Материал: Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

Рис. 44. Расходомеры с совмещенными нагревателем и термопре­ образователями: а — односекционный нагреватель; б — двухсек­ ционный нагреватель; в — распределение температур при двух­ секционном нагревателе

С появлением расхода температура Т^ и сопротивление R1 стано­ вятся меньше температуры Т2 и сопротивления R2> а распределе­ ние температур соответствует кривой 2 . Разность температур Т2 ~ - Т! возрастает с ростом расхода и прибор, включенный в диаго­ наль моста, может быть проградуирован в единицах расхода.

Исследования, выполненные в работе [10], показали, что в при­ боре по рис. 44, а можно достигнуть чувствительности во много раз больше, чем в приборах с раздельными нагревателями и тер­ мопреобразователями, особенно в случае небольшой потери тепла с внешней поверхности нагревателя. Но зато уменьшение этих потерь увеличивает нелинейность градуировочной характеристи­ ки. При измерении микрорасходов последнее малосущественно и теплопотери следует уменьшать. Для приборов же, измеряю­ щих расход в более широком диапазоне, можно сделать обратный вывод.

По схеме, показанной на рис. 44, б, изготовляет термоконвек­ тивные расходомеры типа «Флодам» французская фирма «Сетарам» (Setaram) [4]. В исходной модели применяется труба диа­ метром 8 мм из стали или никеля и толщиной стенки не более 1 мм, зависящей от давления среды. Прибор предназначен для измерения расхода чистых газов при давлении до 35 МПа и тем­ пературе до 200 °С. Обмотки проволочных платиновых терморе­ зисторов расположены на наружной поверхности трубы. Диапа­ зон измерения от 0,01 до 10 мг/ч, что в пересчете на воздух при нормальных условиях дает расход от 0,01 до 8 л/ч. Погрешность градуировки от ±0,5 до ±1,5 % в зависимости от измеряемого газа. Постоянная времени в зависимости от рабочего давления от 50 до 150 с, а в случае применения корректирующей схемы от 2,5 до 8 с. Длина преобразователя расхода 370 мм. При установке преобра­ зователя на обводной (байпасной) линии верхний предел измере­ ния может быть повышен до 3 м3/ч при диаметре основной ли­ нии 8, 10 или 33 мм и установке в ней дисковой диафрагмы и до 500 м3/ч при диаметре основной линии 12, 20, 33 или 50 мм и установке в ней трубы Вентури.

77

зины марки ИРП-1225. Допустимое давление газа (1,2 2)105 Па. Возможный верхний предел измерения: 3; 10; 15; 30; 100 и 300 л/ч в зависимости от соотношения сопротивлений основной и байпас­ ной линии, на которой размещен преобразователь расхода. По­ грешность измерения ±2,5% . Потребляемая мощность 15 В -А . Выходной сигнал постоянного тока 10 В на сопротивлении на­ грузки более 2 кОм. На градуировочную характеристику расхо­ домера, особенно в ее начальной части, сильное влияние оказы­ вает теплопроводность входного и выходного участков трубки, по которой течет поток. С ее увеличением возрастает начальный не­ линейный участок характеристики, в пределах которого чувстви­ тельность плавно возрастает, начиная от нулевого значения. При­ чина этого — уменьшение теплопотерь с входного участка трубы по мере роста расхода и одновременно уменьшение оттока тепла от нагревателя по выходному участку трубки. В результате рост выходного сигнала (напряжение питания) отстает от роста расхода.

В работе [12] предложены методы борьбы с этим недостатком, реализованные в приборах, разработанных в ОКБА НПО «Химавтоматика» (г. Дзержинск). В одном из них (рис. 45), предназ­ наченном для измерения микрорасходов газа в хроматографах, последовательно с основным нагревателем 5 на выходе газа из последнего устанавливается дополнительный нагреватель 4, тем­ пература которого немного выше, чем у основного нагревателя. Тогда при отсутствии расхода от него к основному нагревателю возникнет тепловой поток, уменьшающийся по мере увеличения расхода. Это и будет компенсировать уменьшение потерь основ­ ного нагревателя. Для уменьшения длины нагревателя 5 он на­ матывается на сплющенную часть стальной трубки сечением 1,0 х 0,2 мм, на наружной поверхности которой гальваническим путем нанесен слой меди 6 толщиной 0,15-0,2 мм, что способ­

78

ствует улучшению теплопроводности трубки в месте нагрева. Газ поступает через штуцер 1 и кольцевой канал во вкладыше 2 для стабилизации его начальной температуры. Снаружи преобразова­ тель защищен массивным экраном 7 с теплоизолирующим по­ крытием. Медный резистор 3 предназначен для компенсации из­ менений окружающей температуры.

Расходомеры с нагреваемой стенкой трубы. Особую разновид­ ность термоконвективных расходомеров образуют приборы, у ко­ торых отсутствует самостоятельный нагреватель. Роль последне­ го выполняет у них участок трубопровода, по которому пропус­ кается ток, преимущественно переменный (для устранения влия­ ния контактных термоЭДС). В расходомере фирмы «Хастинг— Райдист» прямой участок трубки нагревается переменным током, а разность температур на концах этого участка измеряется с по­ мощью дифференциальной термопары [34]. В другом расходоме­ ре [45] на нагреваемой трубке установлены четыре термопары на равных расстояниях друг от друга. Навстречу друг другу вклю­ чены 1-я и 3-я термопары, а также 2-я и 4-я. Измеряется отноше­ ние разностей термоЭДС.

В особую подгруппу выделяются расходомеры, у которых от­ сутствует не только нагреватель, но и термопреобразователи [10]. Роль последних выполняет нагреваемый участок трубы (рис. 46). К дугообразной никелевой трубке 2 диаметром 1 мм и толщиной стенки 0,05 мм подается ток напряжением U через массивные никелевые токоподводы 1. Части трубки 2, находящиеся между токоподводами, образуют четыре плеча моста, в диагональ кото­ рого включен потенциометр или микровольтметр 4. Стержень 3 обеспечивает жесткость конструкции. При возникновении расхо­ да изменяется температура отдельных плеч моста, и он выходит из равновесия. В диагонали моста возникает разность напряже­ ний AUу пропорциональная расходу QMпри малых значениях по­ следнего.

Схема другого аналогичного расходомера показана на рис. 47. Измерительная труба имеет выточку, заполненную теплоизоля-

79

тором 5. Площадь сечения трубы под выточкой много меньше, чем в остальной части. Снаружи имеется толстостенный кожух 3 (из металла с малым удельным электросопротивлением), правый конец которого приварен к трубе 4Уа левый с помощью электро­ изоляционной втулки 2 укреплен на трубе 4. Один конец вторич­ ной обмотки трансформатора питания через кольцо 1 связан с ле­ вым концом трубы 4Уа другой через кожух 3 — с правым концом той же трубы. Толстый 4 и тонкий 6 участки трубы вместе с ре­ зисторами R1 и R2 образуют мост. При пропускании тока тонкий участок трубы нагревается больше, чем остальная ее часть. Сиг­ нал Uу возникающий в диагонали моста, управляет автоматиче­ ской системой, увеличивающей мощность W нагрева при увели­ чении расхода, сохраняя разность температур между тонким и тол­ стым участками трубы неизменной [25].

Расходомеры с несимметричным расположением термопреоб­ разователей. У этих расходомеров первый по ходу потока термо­ преобразователь устанавливается, как это видно из рис. 39, вда­ ли от нагревателя, а второй — рядом с последним. Эти расходо­ меры близки к рассматриваемым далее расходомерам погранич­ ного слоя. Однако последние имеют два характерных признака: во-первых, независимость температуры Т1 от нагревателя, след­ ствием чего будет полное отсутствие начальной восходящей час­ ти (при W = const) кривой, и, во-вторых, отсутствие прогрева центральной части потока. У расходомеров же с несимметрич­ ным расположением термопреобразователей нет тепловой изоля­ ции первого из них от нагревателя и поэтому, как правило, име­ ется, хотя и незначительная, начальная ветвь кривой. Кроме того, при небольших диаметрах трубопровода происходит прогрев все­ го потока, а не только пограничного слоя.

Схема подобного термоконвективного расходомера типа РТН показана на рис. 48. Установленная в вертикальном положении труба 1 заключена в герметичный кожух 2 и снабжена теплоизо­ ляционными втулками 9 и 5. Между кожухом 2 и втулкой 5 для уменьшения теплообмена с окружающей средой находится теп-

Рис. 48. Схема расходомера РТН с несимметрич­ ным расположением термопреобразователей

80