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:

$q_{t}=k_{0}Q_{M}c_{p}\Delta T,$

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);

$\Delta T=T_{2}-T_{1}$ — 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:

$Q_{M}={\frac {0,24IR}{k_{0}c_{p}\Delta T}}.$

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:

$I^{2}R_{W}=hA_{W}\Delta T,$

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;

$\Delta T=T_{1}-T_{2}$ — 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:

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

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 :

$V=\left(\left[{\frac {I^{2}R_{c}[1+\alpha (T_{1}-T_{1}^{c})]}{A_{W}\Delta T}}-a\right]/b\right)^{\frac {1}{c}}$

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.