4.7.1. Измерение массового расхода при маломеняющейся плотности.

В этих условиях находят применение тепловые расходомеры, в основу действия которых положена зависимость теплового состояния приемного преобразователя расходомера (включающего в себя посторонний источник энергии) от расхода потока, омываю­щего преобразователь. Количество тепловой энергии Q_T, отдаваемой нагревателем в поток жидкости в единицу времени, зависит от величины коэффициента теплоотдачи α и разности между температурой поверхности нагревателя и температурой жидкости, т. е.

(1.40)

где S — площадь поверхности нагревателя; коэффициент теплоотдачи определяется из эмпирических критериальных зависимостей вида:

Возможны две измерительные схемы: измерение температуры при постоянстве подводимой мощности и измерение мощности нагревателя при поддержании постоянного перепада температур. Для стабилизации заданного параметра используются компенсационные схемы.

По характеру переноса тепла и изменения теплового состояния приемного преобразователя тепловые расходомеры принято делить на калориметрические, термоанемометрические и расходомеры теплового пограничного слоя (рис. 36). В калориметрических расходомерах тепло от нагревателя мощностью Р_н переносится массой измеряемого потока к термоприемнику. В расходомерах теплового пограничного слоя основная масса потока не участвует в теплообмене; перенос тепла осуществляется массой потока, заключенной в его тонком тепловом подслое. В термоанемометрических расходомерах происходит изменение теплового состояния металлической нити или полупроводникового элемента, помещаемых непосредственно в поток и нагреваемых электрическим током.

Рис. 35. Преобразователи тепловых расходомеров: а – контактный калориметрический; б - неконтактный калориметрический (для жидких металлов); в – термоанемометрический.

Точность тепловых расходомеров невелика, их основная приведенная погрешность обычно составляет около ±2%, инерционность же (за исключением термоанемометрических) весьма велика; постоянная времени приборов измеряется минутами или десятками минут. Тепловые расходомеры пригодны для измерения сверхмалых расходов (до 0,5—1 г/ч) и в этой области другие расходомеры не могут конкурировать с ними.

В схемах массовых расходомеров, составленных из одного измерителя объемного расхода и плотномера, в качестве измерителя Q может использоваться любой преобразователь, сигнал которого не зависит от ρ (например, тахометрический, электромагнитный, расходомер с метками потока и др.). Выполнение операции умножения ρ на Q проще всего осуществляется во внешней цепи прибора. При этом параметр электрического выходного сигнала схемы, модулированный величиной ρQ, может быть любым: амплитуда, частота; фаза переменного тока, длительность импульсов и т. д.

4.7.2. Измерители массового расхода при значительных изменениях плотности гомогенных потоков.

Как уже отмечалось, в этих случаях создается и поддерживается дополнительное перемещение жидкости, благодаря которому потоком приобретается некоторая дополнительная кинетическая энергия. Этот запас энергии используется для получения выходного сигнала расходомера. Поскольку мощность, необходимая для поддержания дополнительного движения, пропорциональна массе потока, участвующей в движении, то и кинетическая энергия, полученная потоком, и выходной сигнал преобразователя оказываются пропорциональны массовому расходу. Простейшие расходомеры такого типа имеют выходной сигнал в виде переменного перепада давления.

Две принципиальные схемы приемных преобразователей массовых расходомеров переменного перепада давления приведены на рис. 37. В обоих случаях используется дифференциальный принцип: поток рабочего тела делится на два одинаковых потока, скорость одного из которых увеличивается, а другого — уменьшается за счет внешнего привода. В схеме на рис. 36, а такой привод осуществляется вращающимся цилиндром, увлекающим поток в принудительную циркуляцию; в схеме на рис. 36, б используется насос, который непрерывно отбирает некоторое количество жидкости из одной ветви потока и подает ее в другую ветвь.

Рис.37. Принципиальные схемы преобразователей массовых расходомеров переменного перепада давления: 1 – ротор; 2 – насос.

Для измерений гетерогенных потоков схема на рис. 37, а непригодна из-за сепарации компонентов под действием центробежных сил. В расходомере, выполненном по схеме рис. 37, б, следует ожидать существенного влияния на коэффициент преобразования соотношения фаз, так как потери напора в двухфазных потоках резко зависят от отношения скоростей фаз.

Лучшими динамическими характеристиками обладают массовые расходомеры, в которых создается вращательное движение элементов трубопровода. На рис. 38 приведены две схемы, характерные для расходомеров такого типа. В первой схеме (рис. 38, а) поток поступает в Т-образную трубку, вращаемую с постоянной угловой скоростью ω. Энергия, приобретенная потоком в этой трубке, возвращается при проходе второй Т-образной трубки в форме момента, закручивающего торсионный элемент.

Рис. 38. Принципиальные схемы преобразователей массовых расходомеров с вращающимися трубопроводами: а – с измерением момента кориолисовых сил; б – с измерением гироскопического момента. 1 – гибкие соединения трубопроводов; 2 – торсионный элемент.

Примером одной из наиболее удачных конструкций массового тахометрического преобразователя такого типа может служить расходомер, принципиальная схема которого приведена на рис. 38. Чувствительные элементы расходомера представляют собой две идентичные крыльчатки с осевой разгрузкой упорных подшипников, отличающиеся только углом установки лопастей. Между крыльчатками имеется упругая связь в виде пружины, поэтому крыльчатки вращаются с одинаковой скоростью, несмотря на разный наклон лопастей, но во время вращения разворачиваются относительно друг друга на некоторый угол. Момент вращения, приложенный к пружине, определится по изменению момента количе­ства движения среды на выходе из первой крыльчатки.

Рис. 39. Тахометрический преобразователь массового расходомера с приводом от потока: 1, 4 – вторичные преобразователи; 2, 5 – крыльчатки роторов; 3 – пружина; 6 – счетчик; 7 – схема совпадений; 8 – образцовый генератор.

Данный расходомер обладает высокой точностью (основная погрешность порядка ±0,5%) и малой инерционностью.