Тепловий витратомір

Теплови́й витратомі́р — витратомір, у якому для вимірювання швидкості потоку рідини або газу використовується ефект переносу тепла від нагрітого тіла рухомим середовищем.

Розрізняють калориметричні і термоанемометричні витратоміри.

Калориметричні витратоміри

Принцип роботи теплового калориметричного витратоміра

Калориметричні витратоміри ґрунтуються на нагріванні чи охолодженні потоку стороннім джерелом енергії, що створює в потоці різницю температур за якою визначають витрату.

Якщо знехтувати втратами тепла з потоку через стінки трубопроводу в навколишнє середовище, то рівняння теплового балансу між витратами тепла нагрівачем, і теплом, переданим потоку, набуває вигляду:

$q_t=k_0{Q}_M{c}_p\mathrm{\Delta }T,$

де $k_0$ — поправочний множник на нерівномірність розподілу температур по перетину трубопроводу;

$Q_M$ — масова витрата у потоці;

$c_p$ — питома теплоємність (для газу при постійному тиску);

$\mathrm{\Delta }T=T_2-T_1$ — різниця температур між давачами ($T_1$ і $T_2$ — температури потоку до й після нагрівача).

Тепло до потоку в калориметричних витратомірах підводять зазвичай електронагрівниками, для яких

$q_t=0,24I^{2}R,$

де I — сила струму через нагрівний елемент;

R — електричний опір нагрівача.

На основі цих рівнянь статична характеристика перетворення, котра пов'язує перепад температур на сенсорах із масовою витратою набуде вигляду:

$Q_M=\frac{0,24IR}{k_0{c}_p\mathrm{\Delta }T}.$

Термоанемометричні витратоміри

Конструкція термоанемометричного витратоміра: 1 — давач температури нагрівного елемента; 2 — нагрівний елемент; 3 — давач температури потоку.

Принцип роботи термометричного анемометра пов'язаний з використанням конвективного винесення тепла рухомим середовищем від нагрітої поверхні. Чутливим елементом такого анемометра є нагрітий дріт або поверхня, зазвичай з платини або вольфраму. Підігрів елемента зазвичай здійснюється постійним струмом, що проходить через неї з підтриманням постійної температури елемента. Іноді можна зустріти конструкції з непрямим підігрівом вимірювального дроту. Для визначення швидкості потоку в приладі вимірюється конвективне винесення тепла від дроту, яке є функцією від швидкості руху середовища, що омиває елемент.

Зазвичай дріт промислових термоанемометров для газових вимірювань має 4-10 мкм в діаметрі і довжину 1 мм. Іншою конструкцією є поверхневий чутливий елемент з підкладкою з жаростійкого скла з напиленим покриттям або фольгою з платини.

Рівняння теплового балансу на нагрівачі можна записати у вигляді:

$I^2{R}_W=h{A}_W\mathrm{\Delta }T,$

де:$I$ — електричний струм, що проходить через нагрівний елемент;

$R_W$ — електричний опір нагрівного елемента;

$h$ — коефіцієнт теплообміну нагрівного елемента;

$A_W$ — площа поверхні нагрівача, що омивається рухомим середовищем;

$\mathrm{\Delta }T=T_1-T_2$ — різниця температур нагрівача і середовища.

Так як опір $R_W$ нагрівача залежить від температури

$R_W=R_c[1+\alpha (T_1-T_1^c)],$

де: $\alpha$ — температурний коефіцієнт опору;

$R_c$ — величина електричного опору при температурі калібрування;

$T_1^c$ — температура калібрування.

Коефіцієнт теплообміну h є функцією швидкості потоку V і може бути описаний емпіричною залежністю:

$V=a+b{V}^c,$

де: a, b, c — сталі, що визначаються при калібруванні давача (c = 0,5). На основі записаних рівнянь можна визначити швидкість потоку, а значить і витрату :

$V={([\frac{I^2{R}_c[1+\alpha (T_1-T_1^c)]}{A_W\mathrm{\Delta }T}-a]/b)}^{\frac{1}{c}}$

До переваг термоанемометричного методу вимірювання відносяться висока чутливість, хороша швидкодія, простота конструкції. До недоліків — можливість достовірної роботи лише в чистих потоках з незмінними теплофізичними характеристиками та необхідність очищення елемента від забруднень.

Джерела

• Пістун Є. П., Лесовой Л. В. Нормування витратомірів змінного перепаду тиску. – Львів: Видавництво ЗАТ «Інститут енергоаудиту та обліку енергоносіїв», 2006. – 576 с. ISBN 966-553-541-2
• А.К. Бабіченко, В.И. Тошинський та ін. Промислові засоби автоматизації. Ч.1. Вимірювальні пристої. - Х. ООО "Роми", 2001.