Принцип дії теплових витратомірів заснований на нагріванні потоку речовини і вимірюванні різниці температур до і після нагрівача (калориметричні витратоміри) або на вимірюванні температури нагрітого тіла, поміщеного в потік (термоанемометричні витратоміри). Останні не мають самостійного застосування в технологічних вимірах.
Схема калориметричного витратоміра показана на рис. 7.19, а. У трубопроводі / встановлений нагрівач потоку 3, на рівних рас
Мал. 7.19. Схема калориметричного витратоміра
стояння від центру нагрівача - термоперетворювачі 2 і 4 (при цьому нагрів їх від випромінювання однаковий), що вимірюють температуру t \ потоку до і після нагрівання t2.
Криві розподілу температури середовища до і після нагрівача при його постійної виділяється теплової потужності наведені на рис. 7.19, б. Для нерухомою середовища розподіл температури в ній (крива 1) симетрично щодо осі нагрівача і тому різниця температур M-tx -
t2 = Q. При деякій малій швидкості потоку розподіл температури (крива 2) несиметрично і кілька зміщується вправо. У перетині А-А температура U падає внаслідок надходження холодного речовини, а в перетині В-В температура fa або кілька зростає, або ж не змінюється,
внаслідок чого при малих витратах At збільшується зі зростанням витрат. З подальшим збільшенням витрат при постійній потужності нагрівача fa стане спадати, в той час як t \ практично постійна, т. Е. Буде зменшуватися At. Таким чином, при великих витратах різниця температур At обернено пропорційна витраті.
Виходячи зі сказаного, можна зробити висновок, що залежність At від масової витрати має дві гілки - висхідну при мінімальних витратах і спадну - при великих. Обидві ці гілки в певних межах вимірювання лінійні [14], і, природно, треба працювати на одній з гілок. Зазвичай працюють на низхідній гілці, де At обернено пропорційна G.
Залежність між масовим витратою G і різницею температур А * при допущенні, що немає втрат теплоти в навколишнє середовище (що досягається ізоляцією труби), визначається рівнянням теплового балансу виду
де N - потужність нагрівача; k - поправочний множник на нерівномірність розподілу температур по перетину трубопроводу; ср - теплоємність речовини при температурі (t \ + t ^ l2.
З виразу (7.58) випливає, що вимір масової витрати може бути здійснено двома способами: 1) за значенням подається до нагрівача потужності N, що забезпечує постійну задану різницю температур А ^; 2) за значенням різниці At при постійній N.
Відповідно до першого способом витратомір працює як регулятор температури нагріву потоку. При зміні At автоматично змінюється потужність N доти, поки At не досягне заданого значення. Масова витрата при цьому визначається за шкалою ваттметра в ланцюзі нагрівача.
Для зменшення витрачається потужності зазвичай обмежують задане значення А ^ в межах 1-3 ° С.
За другим способом, коли до нагрівача підводиться постійна потужність, витрата визначають по приладу, що вимірює різницю температур. Недоліком цього способу є гіперболічний характер шкали, а значить, і падіння чутливості при збільшенні витрати.
В якості перетворювачів температури в калориметричних витратомірах можуть бути використані різні термопріемнікі (термоелектричні перетворювачі, термоперетворювачі опору та ін.). Термоперетворювачі опору мають тут ту перевагу, що їх можна виконувати у вигляді рівномірної сітки, що перекриває всі перетин, і таким чином вимірювати середню по перетину температуру.
Калориметрические витратоміри, градуйованих індивідуально, мають класи точності 0,5-1. Калориметрические витратоміри в основному застосовують для вимірювання малих витрат чистих газів. Для вимірювання витрати рідин калориметричні витратоміри не знайшли практичного застосування через велику споживаної потужності. Основне і важлива перевага калориметричних витратомірів полягає в тому, що вони забезпечують вимір масової витрати газу без вимірювання його параметрів стану (тиск, температура, щільність).
Пошуки підвищення експлуатаційної надійності калориметричних витратомірів привели до створення теплових витратомірів, у яких нагрівач і термоперетворювачі розміщують на зовнішній стінці труби, і передача теплоти до потоку здійснюється через стінку труби і далі - через прикордонний шар. Залежно від відносного розташування термопреобразователей один до одного і до нагрівача розрізняють витратоміри теплового прикордонного шару і квазікалоріметріческіе. Витратоміри теплового прикордонного шару застосовують для трубопроводів з діаметром 50-100 мм «я вище. Ці витратоміри засновані на вимірі різниці температур, що утворюється з обох сторін прикордонного шару. При реалізації цього методу виявляється практично досить замість безпосереднього вимір-знія різниці температур прикордонного шару, що залежить від витрати речовини в трубі, вимірювати еквівалентну різницю. Для цього перший по ходу потоку термоперетворювач розташовують на зовнішній стороні труби на ділянці, ізольованому від її нагрітої частини, т. Е. Приймаючи, що вимірюється температура надходить потоку, а другий термоперетворювач-безпосередньо на трубі за нагрівачем. Градуюються-вильно криві у витратомірів, які вимірюють різницю температур прикордонного шару, на відміну від калориметричних, не мають двох гілок. Зазначена особливість є їх перевагою. До недоліків слід віднести залежність показань цих приладів від теплопровідності, теплоємності і в'язкості потоку, а також від зміни параметрів стану.
Ще одним різновидом теплових витратомірів, у яких нагрівач і термоперетворювачі розташовані на зовнішній стороні трубопроводу (рис. 7.19, в), є так звані квазікалоріметріческіе витратоміри [14]. У квазікалоріметріческіх витратомірах (рис. 7.19, в) на відміну від теплових витратомірів прикордонного шару не застосовуються ніякі заходи для того, щоб ізолювати перший по ходу потоку термоперетворювач 2 від теплового впливу нагрівача 3. При малих діаметрах труб (від 1,5 до 25 мм ), для яких в основному і застосовуються ці витратоміри, прогрівається не тільки прикордонний шар, до і в значній мірі весь потік, тому тут вимірюється не різниця температур прикордонного шару, а різниця, дуже близька до різниці температур потоку до і по сле нагрівача.
Трубу 1 з матеріалу з великою теплопровідністю (зазвичай ні-
кель, латунь) покривають смоляним лаком з метою електричної ізоляції від намотуваних на неї нагрівача 3 і термоперетворювачів опору 2 і 5. Останні разом з постійними опорами R \ і R2 утворюють неврівноважений електричний міст. Вимірюється в діагоналі моста приладом 6 напруга пропорційно різниці температур, і шкала цього приладу градуюється в одиницях масової витрати речовини. Для усунення впливу зовнішнього середовища і стабілізації температури весь вимірювальний ділянку труби теплоізолюється і, крім того, його укладають в масивний мідний кожух. При діаметрах труб в межах 1,5-50 мм потужність нагрівача, що живиться від джерела 4, становить 0,1-100 Вт. Довжина намотування на трубі 10-100 мм. Класи точності витратомірів із зовнішнім розташуванням нагрівача 1,5-3. Основним їх недоліком є велика інерційність.