Тепловые измерители потока

В тепловых измерителях потока используется нагреваемый элемент, устанавливаемый на пути потока жидкости или газа и обтекаемый этим потоком. Тепло передается от этого элемента к текущей среде с интенсивностью (Р, W), определяемой разностью температур (DТ, ⁰С) элемента и среды, удельной теплоемкостью (С, J/kg·К) и скоростью (V, m/s) последней а также профилем потока. На принципе передачи тепла от нагреваемого элемента в поток основаны два метода измерения потока:

· конвекционный, когда измеряется количество тепла, рассеиваемого нагретым элементом;

· инжекционный, при котором определяется изменение температуры текучей среды, связанное с передачей тепла в поток.

В конвекционном измерителе потока в качестве нагреваемого элемента могут быть использована вольфрамовая проволока, термистор, тонкая металлическая пленка на подложке. Элемент нагревается выше температуры текучей среды путем пропускания через него электрического тока. Мощность теплопередачи в этом случае приближенно задается законом

где Р – мощность теплопередачи (W);

А – эффективная площадь нагреваемого элемента (m²);

Т_е – температура элемента (⁰С);

Т_f – температура среды (⁰С);

V – скорость среды (m/s);

С₀, С₁ – эмпирические коэффициенты определяемые конструкцией нагреваемого элемента и удельной теплоемкостью среды.

Если элемент и среда находятся в тепловом равновесии, то количество тепла, ежесекундно передаваемого в поток, равно джоулевой мощности, выделяемой в элементе:

где Р – выделяемая в элементе мощность (W);

I – ток через элемент (А);

R – сопротивление элемента (W).

Из двух последних соотношений следует:

В этом уравнении четыре переменных: I, T_e, T_f и V. Обычно поддерживается постоянной величина сопротивления R, при этом, очевидно, постоянна и температура резистивного элемента. Тогда зная температуру среды T_f можно найти скорость V как функцию тока I.

В инжекционных измерителях потока средний массовый расход любой текучей среды определяется путем инжекции в поток известного количества тепла и измерения изменения температуры этой среды за нагревателем (ниже по течению). Средний массовый расход рассчитывается по формуле

где Q_m – массовый расход (kg/s);

q – скорость стационарной инжекции тепла (W/s);

С_b – удельная теплоемкость среды (J/kg·К);

Т_u, Т_d – температура среды выше и ниже по течению (⁰С).

Метод тепловой инжекции весьма прост, но на практике при его реализации довольно трудно получить хорошую точность по двум причинам:

· паразитные утечки тепла, например, через стенки потокопровода;

· датчик температуры, расположенный ниже по течению, должен находиться на достаточном удалении от нагревателя, где устанавливается однородное распределение температуры, а это еще больше осложняет проблему паразитных утечек тепла.