе­ мой метода постоянной

сивный двигатель РД2, который изменяет напряжение питания нагревателя. Расход вещества определяется по показаниям ватт­ метра W. Из рис. 72, на котором приведены градуировочные кри­ вые для методов постоянной мощности и переменной мощности, видно, что чувствительность приборов увеличивается с увеличе­ нием стабилизируемых мощности нагрева Р и разности темпера­ тур At. Для расходомеров диаметром 20—50 мм значения мощ­ ности нагрева находятся в пределах 20—50 Вт, а разность темпе­ ратур —0,5—2° С.

Инерционность теплового расходомера можно значительно снизить в парциальных расходомерах, в которых величина ответ­ вленного потока поддерживается постоянной с помощью регуля­ тора [104].

Байпасная линия 3 (рис. 73), на которой установлены прием­ ный преобразователь J и регулируемое гидравлическое сопро­ тивление 4, имеет значительно меньшее сечение, чем основная линия 2. Мощность нагрева Р преобразователя стабилизирована. Выходной сигнал (температура или разность температур) прием-

120

ного преобразователя также поддерживается на постоянном уровне регулятором 5 (электронный мост типа ЭМИ-107С с изодромным пневморегулятором). В качестве указателя расхода 6 может применяться манометр или вторичный прибор типа 2РЛ-29Б. Исполнительным механизмом 7 является клапан типа ПКН с позиционером.

Нижний предел измеряемого расхода равен практически вели­ чине G6 ответвленного потока, а значение верхнего предела опре­ деляется выражением

где k, k±—коэффициенты, характеризующие пропускную спо­ собность байпасной линии 3 и клапана 7 соответственно.

ut.P

Относительно высокая стабильность динамических свойств расходомера достигается за счет стабилизированного нагрева и стабилизируемого потока в байпасной линии. Постоянная времени описанного расходомера не превышает 10 с, а чистое запазды­ вание— 3—5 с при расходах 0,1—0,5 м3 /ч.

Одним из перспективных направлений развития тепловых расходомеров является разработка приборов динамического ре­ жима [3].

Принцип действия таких приборов основан на зависимости температуры подогреваемого термоприемника или времени, за которое эта температура достигнет заданного значения при дис­ кретной работе нагревателя, от скорости. Этот принцип позволяет создать малоинерционные приборы для больших трубопроводов, так как динамические свойства в данном случае определяются тепловыми свойствами малогабаритных нагревателей и термо­ приемников.

Основными вариантами реализации описанного принципа являются следующие.

121

1. Нагреватель включается и отключается при заданные значениях температур; в качестве показателя расхода служит время нагрева, время охлаждения термоприемника (ТП), часто­ та включения нагревателя или суммарное время нагрева и охлаж­

дения ТП.

Рис. 75. Принципиальная схема расходомера динамического режима:

/ — первичный преобразователь; 2 —- усилитель; 3 — переключающее устройство — триг­ гер; 4 — реле времени; 5 — блок линеаризации; в — указатель расхода; 7 — регистратор расхода — электромеханический счетчик импульсов

ленной расходом. После отключения нагреватель охлаждается до температуры t, за промежуток времени т„, который является Показателем расхода, т. е. т 0 = / (G).

Принципиальная схема расходомера приведена на рис. 75.

122

Первичный преобразователь / представляет собой отрезок

Э. д. с. небаланса моста усиливается усилителем 2, после которого подается на переключающее устройство — триггер 3. Реле вре­ мени собрано на конденсаторе С1 и электромеханическом реле Р2. Указатель расхода 6 состоит из шагового искателя ШИ, кнопки вызова KB и счетчика времени СВ. В качестве регистратора рас­ хода 7 применен электромеханический счетчик импульсов СИ. Для линеаризации выходной частотной характеристики пред­ назначен блок линеаризации 5, состоящий из накопительного реактивного конденсатора С2 и сопротивления R1. Целью такой линеаризации является введение дополнительной тепловой мощ­ ности в поток в зависимости от величины расхода. Разряд конден­ сатора С2 на нагреватель происходит в каждый цикл, что обеспе­ чивает безынерционность действия блока линеаризации. Блок может быть настроен на линеаризацию либо частоты переклю­ чений, либо времени охлаждения ТП.

Цикл работы расходомера осуществляется в следующем по­ рядке. При нулевом выходном сигнале моста, когда температура термистора Rtt равна tx, триггер 3 переключается и обеспечивает питание обмотки реле PL При этом через конденсатор С1 вклю­ чается реле Р2, а через сопротивление R1 включается на заряд конденсатор С2. Реле Р2, включаясь на самоблокировку, под­ ключает нагреватель Н к цепи питания и отключает его от реактив­ ного накопителя конденсатора С2. При повышении температуры термистора Rt, на измерительной диагонали моста появляется напряжение небаланса, которое усиливается усилителем 2. При температуре термистора ta происходят переключение триггера, отключение реле Р1 и прекращение зарядки конденсатора С2.

Продолжительность времени включения нагревателя опреде­ ляется величинами сопротивления реле Р2 и емкости конденса­ тора С1. Мощность нагревателя подбирается такой, чтобы при максимальном расходе время переключения т было меньше вре­ мени включения нагревателя.

По окончании заряда конденсатора С1 реле Р2 обесточивается, отключает от цепи питания нагреватель и подключает его к кон­ денсатору С2. В этот момент температура термистора равна t2- По инерции температура термистора некоторое время будет повы­

цикл.

Время переходного процесса изменения температуры терми­ стора от ti до tn зависит от величины расхода: чем больше рас­ ход, тем больше время, и наоборот. Величина заряда накопитель­ ного конденсатора С2 определяется этим временем. Поэтому

123

количество дополнительной энергии, получаемой нагревателем за каждый цикл, также зависит от расхода.

Частота выходного сигнала определяется только временем охлаждения термистора, так как время его нагрева постоянно.

Реле Р2 через свои контакты: нормально замкнутые (охлажде­ ние) и нормально открытые (нагрев) — управляет шаговым иска­

воляющим контролировать время охлаждения и нагревания термо­ приемника Rtl после нажатия кнопки КВ.

Дополнительная мощность, отдаваемая нагревателю конден­ сатором, увеличивает время охлаждения термистора, и, следова­ тельно, снижает частоту включения нагревателя. Компенсация влияния температуры потока в пределах ±10° С обеспечивается термистором Rt2.

Описанный расходомер исследовался на воде с температурой 25° С. Уставка реле времени равнялась 1,5 с, мощность нагре­ вателя 2 Вт, погрешность измерения ± 1 %.

Из описания принципа действия дискретных тепловых расхо­ домеров следует, что их динамические характеристики значительно превосходят характеристики расходомеров теплового слоя и ка­ лориметрических непрерывного действия.

Кроме того, динамические характеристики дискретных при­ боров зависят не от размеров трубопровода, а от размеров и ма­ териала нагревателя, термоприемника, патрона, а также от ско­ рости потока.

1 4 . С П О С О Б Ы С Н И Ж Е Н И Я И К О М П Е Н С А Ц И И Д И Н А М И Ч Е С К И Х П О Г Р Е Ш Н О С Т Е Й

Т Е П Л О В Ы Х Н Е К О Н Т А К Т Н Ы Х Р А С Х О Д О М Е Р О В

Снижение динамических погрешностей тепловых расходомеров может быть достигнуто различными способами: конструктивным решением приемного преобразователя, подбором измерительной схемы, применением устройств коррекции, измерением парциаль­ ного расхода, применением динамического нагрева.

В тех случаях, когда допустимо некоторое уменьшение диа­ метра трубопровода в месте измерения, инерционность расходо­ мера можно снизить за счет уменьшения массы приемного преоб­ разователя. Например, при уменьшении диаметра трубы в два раза при сохранении первоначального напряжения в материале площадь сечения трубы уменьшится в четыре раза. В соответ­ ствии с формулами (11.16) уменьшится во столько же раз и по­

124

где р , D и а — соответственно давление, диаметр и допустимое напряжение материала на растяжение.

Площадь сечения кольцевого сечения трубы равна

/ = nDs.

Если сравнить две трубы, то получим уменьшение площади кольцевого сечения

Другим конструктивным решением снижения инерционности является применение преобразователей (табл. 3) с маломощными точечными нагревателями, а также с разделенными и совмещен­ ными нагревателями и термоприемниками. Такие приемные пре­ образователи [87] представляют собой отрезки трубы с установ­ ленными на них патрубками со вставками (см. рис. 51).

В патрубок J установлена гильза 2. Вставка зажимается в па­ трубке гайкой 3. При таком конструктивном решении могут быть реализованы самые различные измерительные схемы.

Например, во вставку помещаются нагреватель и горячий спай термопары, холодный спай которой устанавливается на основной трубе, или же применяются две одинаковые вставки, в одной из которых устанавливается нагреватель — термоприемник из меди, никеля или платины, а во второй — сопротивление, выполняю­ щее только функцию термоприемника. Первое сопротивление в десятки раз больше второго. При включении по схеме 4 или 9 табл. 6 оно выделяет значительную мощность по сравнению с мощ­ ностью на втором сопротивлении, служащем в качестве компен­ сатора влияния температуры потока.

Малые размеры вставки обеспечивают снижение инерционности в десятки раз, как и в случае уменьшения диаметра приемного преобразователя.

Еще одним способом снижения инерционности является приме­ нение кольцевого нагревателя, совмещенного с термоприемником, который наматывается на изолированную поверхность преобра­ зователя. Этот способ целесообразно применять для небольших труб диаметром не более 20—30 мм, когда рассмотренные выше вставки затруднительно устанавливать на небольших трубках.

Улучшение динамических свойств расходомеров с разделен­ ными нагревателем и термоприемником достигается, во-первых, устранением термического сопротивления и тепловой емкости в виде специальных термоприемников и термоизоляции, во-вто­ рых, — измерением температуры непосредственно в зоне выделе­ ния тепла нагревателя.

125

схем. Рекомендуемые величины сопротивлений для трубок с диа­

функций. В общем виде зависимость постоянных времени от ско­

неконтактных расходомеров, так же как и других тепловых при­ боров, зависят от условий, в которых производится измерение. При измерении в лабораторных условиях допустимо применение сложной аппаратуры, включая элементы моделирующих устройств. В этом случае вполне осуществима автоматическая настройка корректирующего устройства на несколько постоянных времени. Коррекцию же в производственных или полузаводских условиях целесообразно осуществлять путем ручной или автоматической настройки на эквивалентную постоянную времени преобразова­ теля. При этом неизбежны дополнительные динамические по­ грешности, зато аппаратурное оформление значительно упро­ щается. Поскольку тепловые расходомеры представляют собой преобразователи, в которых расход (скорость) измеряется посред­ ством измерения температуры или разности температур, то для коррекции их динамических характеристик принципиально при­ менимы все устройства, описанные в гл. IV.

Для тепловых расходомеров диаметром 16 мм, имеющих экви­ валентную постоянную времени около 60 с, осуществлялась [87] компенсация по схеме включения в цепь обратной связи вторич­ ного прибора (рис. 129) корректирующего звена с ламповым уси­ лителем (рис. 130). Диапазон изменения расхода воды находился в пределах 10—100 кг/ч, а эквивалентная постоянная времени без коррекции изменялась в зависимости от расхода в пределах 30— 70 с. Применение указанного корректирующего устройства для различных газов и жидкостей обеспечило снижение постоянной времени до 2—10 с. Благодаря возможности адаптации корректи­ рующего устройства (рис. 130) к новым условиям путем изменения параметров корректирующего звена при увеличении или умень­ шении расхода величина постоянной времени для каждого кон­ кретного случая оставалась неизменной во всем диапазоне неза­ висимо от величины и знака возмущения.

126

Для компенсации динамических погрешностей использовали также систему коррекции с параллельным включением обычного и скорректированного термоприемников, в качестве которых при­ меняли дифференциальные гипертермопары. Одна группа спаев каждой термопары устанавливалась рядом с нагреваталем, а дру­ гая группа — вдали от него. Мощность нагрева стабилизировалась.

В основном система коррекции идентична другой (рис. 127), предназначавшейся для измерения температуры. Установление дополнительной функциональной связи между расходом и величи­ нами переменных сопротивлений корректирующего звена позво­ лило снизить динамическую погрешность в 10 раз. Применение

О

замкнутых измерительных систем для измерения различных теп­ ловых величин, в том числе и расхода, снижает динамические по­ грешности по сравнению с разомкнутыми системами. Одна из зам­ кнутых систем измерения расхода приведена на рис. 70.

Другим примером реализации замкнутой измерительной си­ стемы является расходомер с диаметром приемного преобразова­ теля 18 мм и толщиной стенки 3,5 мм. На вход усилителя У по­ ступает разность сигналов от дифференциальной гипертермопары. В качестве задатчика стабилизируемой разности температур служит мостовая схема. Корректирующим звеном КЗ является пассивный четырехзвеннник (рис. 76).

Эквивалентная постоянная времени прибора для расходов 0,02— 0,2 м3 /ч составляла около 10 с.

Схема расходомера для измерения расплавленной серы при­ ведена на рис. 77. Расходомер предназначен для измерения рас­ хода серы в диапазоне 2—6 т/ч при t = 135-^145° С. Приемный преобразователь представляет собой трубу диаметром 50 мм и стенкой 3,5 мм, на которой намотана обмотка нихронового нагре­ вателя мощностью 50 Вт и установлены спаи основной и скорост-

127

ной дифференциальных термопар. Основная термопара имеет около 20 спаев (по 10 спаев до и после нагревателя). Вспомога­ тельная термопара имеет по восемь спаев с каждой стороны, при­ чем термоэлектроды выполнены из проволоки различного диа­ метра — 0,2 и 0,5 мм. Для увеличения различия в инерционности спаи термопар из более толстой проволоки дополнительно тепло­ изолировались. Сигнал А.Е от основной термопары, пропорцио-

d ( Д £ )

нальныи расходу, суммируется с сигналом — о т скоростной термопары, пропорциональным первой производной от расхода.

Таким образом, на вход электронного потенциометра поступает термо-э. д. с.

Эквивалентная постоянная времени благодаря введению ско­ ростной термопары снижена в два раза и не превышала 50 с. Перегрев нагревателя при скорости потока, равной нулю, предот­ вращается разрывом контакта регулирующим устройством, по­ мещенным внутри электронного потенциометра, при подходе стрел­ ки к началу шкалы.

Способ компенсации динамических погрешностей системой комбинированных термобатарей был применен также для измере­ ния расхода эмульсии [105].

Для компенсации динамических погрешностей расходомеров газов в толстостенных трубках диаметром 10 мм применялись системы с коррекцией вторичных электронных приборов. Для этого в цепь обратной связи электронного потенциометра вклю­ чались корректирующие звенья, схемы которых приведены на

усилителя.

Автоматическая настройка параметров корректирующего уси­ лителя на эквивалентную постоянную Т э к в преобразователя производится при изменении расхода.

Применение скорректированной измерительной системы поз­ волило снизить время переходного процесса при различных коэф­ фициентах коррекции (0,05—0,1) с 5—19 мин до 15—40 с.

Два способа снижения инерционности — измерением пар­ циального расхода и применением динамического нагревателя — были рассмотрены ранее (рис. 73—75).

128

Глава III

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т О В

ВД И Н А М И Ч Е С К И Х Р Е Ж И М А Х

Термические свойства материалов оцениваются следующими величинами и их комплексами: коэффициентами теплопровод-

ности А, температуропроводности а= — и тепловой активности b = |/Яср, удельной теплоемкостью с и плотностью р.

1 5 . К Л А С С И Ф И К А Ц И Я М Е Т О Д О В О П Р Е Д Е Л Е Н И Я Т Е Р М И Ч Е С К И Х К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т О В

Известно несколько вариантов классификации методов опре­ деления термических коэффициентов материалов [30, 33, 66, 122, 123], что свидетельствует о многообразии новых материалов и областей их применения. При исследовании нового материала стремятся в первую очередь применить существующие методы и устройства. Однако по различным причинам это не всегда уда­ ется. В таком случае приходится либо создавать новый метод, либо модифицировать один из известных или синтезировать новый метод на основе нескольких существующих.

В [27] подчеркивается, что для успешного развития теплофи­ зики необходима дальнейшая дифференциация методов в соответ­ ствии с разнообразной спецификой многочисленных материалов, широким интервалом вырьирования свойств и режимов исполь­ зования их.

Общепринято делить все методы определения термических коэффициентов на две большие группы: 1) методы, основанные на закономерностях стационарного температурного поля; 2) ме­ тоды, основанные на закономерностях нестационарного поля.

Методы первой группы по существу являются статическими, так как измерение здесь производится в установившемся режиме. В отличие от методов первой группы все остальные методы явля­ ются -динамическими.