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:

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

де ${\displaystyle k_{0}}$ — поправочний множник на нерівномірність розподілу температур по перетину трубопроводу;

${\displaystyle Q_{M}}$ — масова витрата у потоці;

${\displaystyle c_{p}}$ — питома теплоємність (для газу при постійному тиску);

${\displaystyle \Delta T=T_{2}-T_{1}}$ — різниця температур між давачами (${\displaystyle T_{1}}$ і ${\displaystyle T_{2}}$ — температури потоку до й після нагрівача).

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

${\displaystyle q_{t}=0,24I^{2}R,}$

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:

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

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:

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

де:${\displaystyle I}$ — електричний струм, що проходить через нагрівний елемент;

${\displaystyle R_{W}}$ — електричний опір нагрівного елемента;

${\displaystyle h}$ — коефіцієнт теплообміну нагрівного елемента;

${\displaystyle A_{W}}$ — площа поверхні нагрівача, що омивається рухомим середовищем;

${\displaystyle \Delta T=T_{1}-T_{2}}$ — різниця температур нагрівача і середовища.

Так як опір ${\displaystyle R_{W}}$ нагрівача залежить від температури

${\displaystyle R_{W}=R_{c}[1+\alpha (T_{1}-T_{1}^{c})],}$

де: ${\displaystyle \alpha }$ — температурний коефіцієнт опору;

${\displaystyle R_{c}}$ — величина електричного опору при температурі калібрування;

${\displaystyle T_{1}^{c}}$ — температура калібрування.

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

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

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 :

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

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.
• А.К. Бабіченко, В.И. Тошинський та ін. Промислові засоби автоматизації. Ч.1. Вимірювальні пристої. - Х. ООО "Роми", 2001.