книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

ловая изоляция из пенопласта. Помимо этого над измеритель­ ным участком трубы 1 помещен тепловой экран б, внутри кото­ рого имеется асбестовая изоляция. Рядом с нагревателем 4 нахо­ дится термопреобразователь 3 температуры Т2, а на некотором удалении термопреобразователь 7 температуры Т^. Для повыше­ ния чувствительности при измерении разности температур Т2 “ в качестве термопреобразователей служит ряд последовательно

соединенных термопар, образующих термобатарею с числом спа­ ев 8-20, ЭДС которой измеряется с помощью автоматического потенциометра 12. При уходе указателя за отметку шкалы, соот­ ветствующую Qmin, блок-контакт 13 отключает источник пита­ ния 14 от нагревателя. Этим предотвращается возможный пере­ грев вещества при отсутствии его движения. При необходимости введения температурной компенсации на изменение температу­ ры измеряемого вещества на входном участке трубы 1 помещает­ ся терморезистор 8, соединенный с измерителем температуры 10, который воздействует на потенциометрическую схему 11.

В соответствии с рассмотренной схемой в Ленинградском тех­ нологическом институте им. Ленсовета (ЛТИ) было изготовлено и исследовано много термоконвективных расходомеров типа РТН; характеристики некоторых из них приведены в табл. 2 [4]. В таблице указаны крайние возможные значения верхнего предела измерений, достигаемые изменением мощности нагрева (Т — время переходного процесса).

Материал трубы и преобразователей типа РТН: коррозионностойкая сталь, никель, монель-металл и титан. Проволочные на­ греватели из манганина или нихрома. Их длина 10-12 мм для d - 2-5-15 мм и несколько больше с увеличением d. Мощность на­ грева 0,5-5 Вт, а для РТН-25 до 200 Вт. Ступенчатым изменени­ ем мощности нагрева достигается многопредельность шкалы при­ бора, благодаря чему общий диапазон измерения получается очень большим при значении каждого поддиапазона от 6 до 10. В каче­ стве примера на рис. 49 показана градуировочная характеристи­ ка многопредельного расходомера РТН-22, предназначенного для смеси органических жидкостей постоянного состава. Прибор ра­ ботает на нисходящей гиперболической ветви градуировочной кривой, но для получения более линейной шкалы схемным пу­ тем достигаются характеристики, показанные на рис. 49.

Т а б л и ц а 2

Характеристики расходомеров типа РТН

81

в нагревательной обмотке. Прибор предназначен для измерения расхода маловязких жидкостей при давлении до 35 МПа. Погрешность при измерении расхода воды в области 0,005-0,5 л/ч равна ±1 % . При установке преобразова­ теля на байпасной линии верхний предел измерения может быть увеличен до 200 л/ч, при погрешности измерения ±2 % [4].

Для большинства тепловых расходомеров вертикальное распо­ ложение преобразователя расхода лучше, чем горизонтальное, вследствие большей равномерности распределения температуры по сечению потока.

Расходомеры, измеряющие разность температур погранично­ го слоя. Расходомеры пограничного слоя отличаются от ранее рассмотренных тем, что тепло от нагревателя не достигает термо­ преобразователя, который расположен первым по ходу потока. Для этого первый по ходу потока термопреобразователь достаточ­ но удален от нагревателя, а между ними располагается теплоизо­ лирующая прокладка. Второй термопреобразователь располага­ ется возможно ближе к нагревателю. Благодаря этому полностью отсутствует начальная ветвь градуировочной кривой и кривая име­ ет монотонный характер. Другой их существенный признак — отсутствие прогрева центральной части потока, так как применя­ ют их для труб с диаметром не менее 50 мм. В результате в них измеряется не разность средних температур потока до и после на­ гревателя, а разность температур с обеих сторон пограничного слоя.

На рис. 50, а, б изображена схема такого расходомера. Термо­ преобразователь 1 с помощью нетеплопроводной прокладки 2 изо­ лирован от участка трубы, нагретого нагревателем 3. Рядом с последним расположен термопреобразователь 4, который слу­ жит для измерения температуры Т2 нагретой трубы, в то время как первый — для измерения температуры Тх поступающего газа или жидкости.

Тепловая мощность W y передаваемая потоку через погранич­ ный слой от металлической стенки трубы площадью F, выража­

82

Рис. 50. Расходомер, измеряющий разность темпе­ ратур пограничного слоя: а — принципиальная схе­ ма; б — распределение температуры при W = const [ДТа (QM= 0)> A T b (QM>0)]

где ДТ = Т2 - Т1 (пренебрегая тепловым сопротивлением стенки); а — коэффициент теплопередачи в пограничном слое. Этот коэф­ фициент определяется критериальным уравнением

Подставляя в него значения критериев Нуссельта Nu, Рейнольд­ са Re и Прандтля Рг, получим

a D

(34)

где D — внутренний диаметр трубопровода; X, р, с, р — коэффи­ циент теплопроводности, динамическая вязкость, теплоемкость и плотность потока соответственно.

Решая уравнения (32) и (34) совместно с уравнением массово­ го расхода QM= i>p7tD2/4, получим

(35)

где

k = (С4"*1" mcmF)/(nnDl + V n_m).

Для турбулентного движения С = 0,023, п = 0,8 и тп= 0,4. Гра­ дуировочные зависимости расходомера показаны на рис. 51, а для режима ДТ = const и на рис. 51, б для режима ДW = const. На рис. 51, а кроме кривой W дана еще и кривая Wn= W - (WQ+ Wc), где W — мощность нагревателя; WQ — потери в окружающую среду, a Wc — потери на нагрев стенок трубы. При QM= 0 вслед­ ствие малости а значение Wn очень мало и W определяется сум-

83

бор работает по схеме ДТ = const. Нагрев импульсный. Измеряет­ ся частота включения нагревателя, входные сигналы: частотный

итоковый. Внутренний диаметр измерительной трубы 10 мм. При столь малом диаметре измеряемая разность температур не будет равна разности температур с обеих сторон пограничного слоя,

иприбор будет приближаться к квазикалориметрическим с асим­ метричным расположением термопреобразователей, отличаясь от него отсутствием первой ветви градуировочной кривой.

Расходомеры особых разновидностей, в частности для труб большого диаметра. Наряду с ранее рассмотренными термокон­ вективными расходомерами находят применение, но значитель­ но реже особые разновидности тепловых расходомеров, которые с большей или меньшей степенью условности можно отнести

ктермоконвективным.

При измерении расхода веществ, имеющих высокую темпера­ туру, а также веществ, температура которых может существенно изменяться, следует стабилизировать или вообще исключить по­ терю тепла в окружающую среду. Этого можно достичь с помо­ щью схемы, показанной на рис. 53 [4, 31]. Ее особенность состоит в применении дополнительного компенсационного нагревателя 8> установленного по всей длине измерительного участка. Нагрева­ тель поддерживает заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции 2 независимо от температуры и расхода измеряемого вещества. Эта разность контролируется дифферен­ циальной термопарой б, сигнал которой поступает в автоматиче­ ский регулятор 7, управляющий через блок питания 5 током, поступающим в компенсационный нагреватель S. На рис. 53 обо­ значены: 1 — основной нагреватель; 3 — измерительная термоба­ тарея; 4 — измерительный прибор.

В работе [38] приведены результаты испытания теплового рас­ ходомера, у которого измеряется электрическое сопротивление нагретого участка стальной трубы с диаметром 14 мм и толщи­

85

бу в радиальном направлении [1]. Стержень нагревается обмот­ кой, которая может быть расположена на части стержня, находя­ щейся вне или внутри трубы. С помощью термочувствительного элемента измеряется температура стержня, которая будет функ­ цией скорости или расхода потока.

Предложен прибор, в котором в качестве преобразователя ско­ рости газа или жидкости служит термобаллон манометрического термометра с наружным проволочным нагревателем мощностью 2 Вт. Для измерения расхода в больших трубах разработаны осо­ бые схемы тепловых расходомеров. Нагрев распространяется здесь лишь на ограниченную часть всего потока и этим исключается необходимость большой затраты мощности. К ним относятся при­ боры с местным нагревом небольшого участка трубы или погра­ ничного слоя потока, парциальные расходомеры с нагревом пото­ ка лишь в обводной трубке и приборы с тепловым зондом.

К первой из этих разновидностей принадлежит прибор [13], построенный для измерения расхода воды и угольной пульпы в трубе диаметром 300 мм, при скоростях 1,0-4,5 м/с. В двух местах к наружной поверхности трубы приварены стойки, в каж­ дой из которых помещен полупроводниковый терморезистор. Кроме того, в одной из стоек находится нагреватель. Таким обра­ зом, один терморезистор служит для измерения температуры не­ нагретой стенки, а другой — стенки трубы в месте ее нагрева. С изменением расхода будет изменяться температура нагретой части трубы, а следовательно, и сопротивление соответствующе­ го терморезистора вследствие изменения коэффициента теплопе­ редачи от стенки к жидкости. Терморезисторы включены в пле­ чи моста. Чувствительность расходомера возрастает с увеличени­ ем мощности нагрева. При мощности 20-30 Вт можно осуществ­ лять измерение при толщине стенок вплоть до 10-15 мм. Близок к рассмотренному расходомер [29], преобразователь которого (рис. 54) рассчитан на давление 1,6 МПа. С противоположных

сторон трубы 1 сделаны вырезы (на рисунке показан только один вы­ рез), внутри которых помещаются тонкостенные металлические гиль­ зы 9 с прокладками из фтороплас­ та 10у устраняющими теплообмен со стенки трубы и служащими для уплотнения. Внутри них находят­ ся малоинерционные полупровод­ никовые терморезисторы СТЗ-17 плоской формы 8усоприкасающие­ ся с дном гильз 9. Кроме того, в одной из гильз помещен нагрева­

86

дятся внутри бобышек 3, приваренных к трубе i, и укрепляются с помощью ниппелей 4 и фторопластовых теплоизоляционных шайб 6. В бобышках 3 имеются пазы, в которых расположены тонкостенные гильзы 2. Измерительные и нагревательные цепи выводятся через штекерные разъемы 5. Для улучшения контак­ та и фиксации положения терморезисторы и нагреватель залива­ ются в гильзах эпоксидным компаундом с графитовым порош­ ком. Терморезисторы включены в плечи неравновесного моста.

Следующий метод измерения больших расходов основан на применении парциальных тепловых расходомеров, у которых нагревается лишь незначительная часть основного потока, проте­ кающего в обводной трубке небольшого диаметра.

Для измерения расхода в трубах большого диаметра служит метод, основанный на применении теплового зонда. Преобразова­ тель местной скорости здесь по внешней форме напоминает на­ порную трубку Пито диаметром 18 мм [22]. После обтекаемой конусообразной носовой части расположена медная трубка (d = = 18 мм), на внутренней поверхности которой помещен терморе­ зистор, контролирующий температуру поступающего газа. Затем имеется небольшая теплоизоляционная втулка, за которой нахо­ дится вторая медная трубка (d = 18 мм) с расположенными на внутренней поверхности последовательно электронагревателем и вторым терморезистором, контролирующим температуру нагре­ той стенки, зависящей от местной скорости потока. Провода от терморезисторов и нагревателя выводятся через держатель, пер­ пендикулярный к измерительной части зонда, имеющей длину около 140 мм. Для измерения расхода измерительную часть зон­ да надо установить в том месте, где имеется средняя скорость потока.

Элементы конструкции термоконвективных расходомеров. Нагреватель и термопреобразователи — основные элементы тер­ моконвективных расходомеров. Обычно на трубу, покрытую изо­ ляцией (слюда, титановая эмаль и т. п.), наматывают провод тех или других марок (ПЭВ, ПЭТВ, ПЭТК и т. п.), а также мангани­ новую или нихромовую проволоку. При диаметрах труб от 1 до 50 мм длина нагревателя от 10 до 100 мм, диаметр проволоки 0,1-0,2 мм, сопротивление 10-150 Ом, мощность 0,1-100 Вт, сила тока 1-500 мА, снижаемая до 0,1 мА при взрывобезопасном ис­ полнении. Известны случаи применения для нагрева полупровод­ никовых пленок, в частности слоя хлористого олова, нанесенного на титановую эмаль [19]. При этом снижается тепловая инерция.

Термопреобразователями служат термопары (точнее, термоба­ тареи) или термометры сопротивления. В микрорасходомерах, где сложно разместить необходимое число спаев термопар, обычно применяют термометры сопротивления (медные и никелевые). В остальных отечественных расходомерах применяют преимуще­ ственно термобатареи (медь-константановые и хромель-копелевые) с числом спаев 8-30. Получаемая термоЭДС лежит в пределах

87

1-10 мВ. Спаи термобатареи располагают последовательно в мес­ тах измерения температур Тг и Т2, и таким образом получаемая термоЭДС соответствует разности температур ДТ = T g -T j. Спаи должны быть изолированы от стенки трубы и в то же время их температура должна быть как можно ближе к соответствующим температурам стенки. Для изоляции служат синтетические смо­ лы и цемент. Сами же спаи и термоэлектроды должны иметь минимальные размеры, а в эпоксидные компаунды, которые за­ крепляют спаи на поверхности трубы, рекомендуется добавлять теплопроводные примеси (например, измельченный графит).

Третий элемент конструкции преобразователей термокондуктивных расходомеров — устройство, которое должно максималь­ но уменьшить теплообмен преобразователя с окружающей сре­ дой. Это надо как для уменьшения потерь тепла, так и влияния внешних тепловых возмущений. Для этого служат наружный ко­ жух, имеющий теплоизоляционное покрытие, и дополнительная внутренняя труба. Между ними образуется воздушная изоляци­ онная прослойка. Кроме того, эффективно применение внутри кожуха многослойных отражательных экранов из алюминиевой фольги и стеклоленты. При необходимости можно применять дополнительный компенсационный нагреватель (см. рис. 53), поддерживающий заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции.

3.4. ТЕРМОАНЕМОМЕТРЫ

Общая характеристика. Термоанемометры основаны на зави­ симости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью газа или жидкости, в которых это тело находится. Основное назначение термоанемометров — измерение местной ско­ рости и ее вектора. Они могут служить и для измерения расхода, когда известно соотношение между местной и средней скоростью потока, или когда последняя непосредственно измеряется с помо­ щью термоанемометра. Кроме того, существуют конструкции тер­ моанемометров, специально предназначенных для измерения расхода.

Большинство термоанемометров относится к термокондуктивному типу со стабильной силой тока нагрева или же с постоян­ ным сопротивлением нагреваемого тела. У первых измеряется электрическое сопротивление тела, являющееся функцией ско­ рости потока, а у вторых — сила греющего тока, которая должна возрастать с ростом скорости потока. Кроме того, в одной группе термокондуктивных преобразователей ток нагрева одновременно служит и для измерения, а в другой — нагревающий и измери­ тельные токи разделены. Через один резистор течет ток нагрева, а через другой, получающий тепло от первого, — ток, который необходим для измерения.

88

К достоинствам термоанемометров относятся большой диапа­ зон измеряемых скоростей, начиная от весьма малых, и высокое быстродействие, позволяющее измерять скорости, изменяющие­ ся с частотой в несколько тысяч герц. Недостаток термоанемо­ метров с проволочными чувствительными элементами — хруп­ кость последних и изменение градуировки по причине старения

иперекристаллизации материала проволоки вследствие динами­ ческих нагрузок и высокой температуры нагрева.

Преобразователи термоанемометров. Первичные преобразова­ тели термоанемометров разделяются на проволочные, пленочные

итерморезисторные.

Чувствительный элемент проволочного преобразователя — тон­ кая и обычно короткая проволочка из платины, вольфрама, ни­ келя. Концы проволочки (термонити) приваривают к концам двух манганиновых стерженьков, укрепленных на жестком основании. Наибольшую температуру нагрева Тп проволочки (до 1000 °С) до­ пускает платина. Торированный вольфрам может работать до Тп= = 600 °С. Но, во избежание быстрого старения материала, обычно проволочку нагревают только до 400-500 °С. При измерении же вещества, имеющего высокую температуру Тс, термонить укреп­ ляют на основании, охлаждаемом проточной водой [44]. Для пред­ охранения термонити от поломки при большой скорости газового потока предложено [16] защищать ее стеклянной оболочкой. Теп­ ловая мощность W, теряемая проволочкой диаметром d и длиной I при обтекании ее перпендикулярным потоком воздуха, имею­ щего скорость и, определяется [010] уравнением

и теплоемкость газа соответственно. Согласно [40], это уравнение справедливо при pcdv/X > 0,08. Если в это неравенство подста­ вить значения р = 1,3 кг/м3, с = 716 Дж (кг •К), Х= 2,18 х 10_3 Вт/м, соответствующие воздуху при нормальных условиях, то получим vd> 1,87 •10_6 м2/с. С уменьшением диаметра проволочки d ог­ раничивается возможность измерения малых скоростей. Так, при d = 0,01+0,02 мм скорость i;min>0,2-K),l м/с. Обычно диаметр термонити d = 0,005+0,3 мм, а ее длина I = 0,5+10 мм. С увеличе­ нием d возрастают прочность и стабильность термонити, а также увеличивается возможность измерения малых скоростей, но зато возрастает инерционность термоанемометра и уменьшается ее оми­ ческое сопротивление, что вызывает необходимость увеличения длины и силы греющего тока i. Поэтому при измерении местных скоростей стремятся, чтобы d < 0,1 мм. Как правило, проволочные термоанемометры малоинерционны. Так, даже при очень малой скорости, изменяющейся с частотой 5 кГц [35], они могут измерять ее. При скорости газа 100 м/с этот предел повышается до 50 кГц.

89

Пленочный преобразователь термоанемометра состоит из круг­ лого стеклянного полого стержня диаметром в несколько милли­ метров с клинообразным или конусообразным концом, на кото­ рое распылена пленка платины толщиной 50-100 А в виде [26] небольшой полоски (1 х 0,2 мм). Концы полоски соединены с про­ водами, проходящими внутри стеклянного стержня. Иногда на­ носится еще вторая пленка большего размера для температурной компенсации [21]. Пленочные преобразователи значительно проч­ нее проволочных и могут служить для измерения скоростей газа от 1,5 м /с вплоть до 400-500 м /с при температурах до 500 °С и скоростей жидкости до 18 м /с при температуре до 60 °С. Их инерционность немного больше, чем у проволочных и возрастает с уменьшением скорости. Верхний частотный предел уменьшает­ ся от 100 кГц при скорости воздуха 300 м/с до 1 кГц при скоро­ сти 1 м/с.

Чувствительным элементом терморезисторного преобразовате­ ля служит миниатюрный полупроводниковый терморезистор, обычно в виде шарика или бусинки. Их достоинства — простота конструкции, механическая прочность и высокая чувствитель­ ность. Недостаточная стабильность градуировки в значительной степени уменьшена. Применение их в качестве термоанемомет­ ров для измерения скоростей жидкостей и газов при очень высо­ кой температуре все более расширяется [8, 16, 24, 48]. Постоян­ ная времени у них несколько больше, чем у проволочных и пле­ ночных термоанемометров, и в зависимости от размера терморе­ зистора составляет 0,5-2,5 с.

Часто преобразователь термоанемометра состоит из двух тер­ морезисторов, один из которых измерительный, а другой — ком­ пенсирующий изменение температуры потока.

Кроме того, встречаются термоанемометры, в которых цепь нагрева отделена от цепи измерения. Терморезистор обычно рас­ полагается внутри проволочного нагревателя. Возможны разные конструкции: например, нагреватель намотан на трубку, внутри которой находится терморезистор [48], или же спираль нагрева­ теля с помощью стекла закрепляется на полупроводниковом ша­ рике и затем запаивается в стеклянный капилляр [8].

Преобразователи термоанемометрических расходомеров. Пре­ образователь термоанемометрического расходомера отличается от преобразователя обычного термоанемометра тем, что чувствитель­ ный элемент (термонить) находится не в какой-то одной точке потока, а более или менее равномерно распределен по всему его сечению. Так, в разработанном в институте теплофизики АН УССР [33] расходомере РТГ для измерения расхода газа в пределах 50250 м3/ч в трубах диаметром 100 мм при малом избыточном давле­ нии 15-20 Па нагреваемая платиновая нить зигзагообразно пере­ крывает сечение трубопровода. Погрешность прибора ±2,5 % .

В работе [23] описан преобразователь, состоящий из 25 после­ довательно соединенных термопар из константановой и стальной

90