Тепловий витратомір

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Теплови́й витратомі́р — витратомір, у якому для вимірювання швидкості потоку рідини або газу використовується ефект переносу тепла від нагрітого тіла рухомим середовищем.

Розрізняють калориметричні і термоанемометричні витратоміри.

Калориметричні витратоміри[ред.ред. код]

Принцип роботи теплового калориметричного витратоміра

Калориметричні витратоміри ґрунтуються на нагріванні чи охолодженні потоку стороннім джерелом енергії, що створює в потоці різницю температур за якою визначають витрату.

Якщо знехтувати втратами тепла з потоку через стінки трубопроводу в навколишнє середовище, то рівняння теплового балансу між витратами тепла нагрівачем, і теплом, переданим потоку, набуває вигляду:

q_t = k_0 Q_M c_p \Delta T,

де k_0 — поправочний множник на нерівномірність розподілу температур по перетину трубопроводу;

Q_M — масова витрата у потоці;
c_p — питома теплоємність (для газу при постійному тиску);
 \Delta T = T_2 - T_1 — різниця температур між давачами (T_1 і T_2 — температури потоку до й після нагрівача).

Тепло до потоку в калориметричних витратомірах підводять зазвичай електронагрівниками, для яких

q_t = 0,24 I^2 R,

де I — сила струму через нагрівний елемент;

R — електричний опір нагрівача.

На основі цих рівнянь статична характеристика перетворення, котра пов'язує перепад температур на сенсорах із масовою витратою набуде вигляду:

 Q_M = \frac {0,24 I R}{k_0 c_p \Delta T}.

Термоанемометричні витратоміри[ред.ред. код]

Конструкція термоанемометричного витратоміра: 1 — давач температури нагрівного елемента; 2 — нагрівний елемент; 3 — давач температури потоку.

Принцип роботи термометричного анемометра пов'язаний з використанням конвективного винесення тепла рухомим середовищем від нагрітої поверхні. Чутливим елементом такого анемометра є нагрітий дріт або поверхня, зазвичай з платини або вольфраму. Підігрів елемента зазвичай здійснюється постійним струмом, що проходить через неї з підтриманням постійної температури елемента. Іноді можна зустріти конструкції з непрямим підігрівом вимірювального дроту. Для визначення швидкості потоку в приладі вимірюється конвективне винесення тепла від дроту, яке є функцією від швидкості руху середовища, що омиває елемент.

Зазвичай дріт промислових термоанемометров для газових вимірювань має 4-10 мкм в діаметрі і довжину 1 мм. Іншою конструкцією є поверхневий чутливий елемент з підкладкою з жаростійкого скла з напиленим покриттям або фольгою з платини.

Рівняння теплового балансу на нагрівачі можна записати у вигляді:

I^2R_W = h A_W \Delta T,

де:I — електричний струм, що проходить через нагрівний елемент;

R_W — електричний опір нагрівного елемента;
h — коефіцієнт теплообміну нагрівного елемента;
A_W — площа поверхні нагрівача, що омивається рухомим середовищем;
\Delta T = T_1 - T_2 — різниця температур нагрівача і середовища.

Так як опір R_W нагрівача залежить від температури

R_W = R_c [1 + \alpha (T_1 - T^c_1)],

де: \alpha — температурний коефіцієнт опору;

R_c — величина електричного опору при температурі калібрування;
T^c_1 — температура калібрування.

Коефіцієнт теплообміну h є функцією швидкості потоку V і може бути описаний емпіричною залежністю:

V = a + b V^c,

де: a, b, c — сталі, що визначаються при калібруванні давача (c = 0,5). На основі записаних рівнянь можна визначити швидкість потоку, а значить і витрату :

V = \left( \left[ \frac{I^2 R_c [1 + \alpha (T_1 - T^c_1)]}{A_W \Delta T} - a \right] / b \right)^{\frac {1}{c}}

До переваг термоанемометричного методу вимірювання відносяться висока чутливість, хороша швидкодія, простота конструкції. До недоліків — можливість достовірної роботи лише в чистих потоках з незмінними теплофізичними характеристиками та необхідність очищення елемента від забруднень.

Джерела[ред.ред. код]

  • Пістун Є. П., Лесовой Л. В. Нормування витратомірів змінного перепаду тиску. – Львів: Видавництво ЗАТ «Інститут енергоаудиту та обліку енергоносіїв», 2006. – 576 с. ISBN 966-553-541-2
  • А.К. Бабіченко, В.И. Тошинський та ін. Промислові засоби автоматизації. Ч.1. Вимірювальні пристої. - Х. ООО "Роми", 2001.