Термометры и конвективные расходомеры

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

). У термоанемометров измеряется сопротивление

нагреваемого тела (при постоянной силе тока

) или же сила тока

). 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;

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

, включенными в мостовую схему с терморезисторами

. 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

равны и мост находится в равновесии. С появлением расхода среды температура

становятся меньше температуры

, а распределение температур соответствует кривой 2. С ростом расхода среды возрастает разность температур

, увеличивается разность потенциалов в точках

, измеряемая прибором 3, шкала которого отградуирована в единицах расхода.

Измерение расхода на основе тепловых явлений;

— терморезисторы); г — распределение температур в стенке трубопровода в отсутствие (/) и при наличии расхода (2) среды

Методы и средства измерений расхода жидкости

В расходомерах такого типа используют зависимость перепада давления от расхода вещества. Расходомеры переменного давления делятся на:

• центробежные;
• ударно-струйные;
• расходомеры с сужающим устройством;
• расходомеры с гидравлическим сопротивлением;
• расходомеры с напорным устройством.

Самым простым и популярным прибором для измерения расхода такого типа является расходомер с диафрагмой, т.е. сужающим устройством потока жидкости.

В трубе ставят сужающее устройство и измеряется разность давления перед диафрагмой и в её отверстии. По разнице давлений рассчитывается расход вещества. Такой тип датчиков прост в изготовлении и может применяться почти для любых видов жидкостей. Но данный метод измерения расхода с трудом применим в системах с малым расходом, в пульсирующих потоках, а также в веществах, меняющих свое состояние.

Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления также известны как расходомеры обтекания. Принцип действия таких расходомеров основан на реакции чувствительного элемента на напор. Ярким примером является ротаметр. Ротаметр имеет форму вертикальной конической трубы, в которой находится поплавок специальной формы. Вещество движется вверх по трубе и поднимает поплавок, пока силы, поднимающие поплавок, и сила гравитации не равновесятся.

Оптические расходомеры

Оптические расходомеры измеряют расход вещества, используя зависимость оптических эффектов от скорости движения вещества.

Такие расходомеры используют эффект Физо-Френеля. С помощью этого эффекта определяют зависимость скорости света в движущейся среде и скорость движения среды. Оптические расходомеры применяют в агрессивных средах и в условиях высоких и низких температур.

Акустические расходомеры

Принцип действия акустических расходомеров основан на измерении эффекта, возникающего при прохождении акустических колебаний через вещество. Акустические расходомеры называют ультрозвуковыми, потому что большинство из них работает в ультразвуковом диапазоне.

К ультразвуковым расходомерам относятся:

• ультразвуковые время-импульсные;
• ультразвуковые фазового сдвига;
• ультразвуковые доплеровские;
• ультразвуковые корреляционные.

Наибольшее применение получили ультразвуковые расходомеры, которые измеряют разность времени прохождения колебаний по потоку и против него. На таком принципе основан датчик Dynasonics TFXL.

Ультразвуковые расходомеры могут применяться в агрессивных средах, в диэлектрических средах и в трубах почти любого диаметра. Точность измерения таких расходомеров высокая в широком диапазоне. Ультразвуковые расходомеры чаще применяют как прибор для измерения расхода и количества жидкости, так как газ имеет малое акустическое сопротивление и в нем труднее получить акустические колебания. Также ультразвуковые датчики сильно зависят от степени загрязненности вещества. Длина волны должна быть на порядок больше диаметра твердых частиц.

Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе Фарадея. Поток жидкости помещают между полюсами магнита и замеряют ЭДС. Применяют как постоянные магниты, так и электромагниты, питаемые переменным током. Труба в зоне установки расходомера должна быть выполнена из непроводящего немагнитного материала.

Электромагнитные расходомеры применяют в различных областях, в том числе в медицине, биохимической и пищевой промышленности, так как они малоинертны, устанавливаются снаружи трубопровода, позволяют измерять очень малые расходы. К недостаткам электромагнитных расходомеров можно отнести следующие: они не могут применяться для измерения расхода веществ с малой электропроводностью, расходомеры чувствительны к неоднородностям, турбулентностям, паразитным токам заземления.

Расходомеры могут забивать трубы металлическим мусором.

Кориолисовые или массовые расходомеры

Данный вид приборов использует эффект Кориолиса для измерения массового расхода. Принцип действия кориолисового расходомера основан на измерении разницы фаз колебаний на входе и на выходе измерительных трубок. Рассмотрим как это работает на примере расходомера RCT 1000. Катушка возбуждения создает колебания в расходомерной трубе. Когда жидкости нет, колебания на измерительных катушках совпадают по фазе. Но при наличии потока начинает действовать сила Кориолиса, из-за которой колебания на входе и на выходе начинают отличаться. Зная разность фаз колебаний, расходомер определяет массовый расход. Плотность жидкости определяется по периоду колебаний.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры используют эффект вихревой дорожки Кармана для измерения расхода. За телом обтекания в потоке образуется система вихрей. Частота вихрей пропорциональна скорости потока. Пульсации давления, возникающие в потоке вихрей за телом обтекания, регистрируются датчиками. Такой тип расходомеров обеспечивает низкую относительную погрешность +(0,2-1,5)% в широком динамическом диапазоне.

Тепловые расходомеры

Тепловые расходомеры основаны на измерении скорости потока по эффекту теплового нагрева потока или тела в потоке. Тепловые расходомеры делятся на следующие виды: калориметрические, термоконвективные и термоанемоментрические.

Действие термоанемометров (рис. 89) основано на зависимости между потерей теплоты непрерывно нагреваемого тела (элемента), погруженного в поток, и скоростью газа (или жидкости). Поток газа или жидкости, обтекающий электрически обогреваемый чувствительный элемент, охлаждает его. При постоянной мощности нагревания температура чувствительного элемента (а при постоянной температуре — потребляемая им мощность) является мерой скорости потока.

Достоинства: большой диапазон скоростей, высокое быстродействие, позволяющее измерять скорости, изменяющиеся с частотой в несколько тысяч герц.

Недостатки: хрупкость первичных преобразователей вследствие динамических нагрузок и высокой температуры нагревания.

Первичные преобразователи термоанемометров делятся на полупроводниковые (термисторы) и металлические, которые в свою очередь подразделяются на проволочные и пленочные.

Чувствительный элемент проволочного преобразователя — тонкая и обычно короткая проволочка (термонить) из платины, вольфрама, никеля. Наибольшую температуру нагревания

Рис. 89. Термоанемометр:

/ — проволочный нагревательный элемент; 2 — трубопровод

Методика измерения расхода веществ с помощью сужающих устройств

Стандартные сужающие устройства в комплекте с дифманометрами применяют для измерения расхода веществ в трубопроводах круглого сечения. При установке сужающих устройств соблюдают ряд требований:

• фазовое состояние вещества при прохождении через сужающее устройство не должно меняться (жидкость не испаряется, пар не конденсируется; газы, растворенные в жидкости, не выделяются);
• участки трубопровода до и после сужающего устройст­ва должны быть прямыми без запорной арматуры, чтобы кон­денсат или пыль, выделяющаяся из пара либо газа, а также осадок или воздух, выделяющийся из жидкости, не скап­ливались в трубопроводе;
• при измерении расхода агрессивных жидкостей, газов, а также нефтепродуктов дифманометры надо устанавливать со специальными разделительными сосудами;
• если при измерении расхода параметры среды отлича­ются от расчетных, в показания прибора вводят поправ­ки;
• длина импульсных линий от сужающих устройств к дифманометрам не должна превышать 15 м, а их внутренний диаметр должен быть не менее 8 мм;
• импульсные линии прокладывают вертикально или с уклоном 1/10, при этом должны быть плавными изгибы труб и обеспечиваться герметичность линий и арматуры, а также их теплоизоляция;
• на импульсных линиях вблизи дифманометра устанав­ливают вентили для продувки линий;
• дифманометры устанавливают по отвесу на твердом ос­новании в местах, где нет тряски и вибрации, а вторичные приборы — на блочных щитах управления.

Зависимость между перепадом давлений в сужающем устройстве и расходом среды позволяет градуировать эти приборы в единицах расхода. Для получения линейной шкалы расходомеров в электрическую или кинематическую схему приборов включают устройства, осуществляющие операцию извлечения квадратного корня из измеряемой разности давлений. Это затрудняет обслуживание расходоме­ров и является их существенным недостатком. Другой не­достаток таких расходомеров — суженный диапазон из­мерения расхода среды (30—100% максимального значения измеряемой величины).

Недостатки — нелинейная зависимость расхода от разности давлений, что вызывает большие погрешности в измерении малых расходов; инерционность показаний прибора из-за наличия соединительных линий; необходимость проведения индивидуальной градуировки расходомеров при измерении расхода вязких сред или в трубах малого диаметра; нарушение целостности трубопроводов при установке в них сужающих устройств.

Основными достоинствами расходомеров с сужающими устройствами являются: широкие области давлений, температур и расходов, в которых их можно использовать при измерении однофазных веществ; определение градуировочной характеристики расчетным путем; взаимозаменяемость дифманометров и вторичных приборов.

Измерение расхода на основе контроля изменения тепловых эффектов

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.

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.

Электромагнитные и ультразвуковые расходомеры

Существует ряд приборов для измерения объемного расхода жидкостей, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного контакта с измеряемым веществом, что позволяет использовать их там, где работа других расходомеров невозможна (например, при измерении расхода агрессивных сред — кислот, щелочей, растворов и взвесей). К таким приборам относят электромагнитные и ультразвуковые расходомеры.

Принцип работы приборов с электромагнитным преобразователем расхода основан на взаимодействии движущейся электропроводящей жидкости с магнитным полем. В движущемся проводнике (электропроводящей жидкости), перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, наводится электродвижущая сила (э. д. с.), пропорциональная скорости движения проводника (закон Фарадея):

где Е – индуцируемая (наводимая) в проводнике э. д. с., в В; l – длина проводника в м; B – магнитная индукция, в теслах – Т и v – скорость движения проводника, в м/с.

В случае измерения расхода электропроводящей жидкости запишем:

где D – внутренний диаметр трубы или расстояние между электродами, в м;

Объемный расход жидкости Fоб. Определяется по формуле:

где S – площадь поперечного сечения трубопровода, в м2, если подставить в значение

Рис. 4. Блок-схема электромагнитного расходомера

Датчик расходомера представляет собой отрезок трубы 1 из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали с диаметрально расположенными с наружи электромагнита 4. По оси перпендикулярно полюсам магнита и заподлицо с внутренней поверхностью трубы в изоляционный вставках 3 находятся токосъемника 2. Проведенный датчик расхода питается от сети 220В, что позволяет избежать поляризации электродов. К другим достоинствам данного решения относятся равномерность шкалы прибора и отсутствие потерь энергии потока. С помощью таких приборов можно измерять расходы агрессивных и загрязненных сред.

Электромагнитные расходомеры изготовляются классов точности 1 и 1,5 с постоянным и переменным магнитным полем. Первые расходомеры из-за эффекта поляризации у электродов применяют для определения расхода жидкометаллического теплоносителя, вторые — для определения расхода электропроводных растворов. Принцип их действия основан на возникновении э.д.с в проводнике, пропорциональной скорости его движения в магнитном поле. Роль проводника в расходомере иг­рает электропроводная жидкость, а магнитное поле создается внешними устройствами. Измеряя наведенную э.д.с, можно определить среднюю скорость жидкости, а следовательно, и ее расход.

Недостатками электромагнитных расходомеров являются:

· чувствительность к помехам от переменных электро­магнитных полей;

· ограничения по электрической прово­димости измеряемой среды.

Ультразвуковые расходомеры служат в основном для измерения расхода жидкостей. Принцип их действия основан на использовании ультразвука, скорость которого относительно трубопровода зависит от скорости измеряемого потока. Эти расходомеры состоят из излучателя и приемника ультразвуковых колебаний. Приемник в виде пьезоэлемента преобразует механическую деформацию, вызванную ультразвуком, в электрический сигнал. Скорость потока определяют измерением интервала времени прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против него.

Ультразвуковые расходомеры по методу измерения интервала разделяют на частотные, фазовые и времяимпульсные.

Принцип работы ультразвуковых расходомеров основан на измерении времени прохождения ультразвукового сигнала от излучателя 2 (от 1 до 3 МГц) к приемнику 1 по направлению течения вещества, так и против него (см. рис. 5).

Разность во времени прохождения ультразвукового сигнала будет прямо пропорциональна скорости потока вещества, а знак этой разности покажет направление движения.

Если внутри датчика жидкость находится в неподвижном состоянии, то

где L – расстояние между излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний, v – скорость ультразвука

В этом случае длительность прохождения ультразвукового сигнала и в прямом и в обратном направлении равны между собой.

Как только появится движение жидкости, то время прохождения потока по ходу жидкости станет

, а в обратном направлении

Основными элементами ультразвукового расходомера являются пьезоэлементы, преобразующие переменное электрическое напряжение в ультразвуковые колебания. На рис. 5 приведена двухканальная схема ультразвукового преобразователя, у которого излучатель находится по средине между двумя приемниками.

Требования, предъявляемые к эксплуатации ультразвуковых расходомеров, так как данные расходомеры измеряют среднюю по диаметру, а не среднюю по сечению скорость потока, то для установки расходомера до него необходим прямой участок трубопровода.

Недостатки ультразвуковых расходомеров:

· влияние на показания прибора пузырьков и механических примесей в жидкости;

· чувствительность к помехам, вызванным прохождением акустических колебаний по стенке трубопровода;

· необходимость индивидуальной градуировки;

· влияние на показания изменений физико-химических свойств вещества и его температуры;

· изменение скорости ультразвука.

Достоинства ультразвуковых расходомеров:

· отсутствие контакта со средой;

· высокая точность измерений и быстродействие;

· отсутствие гидравлического сопротивления потоку жидкости;

· возможность установки прибора на трубопроводах диаметром от 10 мм и более, а также измерение расхода любых жидких сред.

Основная погрешность этих расходомеров при отсутствии коррекции на изменение скорости звука составляет 3—4 %.

Достоинства и преимущества тепловых расходомеров

Достоинствами данных устройств можно считать:

• Независимость результатов измерения от теплоемкости веществ;
• Высокое быстродействие;
• Большой диапазон измеряемых скоростей;
• Высокая чувствительность.

Принцип работы тепловых расходомеров

Работа теплового расходомера основана на принципе измерения скорости движения газа или жидкости при помощи эффекта переноса тепла. За счет нагревательного элемента температура подвижной среды увеличивается, позволяя вести автоматические вычисления расхода по сечению трубопровода и временному интервалу.

В зависимости от сферы применения и технических особенностей теплового расходомера, принцип работы каждого прибора может отличаться по способу взаимодействия с потоком:

• Термоанемометрические – электрический нагревательный элемент находится внутри трубопровода;
• Калориметрические – омический нагревательный элемент находятся снаружи трубопровода.

Принцип действия калориметрического расходомера

Калориметрический расходомер ведет учет расходуемой жидкости благодаря разности температур среднемассового потока и мощности нагреваемого вещества.

Внутри трубы расположены два резистивных элемента, выполненных из платины. Один из них измеряет температуру находящегося в трубе газа до нагрева, а другой – после нагрева. Измерения тока, необходимого для нагрева и разности температур, дают данные, с помощью которых вычисляется расход. В настоящее время калориметрический расходомер считается довольно надежным и долговечным устройством.

Принцип действия термоанемометрического расходомера

Термоанемометрический расходомер («анемо» в переводе – ветер) не имеет подвижных частей, поэтому отличается не только высокой точностью, но и повышенным быстродействием. У этого теплового расходомера принцип работы основан на охлаждении чувствительного элемента датчика при прохождении по трубе потока.

В зависимости от модели термоанемометрический расходомер может выпускаться с пленочным и проволочным чувствительными элементами, которые постоянно подогреваются при помощи прохождения через них электротока.

Блок управления учитывает изменения тока, которые происходят из-за охлаждения датчика потоком. Далее результаты изменений высчитываются автоматически и преобразуются в понятную форму для наблюдения человеком или фиксации приборами.

Сферы применения тепловых расходомеров

Невысокая цена и высокая надежность данных приборов привели к их широкому распространению во всех сферах промышленности, сельского хозяйства, при небольших производствах, распространенных на территории Российской Федерации. Расходомеры применяют в:

• системах газоснабжения;
• газосмесительных и газонаполнительных станциях;
• покрасочных камерах;
• вентиляционных системах;
• флотационных станциях;
• котельных;
• пищевой промышленности;
• микроэлектронике.

Технические характеристики тепловых расходомеров

Расходомеры тепловой энергии могут иметь следующие характеристики:

• Мониторинг скорости потока: от 0,06 до 2750 (нормо-м³)/ч;
• Температурный контроль: от 0 до 60oC;
• Степень защиты: IP65.

Недостатки

Как и любые измерительные приборы, расходомеры тепловой энергии имеют свои преимущества и недостатки. Недостатками приборов данного типа является их большая инерционность.

Как купить тепловой расходомер по привлекательной цене

Чтобы купить тепловой расходомер под конкретную задачу, позвоните нашим специалистам по бесплатному номеру или закажите обратный звонок. Можно получить консультацию по любому датчику, узнать интересующие технические характеристики отдельных моделей, а также их точную цену.

Документация

Заказать консультацию инженера