4.2. ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Принцип действия тепловых расходомеров основан на зави- симости теплового воздействия на поток от расхода. На этом же принципе основана работа термоанемометров. Термоанемометры являются одним из наиболее распространенных средств измере- ний скорости различных сред и примененяются в погружных расходомерах. Расходомеры, основанные на измерении скорости, в том числе и тепловые, рассмотрены в разделе 6.
Полнопроходные тепловые расходомеры применяются в ос- новном для измерения небольших расходов жидкости и газа.
Среди них наиболее часто используются калориметрические рас- ходомеры и расходомеры пограничного слоя.
Принцип действия калориметрического расходомера иллю- стрируется на рис. 4.4. Расходомер состоит из нагревателя ЭН и двух термопреобразователей Т
1
и Т
2
, расположенных до и после нагревателя по ходу потока (рис. 4.4а). Распределение температур по обе стороны от нагревателя зависит от массового расхода м
Q
При отсутствии расхода температурное поле вокруг нагревателя симметрично. Разность температур, воспринимаемых термопре- образователями, равна нулю.
При наличии расхода симметрия нарушается (см. рис 4.4.б, кривая 2). Можно выделить две характерные области с разной за- висимостью разности температур от расхода. При малых расхо- дах температура Т
1
снижается вследствие притока холодного ве- щества, а температура Т
2
возрастает. За счет этого разность тем- ператур ΔТ = Т
2
– Т
1
увеличивается. Зависимость ΔТ близка к ли- нейной: м
1
Q
c
k
Т
p
,
(4.4) где k
1
– коэффициент пропорциональности;
p
c – теплоемкость измеряемой среды.
120
Рис. 4.4. Принцип действия калориметрического расходомера: а – схема расходомера: ЭН – электронагреватель,
Т
1
и Т
2
– термопреобразователи; б – распределение температуры по длине трубы:
1 – расход равен нулю, 2 – малый расход, 3 – большой расход; в – зависимость разности температур от массового расхода
При дальнейшем увеличении расхода температура Т
1
стано- вится постоянной и равной температуре притекающего вещества, а температура Т
2
снижается. В этом диапазоне зависимость меж- ду мощностью нагревателя и массовым расходом определяется уравнением теплового баланса: м
2
TQ
c
k
W
p
,
(4.5) где W – мощность нагревателя;
k
2
– поправочный коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду.
Значение ∆Т обратно пропорционально массовому расходу: м
2
Q
c
k
W
T
p
(4.6)
В промышленных расходомерах, как правило, нагреватель и термопреобразователи размещаются на наружной поверхности трубы.
Для измерения малых и очень малых расходов жидкости в диапазоне от сотых долей г/ч до нескольких кг/ч используются расходомеры, принцип действия которых основан на уравнении теплового баланса (4.5). На рис. 4.5 приведен пример конструк- тивного исполнения такого расходомера. Путем изменения мощ- ности поддерживается постоянное значение разности температур
121 жидкости ∆Т до и после нагревателя. Массовый расход среды оп- ределяется по значению подводимой мощности W. Разность тем- ператур жидкости после и до нагревателя составляет примерно
1 °С и контролируется термобатареей, составленной из несколь- ких тысяч термопар.
Рис. 4.5. Схема калориметрического расходомера:
1 – корпус; 2 – термобатарея; ЭН – электронагреватель;
3 – жидкость в трубке
В некоторых расходомерах, принцип действия которых осно- ван на уравнении теплового баланса, в качестве выходного сиг- нала используется отношение мощности нагревателя к разности температур м
2
Q
c
k
T
W
p
(4.7)
В расходомерах с пропорциональной зависимостью разности температур от расхода для измерения ∆Т используются терморе- зисторы, включенные в мостовую схему, которая обеспечивает высокую чувствительность и точность при измерении малых раз- ностей температур.
Применение принципа парциального расходомера позволя- ет значительно расширить диапазон измерения. В парциальном расходомере измеряется доля основного потока, протекающего в обводной трубке, подключенной параллельно к основному тру- бопроводу. Расход через обводную трубку должен быть строго пропорционален расходу через основной трубопровод.
Схема теплового расходомера с парциальным калориметри- ческим преобразователем расхода приведена на рис. 4.6. Парци-
122 альный калориметрический преобразователь расхода представля- ет собой капиллярную трубку, на поверхности которой размеще- ны: электронагреватель ЭН, термопреобразователи сопротивле- ния
1
t
R
и
2
t
R
Термопреобразователи включены в мостовую из- мерительную схему.
Рис. 4.6. Схема парциального теплового расходомера:
1 – ламинизатор; 2 – капиллярная трубка; 3 – пропорциональный делитель потока; ЭН – электронагреватель;
R
t1
, R
t2
– термопреобразователи сопротивления;
R
1
, R
2
– сопротивления мостовой схемы
Измеряемая среда сначала проходит через ламинизатор – устройство, которое подавляет имеющиеся в потоке турбулент- ные возмущения. Часть потока, которая строго пропорциональна общему расходу, проходит через капиллярную трубку. Пропор- циональность обеспечивается тем, что в делителе потока, так же как и в капиллярной трубке, обеспечивается ламинарный режим течения. Делитель потока может выполняться в виде набора дис- ков с отверстиями. В тех случаях, когда требуется обеспечить малые потери давления, делитель потока выполняется путем ус- тановки в центре трубопровода цилиндрического тела. При этом образуется узкая щель между этим телом и внутренней поверхно- стью трубы.
123
Массовый
расход определяется по разности температур, вос- принимаемых термопреобразователями:
TkQ
гр м
,
(4.8) где гр
k – градуировочный коэффициент.
Значение гр
k определяется при градуировке расходомера на эталонной расходомерной установке. При измерении расхода среды, теплоемкость которой отличается от теплоемкости среды, использованной при градуировке, необходимо учитывать попра- вочный коэффициент. Поправочный коэффициент для калори- метрического расходомера определяется исходя из отношения теплоемкостей измеряемой и градуировочной среды.
Парциальные тепловые расходомеры позволяют проводить измерения значительных расходов – до нескольких тонн в час.
Такие парциальные расходомеры используются прежде всего для измерения расхода газов. Деление потоков жидкости связано с определенными трудностями. Из-за возникновения при нагреве жидкости естественной тепловой конвекции на результат измере- ния оказывает влияние положение прибора в пространстве. На- личие микропузырьков газа в жидкости также может привести к большой погрешности измерения.
Для бóльших расходов жидкости, чем те, измерения которых могут быть обеспечены калориметрическими расходомерами, на- ходят применение тепловые
расходомеры пограничного слоя.
Принцип действия таких расходомеров основан на зависимости интенсивности переноса теплоты от нагреваемой стенки трубы к жидкости от ее скорости и расхода.
Тепловой поток от стенки трубы к жидкости (мощность элек- тронагревателя)
W рассчитывается по формуле
)
(
с
ТТFW
,
(4.9) где
F – площадь теплообмена;
α – коэффициент теплоотдачи;
T – температура жидкости; с
Т – температура стенки трубы.
Схема теплового преобразователя расхода расходомера по- граничного слоя, у которого нагреватель совмещен с термопре- образователем, представлена на рис. 4.7.
124
Термопреобразователь сопротивления
t
R
располагается на поверхности трубы до электронагревателя. Воспринимаемая им температура равна температуре жидкости Т. Температура нагре- вателя R
ЭН
практически равна температуре стенки трубы с
Т
Термопреобразователи сопротивления включены в мостовую схему.
Рис. 4.7. Схема преобразователя расхода пограничного слоя:
R
t
– термопреобразователь сопротивления; R
ЭН
– нагреватель;
R
1
, R
2
, R
3
– сопротивления мостовой схемы
Для ламинарного режима течения теплообмен между жидко- стью и внутренней стенкой трубы описывается зависимостью
333 0
RePr
Nu
,
L
D
C
,
(4.10) где Nu – критерий Нуссельта;
С – коэффициент пропорциональности;
Re – критерий Рейнольдса;
Pr – критерий Прандтля;
D – внутренний диаметр трубы;
L – расстояние от входа в трубу.
λ
α
Nu
D
;
μ
)
(ρ
Re
D
v
;
λ
μ
Pr
p
c
, где λ – коэффициент теплопроводности;
(ρv) – массовая скорость;
μ – динамический коэффициент вязкости;
p
c – удельная теплоемкость.
R
ЭН
R
t
125
Отсюда α (ρv)
0,333
. Значение коэффициента теплоотдачи пропорционально массовой скорости в степени 1/3.
Как видно из приведенных формул, значение коэффициента теплоотдачи α и, следовательно, мощности электронагревателя при одинаковой разности температур (
с
Т
– Т) зависит от свойств измеряемой среды: теплопроводности, теплоемкости и вязкости.
В отличие от калориметрических расходомеров при расчете поправочных коэффициентов необходимо учитывать не только теплоемкость, но и другие свойства жидкости. При этом необ- ходимо учитывать, что эти свойства зависят также и от тем- пературы.
Достоинством расходомеров пограничного слоя является от- носительно высокое быстродействие по сравнению с калоримет- рическими расходомерами. Время установления показаний менее
1…2 с.
Тепловые расходомеры применяются для измерений расхода жидкостей в диапазонах от сотых долей г/ч до нескольких десят- ков г/ч, газов – от сотых долей г/ч до нескольких т/ч. У большин- ства тепловых расходомеров нормируется предел допускаемой приведенной погрешности. Значение обычно составляет
±(0,5...1,0) %.
У расходомеров более высокой точности нормируется предел допускаемой относительной погрешности, значение которого рассчитывается по формуле, аналогичной формуле 4.3. В этом случае значение н
составляет ±(0,1…0,2) % от верхнего предела измерений, δ* = ±(0,4...0,8) %.
5. РАСХОДОМЕРЫ ОБТЕКАНИЯ
В расходомерах обтекания чувствительный элемент воспри- нимает динамическое давление потока и перемещается под его воздействием. К этому типу относятся расходомеры постоянного перепада давления, а также расходомеры обтекания с изменяю- щимся перепадом давления. Расходомеры постоянного перепада давления – это ротаметры, поплавковые и поршневые, которые часто называют ротаметрами. Основными типами расходомеров с изменяющимся перепадом давления являются поплавково- пружинные расходомеры и расходомеры с поворотной лопастью.
126
5.1. РОТАМЕТРЫ Среди расходомеров постоянного перепада давления наиболее широко применяются ротаметры. Основные преимущества рота- метров – это
низкая стоимость, надежность в работе, простота и присущая этим расходомерам универсальность применения.
Принципиальная схема ротаметра приведена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Принципиальная схема ротаметра:
1 – коническая трубка; 2 – поплавок;
А – выталкивающая сила
Архимеда;
F – сила гидродинамического давления;
G – вес поплавка
Основными элементами ротаметра являются коническая трубка 1, расширяющаяся кверху по ходу потока, и находящийся в трубке поплавок 2. Измеряемая среда течет в трубке снизу вверх. Поплавок поднимается под воздействием измеряемой сре- ды. Высота подъема поплавка зависит от расхода.
На поплавок действуют снизу вверх: сила гидродинамического давления
F; выталкивающая сила Архимеда
A.
Действие этих сил уравновешивается весом поплавка
G:
FAG
;
(5.1)
2
ρ
ρ
ρ
2
п п
п п
vfCgV
,
(5.2) где п
V – объем поплавка;
127 п
ρ
– плотность материала поплавка;
ρ – плотность измеряемой среды;
g – ускорение свободного падения; п
C – коэффициент гидродинамического сопротивления по- плавка; п
f – площадь поперечного сечения поплавка;
v – скорость измеряемой среды в кольцевом зазоре между поплавком и трубкой.
Скорость в кольцевом зазоре к
o
fQv
,
(5.3) где o
Q – объемный расход; к
f – площадь кольцевого зазора между поплавком и трубкой.
Отсюда
,fgVfQρ
ρ)
(ρ
2
α
п п
п к
р o
(5.4) где п
р
α
С
– коэффициент расхода ротаметра.
Площадь кольцевой щели в конической трубке зависит от высоты подъема поплавка
h. При увеличении расхода поплавок поднимается по трубке, увеличивается площадь кольцевой щели до значения, соответствующего положению равновесия. Таким образом, высота подъема поплавка определяется расходом:
h =
f(
o
Q).
(5.5)
Вес поплавка
G и архимедова сила
A постоянны, поэтому и перепад давления на поплавке, т.е. разность давлений измеряемой среды до (снизу) и после (сверху), остается постоянным. Это яв- ляется основанием для использования термина «расходомер по- стоянного перепада давления». При изменении расхода изменяет- ся площадь кольцевой щели, поэтому в технической литературе встречается другое название расходомеров постоянного перепада давления – «расходомеры переменного сечения».
Чтобы исключить опрокидывание
поплавка и трение между поплавком и трубкой, нужно обеспечить устойчивое положение поплавка по центру трубки. Кроме того, необходимо уменьшить его колебания в вертикальном направлении. Первоначально для
128 этого на боковой поверхности поплавка наносились косые канав- ки, вызывавшие вращение поплавка, которое нашло отражение в названии «ротаметр».
В дальнейшем выяснилось, что во вращении нет необходи- мости, и в современных ротаметрах канавки на поплавке не де- лают, но название средства измерений «ротаметр» осталось.
Применяются поплавки различной формы, некоторые из них показаны на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Формы поплавков ротаметров
Коническая трубка ротаметра обычно выполняется из стекла.
На наружной поверхности трубки наносится условная шкала.
При градуировании ротаметра определяется положение поплавка относительно шкалы в зависимости от расхода. Зависимость вы- соты подъема поплавка от расхода близка к линейной.
Коническая трубка может быть выполнена из металла. В этом случае положение поплавка передается на показывающий прибор магнитным или индукционным методом.
Коэффициент расхода ротаметра p
зависит от формы по- плавка, геометрических размеров поплавка и трубки, высоты подъема поплавка и свойств измеряемой среды. Поэтому каждый ротаметр на заводе-изготовителе градуируется на воде (жидкост- ные ротаметры) или на воздухе (газовые ротаметры). При ис- пользовании ротаметра для измерения расхода других сред необ- ходимо произвести градуирование на реальной рабочей среде либо пересчитать градуировочную характеристику. Пересчет приводит к увеличению погрешности измерений в силу наличия значительной методической погрешности пересчета.
При монтаже ротаметров необходимо обеспечить строго вер- тикальное положение конусной трубки. При наклоне происходит
129 уменьшение силы, уравновешивающей действие потока на по- плавок, и нарушаются условия обтекания поплавка. Даже при сравнительно небольшом наклоне оси трубки к вертикали возни- кает дополнительная погрешность измерения расхода.
В некоторых случаях при эксплуатации наблюдаются коле- бания поплавка около положения равновесия. Это происходит при резком изменении расхода, после чего колебания быстро за- тухают. Кроме того, они могут быть следствием изменения ре- жима обтекания поплавка и возникающего при этом периодиче- ского срыва вихрей с тыльной стороны поплавка. Подобные ко- лебания возникают преимущественно в верхней части шкалы.
Незатухающие колебания могут быть вызваны пульсациями давления или расхода с частотой, близкой к собственной частоте колебаний поплавка. При этом, как правило, возникает положи- тельная погрешность. При пульсации расхода поплавок переме- щается вверх быстрее, чем вниз.
Достоинствами ротаметров являются простота и возмож- ность измерения малых расходов, недостатками – низкая точ- ность и необходимость градуировки на реальных измеряемых средах. В силу этого применение ротаметров ограничено. В то же время измерения расхода ротаметрами характеризуются доста- точно высокой сходимостью. Поэтому ротаметры,
градуируемые на воде или воздухе, часто используются как устройства индика- торного типа для контроля постоянства расхода и качественной характеристики изменения расхода различных сред.
5.2. ПОПЛАВКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ Принцип действия поплавковых расходомеров такой же, как и у ротаметров. От них поплавковые расходомеры отличаются лишь конструктивно: нет стеклянной трубки, ход поплавка не- большой (в пределах 40…70 мм) и его форма другая. Поплавок у этих приборов жестко связан со стержнем, имеющим магнитный сердечник или магнит для дистанционной передачи сигнала. В зависимости от диапазона измерений расхода применяются рас- ходомеры с различными проточными частями, которые показаны на рис. 5.3.
Поплавок и неподвижная трубка составляют поплавковую пару. Для измерения малых расходов применяется поплавковая
130 пара, приведенная на рис. 5.3а. Она состоит из грибообразного поплавка, который перемещается в конической расточке. Другая пара, представленная на рис. 5.3.б, состоит из конического по- плавка, который перемещается в круглом отверстии. Пара, при- меняемая для относительно больших расходов (до 63 м
3
/ч по во- де), представляет собой цилиндрический поплавок, перемещаю- щийся в кольцевом отверстии, образованном конической расточ- кой и центральным конусом (рис. 5.3в).
Рис. 5.3. Поплавковые пары поплавковых расходомеров
В соответствии с ГОСТ 13045–81 «Ротаметры. Общие техни- ческие условия» у ротаметров и поплавковых расходомеров нор- мируется предел допускаемой основной приведенной погрешно- сти и вариация показаний. ГОСТ предусматривает классы точно- сти от 0,4 до 4,0. Относительный диапазон измерений должен быть 10:1, но допускается 5:1.
Фактически выпускались и выпускаются ротаметры и по- плавковые расходомеры классов точности 2,5 и 4,0.
Ротаметры выпускаются с диаметром условного прохода
D
у
= 4…40 мм. Наибольшие значения расхода Q
max жидкости по воде 0,0025…2,5 м
3
/ч, газа по воздуху 0,063…40 м
3
/ч. Наимень- ший расход Q
min не более 20 % от максимального. Пределы до- пускаемой приведенной погрешности у ротаметров с D
у
= 4 мм –
±4 %, у ротаметров с D
у
≥ 6 мм – ±2,5 %.
131
Российские жидкостные поплавковые расходомеры выполня- ются с электрической передачей сигнала РЭ и с пневматической передачей сигнала РП. РЭ имеют диаметр условного прохода
Dу
= 6…150 мм, наибольший расход
Qmax
= 0,025…63 м
3
/ч, РП имеют
Dу
= 15…100 мм, наибольший расход
Qmax
= 0,16...16,0 м
3
/ч.
Динамический диапазон измерения расходомеров РЭ и РП
Qmax
:
Qmin
= 5:1, предел допускаемой приведенной погрешности
±2,5 %.
В настоящее время выпускаются поплавковые расходомеры, которые в документации называются ротаметрами, со шкалой и стрелочным указателем. Принцип преобразования перемещения поплавка в перемещение указателя шкалы иллюстрируется на рис. 5.4. Поплавок имеет магнитную вставку. В стрелочном ме- ханизме также имеется постоянный магнит. При перемещении поплавка происходит поворот указателя шкалы.
Рис. 5.4. Принцип преобразования перемещения поплавка в перемещение указателя шкалы
Некоторые современные поплавковые расходомеры (рота- метры) обеспечивают преобразование перемещения поплавка в аналоговый и цифровой выходные сигналы.
Скачать 2.47 Mb.