Измерение расхода на основе контроля изменения тепловых эффектов потока вещества

Действие тепловых расходомеров основано на изменении эффекта теплового воздействия на поток или на тело, контактирующее с потоком, зависящего от расхода вещества. Приборы принцип действия, которых основан на контроле изменения тепловых эффектов, чаще всего используются для измерения расходов газа и реже для измерения расходов жидкости. Тепловые расходомеры отличаются способом нагрева вещества перемещаемого в трубопроводе, нагревательный элемент может находится либо внутри трубопровода, либо снаружи, если речь идёт о контроле расхода агрессивного вещества, а также характером связи между расходом и измеряемым сигналом.

Основной способ нагревания – электрический омический.

По характеру теплового взаимодействия тепловые расходомеры подразделяют на калориметрические, термоконвективные и термоанемометрические расходомеры.

Калориметрические и термоконвективные расходомеры измеряют разность температур – Т газа или жидкости при постоянной мощности нагревания – W или же поддержание постоянной разности температур за счет изменения мощности электропитания нагревательного элемента.

Калориметрические и термоконвективные расходомеры используются для измерения массовых расходов при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества, что является их достоинством. Недостатком таких приборов является их инерционность.

в г

Рис. 3. Измерение расхода на основе контроля изменения

тепловых эффектов потока вещества

а – калориметрический; б – термоконвективный; в – термоконвективный расходомеры; 1 и 2 – термопары; 3 – нагревательный элемент; 4 участок трубопровода; 5 – измерительный прибор; ИПС – источник питания стабилизированный; R₁, R₂, R₃ и R₄ – терморезисторы.

На рис. 3, а приведена схема калориметрического расходомер, принцип действия которого основан на зависимости среднемассового разности температур потока от мощности нагревания. Распределение температур по обе стороны от источника нагревания зависят от расхода вещества. Данный расходомер состоит из двух термопар 1 и 2, нагревательного элемента 3, расположенных внутри трубопровода 4. Термопреобразователи 1 и 2 измеряют температуру до нагревающего элемента – Т₁ и после него – Т₂, причем термопары расположены от нагревателя на равных расстояниях – L₁ = L₂.

Калориметрические расходомеры используются как образцовые для поверки и градуировки расходомеров других типов, если они используются, то только для контроля расхода газа или очень малых расходов жидкости из-за существенной разности между теплоемкостью газа и жидкости.

Термоконвективный расходомер отличается от калориметрического расходомера только тем, что и термопреобразователи (термопары) и нагревающий элемент расположены с наружи трубопровода (рис. 3, б). Передача тепла от нагревателя к измеряемому веществу происходит через стенку трубы за счет конвекции Отсутствие контакта со средой существенно повышает надежность использования данных расходомеров для контроля за расходом агрессивных веществ.

Термоанемометрические расходомеры используется эффект изменения сопротивления R нагреваемого тела при постоянном значении силы тока I, или наоборот, изменение значении силы тока при постоянном значении сопротивления, они обладают меньшей инерционностью, чем калориметрический и термоконвективный расходомеры.

Нагревательный элемент состоит из двух секций, являющихся одновременно терморезисторами R₁ и R₂, включенными в мостовую схему с

терморезисторами R₃ и R₄, последние нагреваются током от источника питания стабилизированного (ИСП). При отсутствии перемещения вещества в трубопроводе распределение температур представляет симметричную кривую график 1 рис. №, г. При этом R₁ = R₂ и мост находится в равновесном состоянии. С появлением расхода температура Т₁ и сопротивление R₁ становятся меньше чем температура Т₂ и сопротивление R₂, с ростом расхода возрастает разность температур Т₂ – Т₁. В этом случае увеличивается разность потенциалов в точках b и d, величину которого фиксирует измерительный прибор 5, шкала прибора соответственно отградуирована в единицах расхода.