Тепловые расходомеры принцип действия

Виды, устройство и принцип действия расходомеров

Какие бывают виды расходомеров. Как каждый из них устроен и для чего создан. Какие у них преимущества и в каких случаях разные расходомеры стоит применять. Все это вы узнаете в этой статье.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Устройство и принцип работы датчиков уровня» или «Психрометр Августа (стационарный психрометр)».

Расходомер, как видно из названия — устройство, предназначенное для измерения расхода какого-либо вещества — как правило, жидкости или газа. Если имеется канал диаметром d и по нему со средней скоростью V_a перемещается жидкость или газ, то расходом является величина:

где A=πd 2 /4 — площадь поперечного сечения канала.

Следует сразу отметить, что вещества, расход которых необходимо измерить, могут быть сжимаемыми (газ) или несжимаемыми (жидкость), и методики измерения расхода в обоих случаях имеют свои особенности.

Независимо от типа используемого устройства определения расхода вещества является довольно сложной комплексной задачей, при решении которой приходится учитывать множество факторов, таких как:

1. Физические характеристики исследуемой среды
2. Физические характеристики окружающей среды
3. Форма канала и свойства материала, из которого он изготовлен

К каждому датчику как правило прилагается набор документов описывающих технические параметры прибора, его ограничения и рекомендации по эксплуатации. Перед покупкой изучите все эти документы и выберете наиболее подходящее для ваших задач устройство.

Среди довольно большого разнообразия расходомеров по принципу действия можно выделить следующие основные группы:

• Датчики скорости потока по перепаду давления
• Тепловые расходомеры
• Ультразвуковые расходомеры
• Электромагнитные расходомеры
• Микрорасходомеры
• Кориолисовские расходомеры
• Расходомеры с мишенями
• Детекторы изменения скорости потока

Рассмотрим основные виды расходомеров.

Тепловые расходомеры

В основе метода лежит довольно простая идея: если локально изменять свойства вещества в потоке (например, температуру) и регистрировать эти изменения на некотором удалении от места воздействия, можно определить среднюю скорость перемещения вещества в потоке (рисунок 1). Предположим, в потоке установлена пара датчиков температуры (A и B) и один нагревательный элемент C, причём расстояния AC>BC. Если вещество неподвижно, повышение температуры происходит локально за счёт теплопроводности, и датчик B нагревается быстрее, поскольку расположен ближе к нагревательному элементу. Если же поток придёт в движение, температура в области A упадёт до исходной температуры вещества в потоке, а температура в области B будет чуть выше исходной. Анализ данных с датчиков позволяет однозначно судить о скорости перемещения вещества в потоке.

Рисунок 1. Общая схема расположения ключевых элементов теплового расходомера.

Подобным образом изменению могут быть подвергнуты и другие параметры вещества (например, его химический состав), однако в большинстве случаев это недопустимо, например, когда речь идёт о медицинском применении расходомеров.

Ультразвуковые расходомеры

В устройствах данного типа используется свойство звуковых волн изменять скорость своего распространения в подвижной среде. Если установить источник (A) и приёмник (B) ультразвука со смещением (рисунок 2), то о скорости потока можно судить по изменению скорости распространения звуковой волны вдоль отрезка AB.

Рисунок 2. Общая схема расположения ключевых элементов ультразвукового расходомера

Кроме того, для измерения локальной скорости потока может быть использован эффект Допплера, для этого источник и приёмник располагаются как указано на рисунке 3. Исходный сигнал, а также сигнал с приёмника отправляются на смеситель. Частота ультразвука, которую фиксирует приёмник, изменяется в зависимости от скорости потока, исходная частота остаётся неизменной. Частота сигнала на выходе из смесителя является разностью частот исходного и принятого сигнала – по этой величине можно однозначно судить о локальной скорости вещества в потоке.

Рисунок 3. Общая схема расположения ключевых элементов расходомера на эффекте Допплера

Ультразвук достаточно часто используется в производстве датчиков. Например, существуют ультразвуковые дефектоскопы

Электромагнитные расходомеры

Если жидкость проводит ток, её перемещение поперёк линий магнитного поля приведёт к возникновению ЭДС, пропорциональной скорости потока. На практике эта схема реализуется путём установки электромагнитов таким образом, чтобы линии магнитного потока были перпендикулярны потенциальному перемещению потока жидкости, а также установкой пары электродов, фиксирующих наведённую движением потока ЭДС (рисунок 4).

Рисунок 4. Общая схема расположения ключевых элементов электромагнитного расходомера

Возможно несколько различных реализаций данного метода, однако изменения в целом касаются схемы обработки данных и не затрагивают принципиальные основы метода.

Вихревые расходомеры (Расходомеры с мишенями)

В расходомерах данного типа основным элементом является дискообразная или шарообразная мишень, укреплённая на эластичном тросе, один противоположный конец которого неподвижно закреплён (рисунок 5). Поток жидкости или газа приводит к смещению мишени, что вызывает деформацию троса, а установленные на нём тензодатчики регистрируют тип и степень деформации. Полученные данные позволяют судить о скорости потока вещества, а также о его направлении.

Рисунок 5. Схема расположения ключевых элементов вихревого расходомера

Достоинством таких датчиков является возможность проведения измерений расхода и скорости потока в двух или даже в трёх различных направлениях. Для обеспечения подобной многозадачности необходимо обеспечить симметричность мишени для всех нужных направлений.

Кориолисовские расходомеры

Обычно кориолисовский расходомер состоит из трубки, которая подвергается вибрационному воздействию от внешнего генератора колебаний (рисунок 6). Если трубка пуста, колебания приведут к синхронному ускорению всех участков трубки. Если же по трубке перемещается жидкость, на неё из-за воздействия ускорения, вызванного колебательным воздействием, будет также действовать кориолисова сила, направленная в различные стороны для входного и выходного потоков жидкости, что приведёт к сдвигу фазы колебаний трубки. Величина фазового рассогласования зависит от массы жидкости, протекающей по трубке в единицу времени.

Рисунок 6. Схема функционирования кориолисовского расходомера

Главным достоинством устройств данного типа является их универсальность — они могут применяться для определения скорости потока большого спектра веществ — как жидкостей, так и газов. Основным же недостатком кориолисовских расходомеров является их относительно высокая стоимость.

Микрорасходомеры

Этот класс представлен расходомерами теплового или емкостного принципа действия в миниатюрном исполнении. Требования к габаритам обусловлены областью применения подобных устройств — это, как правило, химическое производство или медицинские технологии. По принципу действия микрорасходомеры полностью идентичны своим крупногабаритным аналогам, однако стоимость миниатюрных устройств, как правило, гораздо выше.

Расходомеры по перепаду давления

Для понимания принципа функционирования данного типа расходомеров проще всего прибегнуть к аналогии с законом Ома. В рамках данной аналогии давление эквивалентно напряжению, а скорость потока эквивалентна силе тока. Если на пути прохождения потока установить препятствие (сопротивление), возникнет перепад давления до и после препятствия (падение напряжения на сопротивлении). Определение перепада давление можно осуществлять как непосредственно измеряя давление жидкости до и после прохождения препятствия, так и с помощью дифференциального датчика давления, установленного на ответвлении от основного канала. Аналогично можно определить силу тока на участке цепи, зная падение напряжения на сопротивлении известного номинала.

Детектор изменения скорости потока (датчики наличия расхода)

Часто требуется определение не количественных, а качественных характеристик потока жидкости или газа. К примеру, от устройства необходимо получать сигнал только в случае, если скорость потока отклоняется от номинальной. В данном случае чаще всего используются пороговые расходомеры на основе пьезоэффекта. В потоке устанавливается пара пьезокристаллов, включенных в электрическую цепь навстречу друг другу. Один из кристаллов изолирован от внешнего воздействия, второй находится непосредственно в потоке вещества (Рисунок 7).

Рисунок 7. Схема расположения ключевых элементов порогового расходомера на пьезокристаллах

В случае если кристаллы находятся в одинаковых условиях, заряды на них имеют равную величину и разные знаки, напряжение на резисторе R равно нулю. Если же скорость потока изменяется, возникает изменение заряда на не изолированном кристалле, баланс зарядов нарушается, напряжение на резисторе изменяется — регистрация этого явления позволяет сделать вывод об отклонении скорости потока от номинального значения.

Приборы, в основу которых положен данный метод, как правило, могут быть использованы для анализа как жидких, так и газообразных сред.

Механические расходомеры

К этой группе относится ряд устройств, полностью лишённых электронных компонентов. В расходомерах такого типа скорость потока может измеряться, например, путём определения скорости вращения механической турбины при погружении её в поток. Механические расходомеры довольно дешевы, однако их точность, как правило, не позволяет использовать их в большинстве критичных к этому параметру приложений. Помимо низкой точности, их недостатком является наличие подвижных частей, препятствующих потоку жидкости или газа, что также снижает точностные характеристики приборов данного типа. Однако, это не мешает им широко использоваться в приборах учета расхода воды установленных в квартирах.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Тепловые расходомеры

Тепловой расходомер прост в использовании и предназначен для преобразования значений температуры жидкостей и газов в унифицированный выходной сигнал.

Особенность тепловых расходомеров в том, что они учитывают даже малые объемы измеряемых сред. Широкий модельный ряд, представленный в виде калориметрических и термоанемометрических расходомеров, позволяет подобрать прибор практически для любой сферы производства и технологического процесса.

Принцип работы тепловых расходомеров

Работа теплового расходомера основана на принципе измерения скорости движения газа или жидкости при помощи эффекта переноса тепла. За счет нагревательного элемента температура подвижной среды увеличивается, позволяя вести автоматические вычисления расхода по сечению трубопровода и временному интервалу.

В зависимости от сферы применения и технических особенностей теплового расходомера, принцип работы каждого прибора может отличаться по способу взаимодействия с потоком:

1. Термоанемометрические – электрический нагревательный элемент находится внутри трубопровода;
2. Калориметрические – омический нагревательный элемент находятся снаружи трубопровода.

Принцип действия калориметрического расходомера

Калориметрический расходомер ведет учет расходуемой жидкости благодаря разности температур среднемассового потока и мощности нагреваемого вещества.

Внутри трубы расположены два резистивных элемента, выполненных из платины. Один из них измеряет температуру находящегося в трубе газа до нагрева, а другой – после нагрева. Измерения тока, необходимого для нагрева и разности температур, дают данные, с помощью которых вычисляется расход. В настоящее время калориметрический расходомер считается довольно надежным и долговечным устройством.

Принцип действия термоанемометрического расходомера

Термоанемометрический расходомер («анемо» в переводе – ветер) не имеет подвижных частей, поэтому отличается не только высокой точностью, но и повышенным быстродействием. У этого теплового расходомера принцип работы основан на охлаждении чувствительного элемента датчика при прохождении по трубе потока.

В зависимости от модели термоанемометрический расходомер может выпускаться с пленочным и проволочным чувствительными элементами, которые постоянно подогреваются при помощи прохождения через них электротока.

Блок управления учитывает изменения тока, которые происходят из-за охлаждения датчика потоком. Далее результаты изменений высчитываются автоматически и преобразуются в понятную форму для наблюдения человеком или фиксации приборами.

Технические характеристики тепловых расходомеров

Расходомеры тепловой энергии могут иметь следующие характеристики:

• Напряжение: 18…30В DC;
• Мониторинг скорости потока: от 0,06 до 2750 (нормо-м³)/ч;
• Температурный контроль: от 0 до 60 o C;
• Степень защиты: IP65.

Достоинства и преимущества тепловых расходомеров

Достоинствами данных устройств можно считать:

• Независимость результатов измерения от теплоемкости веществ;
• Высокое быстродействие;
• Большой диапазон измеряемых скоростей;
• Высокая чувствительность.

Недостатки

Как и любые измерительные приборы, расходомеры тепловой энергии имеют свои преимущества и недостатки. Недостатками приборов данного типа является их большая инерционность.

Сферы применения тепловых расходомеров

Невысокая цена и высокая надежность данных приборов привели к их широкому распространению во всех сферах промышленности, сельского хозяйства, при небольших производствах, распространенных на территории Российской Федерации. Расходомеры применяют в:

• системах газоснабжения;
• газосмесительных и газонаполнительных станциях;
• покрасочных камерах;
• вентиляционных системах;
• флотационных станциях;
• котельных;
• пищевой промышленности;
• микроэлектронике.

Как купить тепловой расходомер по привлекательной цене

Чтобы купить тепловой расходомер под конкретную задачу, позвоните нашим специалистам по бесплатному номеру или закажите обратный звонок. Можно получить консультацию по любому датчику, узнать интересующие технические характеристики отдельных моделей, а также их точную цену.

Измерение расхода жидкостей и газов в технике.

Измерительные приборы для измерения и учета расхода жидкостей и газов. Самыми распространенные приборы учитывающие расход жидкости — влагомеры и расходомеры. Учет газа осуществляется приборами газоанализаторами.

Расходомеры и газоанализаторы

Существуют понятия измерения расхода и измерения количества вещества и приборы для измерения этих параметров называются , соответственно , расходомерами и счётчиками.

Расходомеры измеряют количество вещества протекающего по трубе в единицу времени. По способу измерения они бывают:

Расходомеры переменного перепада давления на установленном в трубопроводе сужающем устройстве. Расходометрические счетчики переменного перепада давления состоят из трёх частей:

• 1.преобразователь расхода , создающий перепад давления;
• 2.соединительное устройство передающее этот перепад к измерительному прибору;
• 3.дифференциальный манометр измеряющий этот перепад давления и отградуированный в единицах расхода;

Расходомеры обтекания

Расходомеры обтекания, или расходомеры постоянного перепада давления, принцип действия которых основан на реагировании чувствительного элемента, помещённого в поток, на динамический напор протекающего по трубопроводу вещества.

Чувствительный элемент перемещается на величину служащую мерой расхода. Расходомеры обтекания включают составные части в форме обтекаемых тел в виде: поршня, поплавка, шара, диска. Величина перемещения или угла поворота обтекаемого тела является мерой расхода. Самые распространённые расходомеры обтекания—ротаметры, в которых при движении жидкости или газа по стеклянной конусной трубке со шкалой, снизу вверх перемещается поплавок, пока сила тяжести не уравновесится разностью давлений до и после поплавка.

Скоростные счетчики расхода

Расходомеры с непрерывным движением приёмных устройств—скоростные счётчики. Чувствительный элемент совершает вращательное или колебательное движение и скорость этого движения служит мерой расхода. Суммирование числа оборотов вращающегося устройства указывает на расход за какое-то время. Скорость вращения пропорциональна скорости протекающей жидкости т.е. расходу. Все бытовые водомеры относятся к скоростным счётчикам.

Электрические расходомеры

Принцип их действия основан на измерении электрических параметров системы в зависимости от расхода: измеряемое вещество—чувствительный элемент прибора. При движении жидкости между полюсами электромагнита , по закону электромагнитной индукции, на концах диаметра трубы образуется разность потенциалов , величина которой пропорциональна расходу.

Тепловые расходомеры

Принцип действия тепловых счетчиков расхода веществ основан на измерении количества тепла, отданного нагретым элементом прибора, потоку вещества. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на калориметрические, термоконвективные, термо-анемометрические.

Термоанемометрические расходомеры для измерения местных скоростей потоков появились раньше остальных. Калориметрические расходомеры с внутренним нагревом, появившиеся позже, не получили заметного применения. Позднее стали разрабатываться термоконвективные расходомеры, которые благодаря наружному расположению нагревателя находят все более широкое применение в промышленности.

Термоконвективные расходомеры делят на квазикалориметрические (измеряется разность температур потока или мощность нагрева) и теплового пограничного слоя (измеряется разность температур пограничного слоя или соответствующая мощность нагрева). Они применяются для измерения расхода главным образом в трубах небольшого диаметра от 0,5—2,0 до 100 мм.

Достоинством калориметрических и термоконвективных расходомеров является неизменность теплоёмкости измеряемого вещества при измерении массового расхода. Помимо этого в термоконвективных расходомерах отсутствует контакт с измеряемым веществом, что также является их существенным достоинством. Недостаток и тех и других расходомеров – их большая инерционность. Для улучшения быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. Термоанемометры в отличие от остальных тепловых расходомеров весьма малоинерционны, но они служат преимущественно для измерения местных скоростей. Калориметрические расходомеры основаны на зависимости от мощности нагрева среднемассовой разности температур потока.

Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении величины ультразвуковых колебаний, которые распространяются в потоке измеряемого вещества.

Приборы для измерения количества вещества называются расходометрическими счётчиками. Если это вода – влагомеры, если измеряется расход газа — газоанализаторы. Они измеряют массу вещества протекающего по трубопроводу. По способу измерения они разделяются на:

• 1.скоростные счётчики, принцип действия которых основан на суммировании числа оборотов помещённого в поток жидкости вращающегося элемента.
• 2.объёмные счетчики, принцип действия которых основан на суммировании объёмов вещества, вытесненного из измерительной камеры прибора.

Наибольшее распространение получили скоростные счётчики.

Тепловые расходомеры

Принцип действия тепловых расходомеров основан на нагреве потока вещества и измерении разности температур до и после нагревателя (калориметрические расходомеры) или на измерении температуры нагретого тела, помещенного в поток (термоанемометрические расходомеры). Последние не имеют самостоятельного применения в технологических измерениях.

Схема калориметрического расходомера показана на рис. 7.19, а. В трубопроводе / установлен нагреватель потока 3, на равных рас-

Рис. 7.19. Схема калориметрического расходомера

стояниях от центра нагревателя — термопреобразователи 2 и 4 (при этом нагрев их от лучеиспускания одинаков), измеряющие температуру t потока до и после нагрева t₂.

Кривые распределения температуры среды до и после нагревателя при его постоянной выделяемой тепловой мощности приведены на рис. 7.19, б. Для неподвижной среды распределение температуры в ней (кривая 1) симметрично относительно оси нагревателя и поэтому разность температур M—t_x–

t₂=Q. При некоторой малой скорости потока распределение температуры (кривая 2) несимметрично и несколько смещается вправо. В сечении А-А температура U падает вследствие поступления холодного вещества, а в сечении В-В температура fa или несколько возрастает, или же не меняется,

вследствие чего при малых расходах At увеличивается с ростом расхода. С дальнейшим увеличением расхода при постоянной мощности нагревателя fa станет убывать, в то время как t практически постоянна, т. е. будет уменьшаться At. Таким образом, при больших расходах разность температур At обратно пропорциональна расходу.

Исходя из сказанного, можно заключить, что зависимость At от массового расхода имеет две ветви — восходящую при малых расходах и нисходящую — при больших. Обе эти ветви в определенных пределах измерения линейны [14], и, естественно, надо работать на одной из ветвей. Обычно работают на нисходящей ветви, где At обратно пропорциональна G.

Зависимость между массовым расходом G и разностью температур А* при допущении, что нет потерь теплоты в окружающую среду (что достигается изоляцией трубы), определяется уравнением теплового баланса вида

где N— мощность нагревателя; k — поправочный множитель на неравномерность распределения температур по сечению трубопровода; с_р — теплоемкость вещества при температуре (t + t^l2.

Из выражения (7.58) следует, что измерение массового расхода может быть осуществлено двумя способами: 1) по значению подаваемой к нагревателю мощности N, обеспечивающей постоянную заданную разность температур А^; 2) по значению разности At при постоянной N.

В соответствии с первым способом расходомер работает как регулятор температуры нагрева потока. При изменении At автоматически изменяется мощность N до тех пор, пока At не достигнет заданного значения. Массовый расход при этом определяется по шкале ваттметра в цепи нагревателя.

Для уменьшения расходуемой мощности обычно ограничивают заданное значение А^ в пределах 1—3° С.

По второму способу, когда к нагревателю подводится постоянная мощность, расход определяют по прибору, измеряющему разность температур. Недостатком этого способа является гиперболический характер шкалы, а значит, и падение чувствительности при увеличении расхода.

В качестве преобразователей температуры в калориметрических расходомерах могут быть использованы различные термоприемники (термоэлектрические преобразователи, термопреобразователи сопротивления и др.). Термопреобразователи сопротивления обладают здесь тем преимуществом, что их можно выполнять в виде равномерной сетки, перекрывающей все сечение, и таким образом измерять среднюю по сечению температуру.

Калориметрические расходомеры, градуируемые индивидуально, имеют классы точности 0,5—1. Калориметрические расходомеры в основном применяют для измерения малых расходов чистых газов. Для измерения расхода жидкостей калориметрические расходомеры не нашли практического применения из-за большой потребляемой мощности. Основное и важное преимущество калориметрических расходомеров состоит в том, что они обеспечивают измерение массового расхода газа без измерения его параметров состояния (давление, температура, плотность).

Поиски повышения эксплуатационной надежности калориметрических расходомеров привели к созданию тепловых расходомеров, у которых нагреватель и термопреобразователи размещают на наружной стенке трубы, и передача теплоты к потоку осуществляется через стенку трубы и далее — через пограничный слой. В зависимости от относительного расположения термопреобразователей друг к другу и к нагревателю различают расходомеры теплового пограничного слоя и квазикалориметрические. Расходомеры теплового пограничного слоя применяют для трубопроводов с диаметром 50—100 мм «я выше. Эти расходомеры основаны на измерении разности температур, образующейся с обеих сторон пограничного слоя. При реализации этого метода оказывается практически достаточно вместо непосредственного измер-зния разности температур пограничного слоя, зависящей от расхода вещества в трубе, измерять эквивалентную разность. Для этого первый по ходу потока термопреобразователь располагают на внешней стороне трубы на участке, изолированном от ее нагретой части, т. е. принимая, что измеряется температура поступающего потока, а второй термопреобразователь—непосредственно на трубе за нагревателем. Градуиро-вочные кривые у расходомеров, измеряющих разность температур пограничного слоя, в отличие от калориметрических, не имеют двух ветвей. Отмеченная особенность является их преимуществом. К недостаткам следует отнести зависимость показаний этих приборов от теплопроводности, теплоемкости и вязкости потока, а также от изменения параметров состояния.

Еще одной разновидностью тепловых расходомеров, у которых нагреватель и термопреобразователи расположены на внешней стороне трубопровода (рис. 7.19, в), являются так называемые квазикалориметрические расходомеры [14]. В квазикалориметрических расходомерах (рис. 7.19, в) в отличие от тепловых расходомеров пограничного слоя не применяются никакие меры для того, чтобы изолировать первый по ходу потока термопреобразователь 2 от теплового воздействия нагревателя 3. При малых диаметрах труб (от 1,5 до 25 мм), для которых в основном и применяются эти расходомеры, прогревается не только пограничный слой, ко и в значительной мере весь поток, поэтому здесь измеряется не разность температур пограничного слоя, а разность, очень близкая к разности температур потока до и после нагревателя.

Трубу 1 из материала с большой теплопроводностью (обычно ни-

кель, латунь) покрывают смоляным лаком с целью электрической изоляции от наматываемых на нее нагревателя 3 и термопреобразователей сопротивления 2 и 5. Последние вместе с постоянными сопротивлениями R и R₂ образуют неуравновешенный электрический мост. Измеряемое в диагонали моста прибором 6 напряжение пропорционально разности температур, и шкала этого прибора градуируется в единицах массового расхода вещества. Для устранения влияния внешней среды и стабилизации температуры весь измерительный участок трубы теплоизолируется и, кроме того, его заключают в массивный медный кожух. При диаметрах труб в пределах 1,5—50 мм мощность нагревателя, питаемого от источника 4, составляет 0,1—100 Вт. Длина намотки на трубе 10—100 мм. Классы точности расходомеров с внешним расположением нагревателя 1,5—3. Основным их недостатком является большая инерционность.