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

ловая изоляция из пенопласта. Помимо этого над измеритель­ ным участком трубы 1 помещен тепловой экран б, внутри кото­ рого имеется асбестовая изоляция. Рядом с нагревателем 4 нахо­ дится термопреобразователь 3 температуры Т2, а на некотором удалении термопреобразователь 7 температуры Т^. Для повыше­ ния чувствительности при измерении разности температур Т2 “ в качестве термопреобразователей служит ряд последовательно

соединенных термопар, образующих термобатарею с числом спа­ ев 8-20, ЭДС которой измеряется с помощью автоматического потенциометра 12. При уходе указателя за отметку шкалы, соот­ ветствующую Qmin, блок-контакт 13 отключает источник пита­ ния 14 от нагревателя. Этим предотвращается возможный пере­ грев вещества при отсутствии его движения. При необходимости введения температурной компенсации на изменение температу­ ры измеряемого вещества на входном участке трубы 1 помещает­ ся терморезистор 8, соединенный с измерителем температуры 10, который воздействует на потенциометрическую схему 11.

В соответствии с рассмотренной схемой в Ленинградском тех­ нологическом институте им. Ленсовета (ЛТИ) было изготовлено и исследовано много термоконвективных расходомеров типа РТН; характеристики некоторых из них приведены в табл. 2 [4]. В таблице указаны крайние возможные значения верхнего предела измерений, достигаемые изменением мощности нагрева (Т — время переходного процесса).

Материал трубы и преобразователей типа РТН: коррозионностойкая сталь, никель, монель-металл и титан. Проволочные на­ греватели из манганина или нихрома. Их длина 10-12 мм для d - 2-5-15 мм и несколько больше с увеличением d. Мощность на­ грева 0,5-5 Вт, а для РТН-25 до 200 Вт. Ступенчатым изменени­ ем мощности нагрева достигается многопредельность шкалы при­ бора, благодаря чему общий диапазон измерения получается очень большим при значении каждого поддиапазона от 6 до 10. В каче­ стве примера на рис. 49 показана градуировочная характеристи­ ка многопредельного расходомера РТН-22, предназначенного для смеси органических жидкостей постоянного состава. Прибор ра­ ботает на нисходящей гиперболической ветви градуировочной кривой, но для получения более линейной шкалы схемным пу­ тем достигаются характеристики, показанные на рис. 49.

Т а б л и ц а 2

Характеристики расходомеров типа РТН

81

в нагревательной обмотке. Прибор предназначен для измерения расхода маловязких жидкостей при давлении до 35 МПа. Погрешность при измерении расхода воды в области 0,005-0,5 л/ч равна ±1 % . При установке преобразова­ теля на байпасной линии верхний предел измерения может быть увеличен до 200 л/ч, при погрешности измерения ±2 % [4].

Для большинства тепловых расходомеров вертикальное распо­ ложение преобразователя расхода лучше, чем горизонтальное, вследствие большей равномерности распределения температуры по сечению потока.

Расходомеры, измеряющие разность температур погранично­ го слоя. Расходомеры пограничного слоя отличаются от ранее рассмотренных тем, что тепло от нагревателя не достигает термо­ преобразователя, который расположен первым по ходу потока. Для этого первый по ходу потока термопреобразователь достаточ­ но удален от нагревателя, а между ними располагается теплоизо­ лирующая прокладка. Второй термопреобразователь располага­ ется возможно ближе к нагревателю. Благодаря этому полностью отсутствует начальная ветвь градуировочной кривой и кривая име­ ет монотонный характер. Другой их существенный признак — отсутствие прогрева центральной части потока, так как применя­ ют их для труб с диаметром не менее 50 мм. В результате в них измеряется не разность средних температур потока до и после на­ гревателя, а разность температур с обеих сторон пограничного слоя.

На рис. 50, а, б изображена схема такого расходомера. Термо­ преобразователь 1 с помощью нетеплопроводной прокладки 2 изо­ лирован от участка трубы, нагретого нагревателем 3. Рядом с последним расположен термопреобразователь 4, который слу­ жит для измерения температуры Т2 нагретой трубы, в то время как первый — для измерения температуры Тх поступающего газа или жидкости.

Тепловая мощность W y передаваемая потоку через погранич­ ный слой от металлической стенки трубы площадью F, выража­

82

Рис. 50. Расходомер, измеряющий разность темпе­ ратур пограничного слоя: а — принципиальная схе­ ма; б — распределение температуры при W = const [ДТа (QM= 0)> A T b (QM>0)]

где ДТ = Т2 - Т1 (пренебрегая тепловым сопротивлением стенки); а — коэффициент теплопередачи в пограничном слое. Этот коэф­ фициент определяется критериальным уравнением

Подставляя в него значения критериев Нуссельта Nu, Рейнольд­ са Re и Прандтля Рг, получим

a D

(34)

где D — внутренний диаметр трубопровода; X, р, с, р — коэффи­ циент теплопроводности, динамическая вязкость, теплоемкость и плотность потока соответственно.

Решая уравнения (32) и (34) совместно с уравнением массово­ го расхода QM= i>p7tD2/4, получим

(35)

где

k = (С4"*1" mcmF)/(nnDl + V n_m).

Для турбулентного движения С = 0,023, п = 0,8 и тп= 0,4. Гра­ дуировочные зависимости расходомера показаны на рис. 51, а для режима ДТ = const и на рис. 51, б для режима ДW = const. На рис. 51, а кроме кривой W дана еще и кривая Wn= W - (WQ+ Wc), где W — мощность нагревателя; WQ — потери в окружающую среду, a Wc — потери на нагрев стенок трубы. При QM= 0 вслед­ ствие малости а значение Wn очень мало и W определяется сум-

83

бор работает по схеме ДТ = const. Нагрев импульсный. Измеряет­ ся частота включения нагревателя, входные сигналы: частотный

итоковый. Внутренний диаметр измерительной трубы 10 мм. При столь малом диаметре измеряемая разность температур не будет равна разности температур с обеих сторон пограничного слоя,

иприбор будет приближаться к квазикалориметрическим с асим­ метричным расположением термопреобразователей, отличаясь от него отсутствием первой ветви градуировочной кривой.

Расходомеры особых разновидностей, в частности для труб большого диаметра. Наряду с ранее рассмотренными термокон­ вективными расходомерами находят применение, но значитель­ но реже особые разновидности тепловых расходомеров, которые с большей или меньшей степенью условности можно отнести

ктермоконвективным.

При измерении расхода веществ, имеющих высокую темпера­ туру, а также веществ, температура которых может существенно изменяться, следует стабилизировать или вообще исключить по­ терю тепла в окружающую среду. Этого можно достичь с помо­ щью схемы, показанной на рис. 53 [4, 31]. Ее особенность состоит в применении дополнительного компенсационного нагревателя 8> установленного по всей длине измерительного участка. Нагрева­ тель поддерживает заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции 2 независимо от температуры и расхода измеряемого вещества. Эта разность контролируется дифферен­ циальной термопарой б, сигнал которой поступает в автоматиче­ ский регулятор 7, управляющий через блок питания 5 током, поступающим в компенсационный нагреватель S. На рис. 53 обо­ значены: 1 — основной нагреватель; 3 — измерительная термоба­ тарея; 4 — измерительный прибор.

В работе [38] приведены результаты испытания теплового рас­ ходомера, у которого измеряется электрическое сопротивление нагретого участка стальной трубы с диаметром 14 мм и толщи­

85

бу в радиальном направлении [1]. Стержень нагревается обмот­ кой, которая может быть расположена на части стержня, находя­ щейся вне или внутри трубы. С помощью термочувствительного элемента измеряется температура стержня, которая будет функ­ цией скорости или расхода потока.

Предложен прибор, в котором в качестве преобразователя ско­ рости газа или жидкости служит термобаллон манометрического термометра с наружным проволочным нагревателем мощностью 2 Вт. Для измерения расхода в больших трубах разработаны осо­ бые схемы тепловых расходомеров. Нагрев распространяется здесь лишь на ограниченную часть всего потока и этим исключается необходимость большой затраты мощности. К ним относятся при­ боры с местным нагревом небольшого участка трубы или погра­ ничного слоя потока, парциальные расходомеры с нагревом пото­ ка лишь в обводной трубке и приборы с тепловым зондом.

К первой из этих разновидностей принадлежит прибор [13], построенный для измерения расхода воды и угольной пульпы в трубе диаметром 300 мм, при скоростях 1,0-4,5 м/с. В двух местах к наружной поверхности трубы приварены стойки, в каж­ дой из которых помещен полупроводниковый терморезистор. Кроме того, в одной из стоек находится нагреватель. Таким обра­ зом, один терморезистор служит для измерения температуры не­ нагретой стенки, а другой — стенки трубы в месте ее нагрева. С изменением расхода будет изменяться температура нагретой части трубы, а следовательно, и сопротивление соответствующе­ го терморезистора вследствие изменения коэффициента теплопе­ редачи от стенки к жидкости. Терморезисторы включены в пле­ чи моста. Чувствительность расходомера возрастает с увеличени­ ем мощности нагрева. При мощности 20-30 Вт можно осуществ­ лять измерение при толщине стенок вплоть до 10-15 мм. Близок к рассмотренному расходомер [29], преобразователь которого (рис. 54) рассчитан на давление 1,6 МПа. С противоположных

сторон трубы 1 сделаны вырезы (на рисунке показан только один вы­ рез), внутри которых помещаются тонкостенные металлические гиль­ зы 9 с прокладками из фтороплас­ та 10у устраняющими теплообмен со стенки трубы и служащими для уплотнения. Внутри них находят­ ся малоинерционные полупровод­ никовые терморезисторы СТЗ-17 плоской формы 8усоприкасающие­ ся с дном гильз 9. Кроме того, в одной из гильз помещен нагрева­

86