дятся внутри бобышек 3, приваренных к трубе i, и укрепляются с помощью ниппелей 4 и фторопластовых теплоизоляционных шайб 6. В бобышках 3 имеются пазы, в которых расположены тонкостенные гильзы 2. Измерительные и нагревательные цепи выводятся через штекерные разъемы 5. Для улучшения контак та и фиксации положения терморезисторы и нагреватель залива ются в гильзах эпоксидным компаундом с графитовым порош ком. Терморезисторы включены в плечи неравновесного моста.
Следующий метод измерения больших расходов основан на применении парциальных тепловых расходомеров, у которых нагревается лишь незначительная часть основного потока, проте кающего в обводной трубке небольшого диаметра.
Для измерения расхода в трубах большого диаметра служит метод, основанный на применении теплового зонда. Преобразова тель местной скорости здесь по внешней форме напоминает на порную трубку Пито диаметром 18 мм [22]. После обтекаемой конусообразной носовой части расположена медная трубка (d = = 18 мм), на внутренней поверхности которой помещен терморе зистор, контролирующий температуру поступающего газа. Затем имеется небольшая теплоизоляционная втулка, за которой нахо дится вторая медная трубка (d = 18 мм) с расположенными на внутренней поверхности последовательно электронагревателем и вторым терморезистором, контролирующим температуру нагре той стенки, зависящей от местной скорости потока. Провода от терморезисторов и нагревателя выводятся через держатель, пер пендикулярный к измерительной части зонда, имеющей длину около 140 мм. Для измерения расхода измерительную часть зон да надо установить в том месте, где имеется средняя скорость потока.
Элементы конструкции термоконвективных расходомеров. Нагреватель и термопреобразователи — основные элементы тер моконвективных расходомеров. Обычно на трубу, покрытую изо ляцией (слюда, титановая эмаль и т. п.), наматывают провод тех или других марок (ПЭВ, ПЭТВ, ПЭТК и т. п.), а также мангани новую или нихромовую проволоку. При диаметрах труб от 1 до 50 мм длина нагревателя от 10 до 100 мм, диаметр проволоки 0,1-0,2 мм, сопротивление 10-150 Ом, мощность 0,1-100 Вт, сила тока 1-500 мА, снижаемая до 0,1 мА при взрывобезопасном ис полнении. Известны случаи применения для нагрева полупровод никовых пленок, в частности слоя хлористого олова, нанесенного на титановую эмаль [19]. При этом снижается тепловая инерция.
Термопреобразователями служат термопары (точнее, термоба тареи) или термометры сопротивления. В микрорасходомерах, где сложно разместить необходимое число спаев термопар, обычно применяют термометры сопротивления (медные и никелевые). В остальных отечественных расходомерах применяют преимуще ственно термобатареи (медь-константановые и хромель-копелевые) с числом спаев 8-30. Получаемая термоЭДС лежит в пределах
87
1-10 мВ. Спаи термобатареи располагают последовательно в мес тах измерения температур Тг и Т2, и таким образом получаемая термоЭДС соответствует разности температур ДТ = T g -T j. Спаи должны быть изолированы от стенки трубы и в то же время их температура должна быть как можно ближе к соответствующим температурам стенки. Для изоляции служат синтетические смо лы и цемент. Сами же спаи и термоэлектроды должны иметь минимальные размеры, а в эпоксидные компаунды, которые за крепляют спаи на поверхности трубы, рекомендуется добавлять теплопроводные примеси (например, измельченный графит).
Третий элемент конструкции преобразователей термокондуктивных расходомеров — устройство, которое должно максималь но уменьшить теплообмен преобразователя с окружающей сре дой. Это надо как для уменьшения потерь тепла, так и влияния внешних тепловых возмущений. Для этого служат наружный ко жух, имеющий теплоизоляционное покрытие, и дополнительная внутренняя труба. Между ними образуется воздушная изоляци онная прослойка. Кроме того, эффективно применение внутри кожуха многослойных отражательных экранов из алюминиевой фольги и стеклоленты. При необходимости можно применять дополнительный компенсационный нагреватель (см. рис. 53), поддерживающий заданную разность температур в поперечном сечении теплоизоляции.
3.4. ТЕРМОАНЕМОМЕТРЫ
Общая характеристика. Термоанемометры основаны на зави симости между потерей тепла непрерывно нагреваемого тела и скоростью газа или жидкости, в которых это тело находится. Основное назначение термоанемометров — измерение местной ско рости и ее вектора. Они могут служить и для измерения расхода, когда известно соотношение между местной и средней скоростью потока, или когда последняя непосредственно измеряется с помо щью термоанемометра. Кроме того, существуют конструкции тер моанемометров, специально предназначенных для измерения расхода.
Большинство термоанемометров относится к термокондуктивному типу со стабильной силой тока нагрева или же с постоян ным сопротивлением нагреваемого тела. У первых измеряется электрическое сопротивление тела, являющееся функцией ско рости потока, а у вторых — сила греющего тока, которая должна возрастать с ростом скорости потока. Кроме того, в одной группе термокондуктивных преобразователей ток нагрева одновременно служит и для измерения, а в другой — нагревающий и измери тельные токи разделены. Через один резистор течет ток нагрева, а через другой, получающий тепло от первого, — ток, который необходим для измерения.
88
К достоинствам термоанемометров относятся большой диапа зон измеряемых скоростей, начиная от весьма малых, и высокое быстродействие, позволяющее измерять скорости, изменяющие ся с частотой в несколько тысяч герц. Недостаток термоанемо метров с проволочными чувствительными элементами — хруп кость последних и изменение градуировки по причине старения
иперекристаллизации материала проволоки вследствие динами ческих нагрузок и высокой температуры нагрева.
Преобразователи термоанемометров. Первичные преобразова тели термоанемометров разделяются на проволочные, пленочные
итерморезисторные.
Чувствительный элемент проволочного преобразователя — тон кая и обычно короткая проволочка из платины, вольфрама, ни келя. Концы проволочки (термонити) приваривают к концам двух манганиновых стерженьков, укрепленных на жестком основании. Наибольшую температуру нагрева Тп проволочки (до 1000 °С) до пускает платина. Торированный вольфрам может работать до Тп= = 600 °С. Но, во избежание быстрого старения материала, обычно проволочку нагревают только до 400-500 °С. При измерении же вещества, имеющего высокую температуру Тс, термонить укреп ляют на основании, охлаждаемом проточной водой [44]. Для пред охранения термонити от поломки при большой скорости газового потока предложено [16] защищать ее стеклянной оболочкой. Теп ловая мощность W, теряемая проволочкой диаметром d и длиной I при обтекании ее перпендикулярным потоком воздуха, имею щего скорость и, определяется [010] уравнением
w = (ТП-т с) 1 (а + bvn), |
(36) |
согласно [40] а = X; b = (2rtpcd)0,5; п = 0,5. |
плотность |
Здесь X, р, с — коэффициент теплопроводности, |
и теплоемкость газа соответственно. Согласно [40], это уравнение справедливо при pcdv/X > 0,08. Если в это неравенство подста вить значения р = 1,3 кг/м3, с = 716 Дж (кг •К), Х= 2,18 х 10_3 Вт/м, соответствующие воздуху при нормальных условиях, то получим vd> 1,87 •10_6 м2/с. С уменьшением диаметра проволочки d ог раничивается возможность измерения малых скоростей. Так, при d = 0,01+0,02 мм скорость i;min>0,2-K),l м/с. Обычно диаметр термонити d = 0,005+0,3 мм, а ее длина I = 0,5+10 мм. С увеличе нием d возрастают прочность и стабильность термонити, а также увеличивается возможность измерения малых скоростей, но зато возрастает инерционность термоанемометра и уменьшается ее оми ческое сопротивление, что вызывает необходимость увеличения длины и силы греющего тока i. Поэтому при измерении местных скоростей стремятся, чтобы d < 0,1 мм. Как правило, проволочные термоанемометры малоинерционны. Так, даже при очень малой скорости, изменяющейся с частотой 5 кГц [35], они могут измерять ее. При скорости газа 100 м/с этот предел повышается до 50 кГц.
89
Пленочный преобразователь термоанемометра состоит из круг лого стеклянного полого стержня диаметром в несколько милли метров с клинообразным или конусообразным концом, на кото рое распылена пленка платины толщиной 50-100 А в виде [26] небольшой полоски (1 х 0,2 мм). Концы полоски соединены с про водами, проходящими внутри стеклянного стержня. Иногда на носится еще вторая пленка большего размера для температурной компенсации [21]. Пленочные преобразователи значительно проч нее проволочных и могут служить для измерения скоростей газа от 1,5 м /с вплоть до 400-500 м /с при температурах до 500 °С и скоростей жидкости до 18 м /с при температуре до 60 °С. Их инерционность немного больше, чем у проволочных и возрастает с уменьшением скорости. Верхний частотный предел уменьшает ся от 100 кГц при скорости воздуха 300 м/с до 1 кГц при скоро сти 1 м/с.
Чувствительным элементом терморезисторного преобразовате ля служит миниатюрный полупроводниковый терморезистор, обычно в виде шарика или бусинки. Их достоинства — простота конструкции, механическая прочность и высокая чувствитель ность. Недостаточная стабильность градуировки в значительной степени уменьшена. Применение их в качестве термоанемомет ров для измерения скоростей жидкостей и газов при очень высо кой температуре все более расширяется [8, 16, 24, 48]. Постоян ная времени у них несколько больше, чем у проволочных и пле ночных термоанемометров, и в зависимости от размера терморе зистора составляет 0,5-2,5 с.
Часто преобразователь термоанемометра состоит из двух тер морезисторов, один из которых измерительный, а другой — ком пенсирующий изменение температуры потока.
Кроме того, встречаются термоанемометры, в которых цепь нагрева отделена от цепи измерения. Терморезистор обычно рас полагается внутри проволочного нагревателя. Возможны разные конструкции: например, нагреватель намотан на трубку, внутри которой находится терморезистор [48], или же спираль нагрева теля с помощью стекла закрепляется на полупроводниковом ша рике и затем запаивается в стеклянный капилляр [8].
Преобразователи термоанемометрических расходомеров. Пре образователь термоанемометрического расходомера отличается от преобразователя обычного термоанемометра тем, что чувствитель ный элемент (термонить) находится не в какой-то одной точке потока, а более или менее равномерно распределен по всему его сечению. Так, в разработанном в институте теплофизики АН УССР [33] расходомере РТГ для измерения расхода газа в пределах 50250 м3/ч в трубах диаметром 100 мм при малом избыточном давле нии 15-20 Па нагреваемая платиновая нить зигзагообразно пере крывает сечение трубопровода. Погрешность прибора ±2,5 % .
В работе [23] описан преобразователь, состоящий из 25 после довательно соединенных термопар из константановой и стальной
90