Тепловые измерители расхода

При измерении массового расхода вещества с маломеняющейся плотностью широкое применение находят тепловые расходомеры, среди которых наибольшее предпочтение при измерении массового расхода отдается термоанемометрическому методу, основанному на зависимости теплового состояния разогретого тела от сноса тепла движущимся потоком вещества. Наиболее часто в качестве анемочувствительного элемента в термоанемометрических массовых расходомеров используются проволочные, пленочные (металлические) или полупроводниковые терморезисторы. При помещении в движущуюся среду терморезистора, нагреваемого электрическим током, снос тепла с его поверхности является основным фактором, влияющим на теплоотдачу терморезистора. Уравнение теплового баланса терморезистора имеет вид:

P_a = I²R = a S(T_T - T₀), (65)

где a - коэффициент теплоотдачи, зависящий от скорости движения среды; Т_Т и Т₀ – соответственно средняя температура тела терморезистора и среды; S – площадь поверхности терморезистора.

Как известно [14,20], коэффициент теплоотдачи a определяется из эмпирических критериальных зависимостей вида:

Nu = a Re^mPrⁿ (P_2ж/P_iст)^r, (66)

где Pr - число Прандтля, Pr = n/a, а – коэффициент температуропроводности; Re - число Рейнольдса Re = vd /n; n - кинематическая вязкость.

Если поток вещества изотермический и его физические свойства постоянны, то:

Nu = aRe^m, (67)

Из выражения (67) следует связь a и массового расхода:

a = (4/p)^mc(l/m^m d ^m+1)(rG_V)^m = c₁(rG_V)^m, (68)

где l - коэффициент теплопроводности; m - динамическая вязкость; d - диаметр или характерный размер тела терморезистора. С учетом (68) и выражения (65) можно получить зависимость:

P _a/D T = C₁S (r G_V)^m, (69)

представляющую собой общее выражение, связывающее коэффициент рассеяния мощности H = P ₂/D T и массовый расход вещества.

Для проволочных терморезисторов зависимость (69) имеет, как правило, вид:

P₂ = (l + )(T_T - T₀), (70)

где С _v, r - теплоемкость и плотность измеряемого вещества; d - диаметр тела терморезистора.

Если учесть, что P _a = 0,24 I ² R,то получим связь силы тока I ₁, проходящего через терморезистор, с массовой скоростью:

I = . (71)

К достоинствам термоанемометрических расходомеров относятся весьма высокий диапазон измеряемых скоростей и простота устройства. При реализации проволочных анемочувствительных элементов используются проволочки (нити) из платины и вольфрама диаметром 2-20 мкм. Кроме того, известны пленочные анемочувствительные элементы в виде кварцевых нитей, покрытых пленкой из никеля (фибро-

пленочные), а также пленочные анемочувствительные элементы с пленками из никеля. В табл.2 приведены характеристики термоанемометрических датчиков фирмы DUCA (DISA).

Таблица 2

Тип чувствительного элемента	Материал	Диапазон измерения скоростей, м/с	Верхняя граничная частота, кГц	Среда
Проволочный	Покрытый пластикой вольфрам	0,2-500 0,01-5		воздух, дистиллированная вода
Фибро пленочный	никель	0,2-350 0,01-10		воздух, вода
Пленочный				воздух, вода

Основными составляющими погрешности термоанемометрических расходомеров являются погрешности от изменения температуры среды и ее теплофизических характеристик. Для уменьшения температурной погрешности применяются различные методы коррекции, в частности, в датчике расходомера вблизи измерительного анемочувствительного элемента размещается аналогичный по чувствительности компенсационный анемочувствительный элемент, но не омываемый потоком. Анемочувствительные элементы измеряют локальную скорость в месте установки терморезистора. Для измерения расхода необходимо знать зависимость между измеряемой локальной и средней скоростями потока вещества. Обычно стараются устанавливать измерительный анемочувствительный элемент в таком месте, где локальная скорость примерно равна средней скорости.

В заключении можно отметить, что тепловые (термоанемометрические в том числе) расходомеры тем лучше измеряют массовый расход, чем лучше выдерживается постоянство температуры потока вещества, а это в свою очередь, означает, что с меньшей погрешностью измеряются небольшие изменения массового расхода, вызванные изменением скорости и давления в потоке, чем изменения r G_V, вызванные изменением температуры. Точность тепловых расходомеров оценивается приведенной погрешностью, обычно не превышающей 1– 2%, а диапазон измерения охватывает и сверхмалые расходы порядка 0,5–1 г/ч.

Преобразование массового расхода G _СКП в электрический сигнал осуществляется на основе процессов взаимодействия разогретого анемочувствительного элемента (температура Т _а анемочувствительного элемента значительно превышает температуру Т₀ измеряемого вещества, т.е. Т_а>>Т₀) с потоком измеряемого вещества. При этом необходимо, как показано в многочисленных работах [20, 14, 32] процесс взаимодействия анемочувствительного элемента с потоком вещества представлять в виде сочетания неразрывно связанных газотермодинамических и электротепловых явлений, описываемых системой уравнений вида:

P_a = [H(G_СКП)](T_a - T_u); (72)

P_a = I_a²R_a; (73)

R_a = f(T_a); (74)

U_a = I_ar_a = f(I); (75)

U_m = I_a(r_a+r_b); (76)

где H – коэффициент рассеяния мощности, численно равный произведению коэффициента теплообмена анемочувствительного элемента a_а и площади S _a поверхности анемочувствительного элемента, участвующей в теплообмене с измеряемым веществом, т.е. H =a _aS_a; P _a - мощность, потребляемая анемочувствительным элементом от электроизмерительной схемы; U_a, I_a, r _a - напряжение, сила тока и статическое сопротивление анемочувствительного элемента; r_b - сопротивление резистора, последовательно включенного в мостовую измерительную схему.

Функцию преобразования струйно-конвективного преобразователя, а именно взаимосвязь между измеряемым массовым расходом вещества и выходным напряжением электроизмерительной схемы можно определить путем рассмотрения модели СКП, представленной системой (72-76). Однако до настоящего времени еще нет достаточно точных, аналитически простых и удобных для инженерной практики решений этой системы, на основании которых можно было бы получить численные значения параметров газотеплоэлектрической системы и определить функцию преобразования, которая наиболее часто записывается в виде [6,14]:

DI = - = I (G_m) - I(0), (77)

где А - аддитивный член, учитывающий участие измерительного и компенсационного анемочувствительных элементов в теплообмене с измеряемой средой путем теплопроводности; В - коэффициент пропорциональности, определяемый газотермодинамическими и электротепловыми параметрами измеряемой среды и анемочувствительного элемента.

Иногда функцию преобразования представляют в виде [6,14]:

G_m = {k₂^-1[R/(T_a-T₀)]-k₁}ⁿ, (78)

где к₁ и к₂ -инструментальные константы; n»0,5.

В большинстве случаев анемочувствительные элементы включаются в измерительную мостовую схему, показанную на рис.17.

Рис.17. Измерительная мостовая схема включения

анемочувствительных элементов

Эта схема включает два анемочувствительных элемента (измерительный и компенсационный). Путем деления напряжений U ₁₂ на U₂₃ получают значение G _mⁿ. В следующем каскаде (линеаризаторе) получают численное значение массового расхода G_m. На рис. 18 показан вариант практической электроизмерительной схемы СКП массового расхода бензина в двигателе внутреннего сгорания.

Рис. 18. Измерительная схема преобразователя расхода с блоком формирования отношения U ₁₂/ U ₂₃ и блоком линеаризации

При напряжении питания моста U _m=12,0 В и температуре измеряемой среды t _и =20°С для кремниевых анемочувствительных элементов (терморезисторы типа Р310-А11-фирмы Siemens с положительным ТКС) инструментальные константы которых соответственно равны k₁ =13,2 мВт/К, к₂ =4,5мВт/[К(л/ч)ⁿ], n =0,48. На рис. 19 изображено устройство преобразователя расхода, описанного выше.

Рис. 19. Устройство для измерения расхода газа с помощью самонагревающегося терморезистора с положительным ТКС.

На рис.20 показан более сложный тепловой преобразователь расхода воздуха. Благодаря непосредственному воздействию измеряемого потока воздуха преобразователь расхода воздуха имеет достаточно малое время срабатывания. Еще большего (ориентировочно на порядок) повышения быстродействия можно достигнуть путем применения специальных схем.

Рис. 20. Промышленный преобразователь расхода типа DFA.

Рис. 1. Классификация измерителей расхода и количества вещества

– приемная трубка; 2 – сужающее устройство; 3-7, 10 – пневмокана

лы и их вспомогательные элементы; 9 – корпус пневмотахометра; 11 –

мембрана; 12 – поводок; 13 – тяга; 14 – ось; 15 – сектор; 16 – трибка; 17 – стрелка указателя.

Рис. 4. Структурная схема расходомера, основанного на методе переменного перепада: 1 – компрессор; 2 – двигатель; 3 – тахометр; 4 – счетчик.

Рис. 5. Конструктивная схема пневмотахографа ПТ-1(ПТ-2):

Рис. 6. Структурная схема УЗ–расходомера с использованием эффекта Доплера: 1 – излучающий электроакустический излучатель; 2 – приемный акустоэлектронный преобразователь; 3 – диаграмма направленности электроакустического излучателя; 4 – генератор; 5 – усилитель; 6 – смеситель; 7 – фильтр низкой частоты;

8 – частотомер.

Рис. 7. Фазовый расходомер: 1 – излучатель; 2 – приемник; 3 – генератор стандартных сигналов; 4 – фазометр; 5 – индикатор.

Рис. 8. Ультразвуковой расходомер со сносом ультразвуковых колебаний: 1 – источник ультразвуковых колебаний; 2 – генератор; 3 –приемник ультразвуковых колебаний; 4 – дифференциальный преобразователь.

Рис. 9. Ультразвуковой расходомер со сносом ультразвуковых колебаний: 1 – генератор; 2 – излучающий электроакустический преобразователь; 3 – приемный акустоэлектрический преобразователь; 4 – усилитель; 5 – детектор; 6 – индикатор; 7 – доплеровский пьезопреобразователь; 8 – генератор возбуждения импульсов; 9 – арифметическое устройство.

Рис. 10. Одноканальный импульсный расходомер: 1 – излучатели; 2 – генератор; 3 – усилитель-формирователь; 4 – управляемый клапан; 5 – измеритель временных интервалов.

Рис. 11. Двухканальный частотно-импульсный генератор: 1 – источник УЗК; 2 – приемник УЗК; 3 – источник УЗК; 5 – генератор; 7 – диск; 8 – частотомер

Рис. 12. Доплеровский расходомер: 1 – излучатель; 2 – генератор f ₀; 3 – приемник; 4 – демодулятор.

Рис. 13. Вихревые преобразователи расхода

Рис. 14. Вихревой расходомер: 1 – термочувствительный элемент; 2 – генератор вихрей; 3 – блок выделения и формирования выходного сигнала; 4 – счетчик импульсов; 5 – блок измерения амплитуды сигнала; 6 – вычитающее устройство; 7 – индицирующее устройство.

Рис. 15. Принципиальные схемы преобразователей массовых расходомеров переменного перепада давления: 1 – ротор; 2 – насос.

Рис. 16. Принципиальные схемы преобразователей массовых расходомеров с вращающимися трубопроводами: а – с измерением момента кориолисовых сил; б – с измерением гироскопического момента: 1 – гибкие сочленения трубопроводов; 2 – торсионный элемент.

Рис.17. Измерительная мостовая схема включения анемочувствительных элементов

Рис. 18. Измерительная схема преобразователя расхода с блоком формирования отношения U ₁₂/ U ₂₃ и блоком линеаризации.

Рис. 19. Устройство для измерения расхода газа с помощью самонагревающегося терморезистора с положительным ТКС.

Рис. 20. Промышленный преобразователь расхода типа DFA.