Топлинни разходомери
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 2, 2009
Използват се за измерване разхода на факелни газове, въздух за горене, азот, аргон, въглероден диоксид, биогазове и др.
Топлинните разходомери са разработени през 60-те и 70-те години на миналия век от няколко независими компании в Калифорния. Технологията им на работа се основава на топлопроводната анемометрия. Тя се използвала при изследване профилите на скоростта и турбулентността. Първите топлинни разходомери не работели устойчиво, характеризирали се с големи грешки вследствие на замърсяване и не били подходящи за използване в производствени условия.
Сред фактите от историята на тези измервателни уреди е разработеното от американската компания Fluid Components (FCI) топлинно реле за разход, което било предназначено за регистрация наличието на нефт, добиван в Калифорния. Производството на топлинни релета стартирало през 1964 г. и продължило до 1981 г., когато започнало производството на топлинни разходомери, разработени специално за измерване разхода на газ. По късно, с развитие на измервателната технология, конструкцията им се усъвършенства и те преминават към по-висок клас на точност. Днес се използват с успех в различни области на индустрията.
Видове топлинни разходомери
Принципът на действие на топлинните разходомери се основава на зависимостта между топлинното въздействие на движещия се флуид и масовия му разход. Топлинните разходомери се различават според конструкцията си - тип нагряване, местоположение на нагревателя (отвътре или отвън на тръбата), характера на функционалната зависимост между разхода и измервания сигнал. Основният използван начин на нагряване е електрически нагревател с активно съпротивление. Индуктивното нагряване се ползва рядко. Според начина на топлинно взаимодействие с флуида, топлинните разходомери се определят като калориметрични, термоконвективни и термоанемометрични.
Калориметричните разходомери
използват нагряване или охлаждане на флуида с външен източник на енергия, който създава температурна разлика във флуида. Електрическият нагревател е разположен вътре в тръбата, за разлика от термоконвективните, при които е отвън, върху нея. Освен нагревателя в конструкцията им се включват още два термодатчика за измерване на температурата преди и след нагревателя. Термодатчиците обикновено се разполагат на равни разстояния от нагревателя. Разпределението на температурата на двете страни от източника на нагряване зависи от разхода. При отсъствие на разход, температурното поле би било симетрично. След като през тръбопровода започне да протича флуид, тази симетрия се нарушава. При малки разходи, съответно ниски скорости, температурата преди нагревателя се понижава повече (вследствие на притока на хладен флуид) от температурата след нагревателя. При много ниски скорости дори е възможно температурата след нагревателя да се повиши. При достатъчно увеличение на разхода, температурата преди нагревателя става постоянна. Тя е равна на температурата на протичащия флуид, а температурата след нагревателя започва да пада. При това, температурната разлика се увеличава с нарастването на разхода. Направените изследвания показват, че температурната разлика при малки разходи е почти пропорционална на тях. При нарастване на разхода тя намалява по хиперболичен закон.
Характерно за калориметричните разходомери е, че при тях се измерва температурната разлика на газа или течността (при постоянна мощност на нагряване) или мощността(при постоянна температурна разлика).
Калориметричните разходомери с вътрешно нагряване не са се утвърдили за приложение в производствени условия. Основна причина за това е ниската надеждност на работа в експлоатационни условия на нагревателите и термодатчиците, разположени вътре в тръбопровода. Тези измервателни уреди са подходящи за различни изследователски и експериментални опити. Освен това е възможно да се ползват за проверка и градуировка на други разходомери.
Термоконвективни разходомери
Термоконвективни се наричат топлинните разходомери, при които и нагревателят, и термодатчиците са разположени върху външната страна на тръбата. По този начин се увеличава експлоатационната надеждност на разходомера. Предаването на топлинната енергия от нагревателя към измерваната среда се извършва за сметка на конвекцията през стената на тръбата.
Термоконвективните разходомери се предлагат в няколко разновидности - квазикалориметрични, капилярни, измерващи температурната разлика на граничния слой, както и специални видове за тръби с голям диаметър.
Квазикалориметричните разходомери се характеризират с аналогични на калориметричните измервателни характеристики. Те се използват за тръби с много малки диаметри.
Капилярните топлинни разходомери (фиг. 1) работят като квазикалориметричните, но се използват за тръби с по-големи диаметри. В тръбата се монтира съпротивителен елемент. Той отклонява малка част от протичащия флуид към капилярна тръбичка, свързана паралелно на съпротивителния елемент. Съпротивителният елемент е със специална конструкция, която осигурява постоянен коефициент на пропорционалност между разхода през капилярната тръбичка и основния разход. Този коефициент остава постоянен в целия диапазон на измерване на прибора. Измервателната част на разходомера се състои от капилярна тръбичка, две термосъпротивления (RT1 и RT2) и нагревателен елемент (RH), монтиран между тях (фиг. 2). Частта от флуида, отклонена от съпротивителния елемент, преминава през капилярната тръбичка и се нагрява от нагревателя. Термосъпротивленията измерват температурата на флуида преди (Т1) и след (Т2) нагревателя. Температурната разлика (Т2-Т1) е правопропорционална на масовия разход на флуида.
Разходомерите, измерващи температурната разлика на граничния слой, се отличават от вече разгледаните по това, че топлината от нагревателя не достига до първия термодатчик. Това е така, защото той се монтира първи по хода на флуида - на достатъчно голямо разстояние от нагревателя. Между тях се поставя термоизолационна вставка. Вторият термодатчик се разполага възможно по-близко до нагревателя. Благодарение на това решение, напълно отсъства началният клон на градуировъчната крива и тя има монотонен характер. Друга съществена специфика на разходомера е отсъствието на нагряване на вътрешната част на флуида. В резултат не се измерва разликата на средните температури преди и след нагревателя, а температурната разлика от двете страни на граничния слой.
Специалните видове термоконвективни разходомери за тръбопроводи с голям диаметър се използват за измерване разхода на флуиди, които са с висока температура или температурата на които варира в широки граници. Необходимо е да се стабилизира или напълно да се предотврати топлинната загуба в околната среда. Постига се със схема, използваща допълнителен компенсационен нагревател, който е разположен по цялата дължина на измервателния участък. Нагревателят поддържа зададената температурна разлика в напречното сечение на топлоизолацията, независимо от температурата и разхода на измервания флуид. Тази разлика се контролира от диференциален термодатчик, сигналът от който постъпва в автоматичен регулатор, управляващ тока на компенсационния нагревател.
Най-голямо разпространение са получили термоанемометричните разходомери
Те използват зависимостта между топлинните загуби на непрекъснато подгрявано тяло, разположено във флуида, и масовия му разход. Прибор за измерване скоростта на течност или газ, принципът на действие на който се основава на зависимостта между скоростта на флуида и топлоотдаването на чувствителния елемент, разположен във флуида и нагрят с електрически ток, се нарича термоанемометър. Принципът му на работа се основава на измерване на температурата на нагрят терморезистор, който е обдухван от връхлитащия го поток на измервания газ. В потока на газа се разполагат два терморезистора (фиг. 3). Единият от тях се подгрява от нагревател, захранван от външен източник. Мощността, която се подава към нагревателя, се поддържа постоянна. При промяна на скоростта на газовия поток, топлоотдаването към газа се променя, което води до изменение на температурата на подгрявания резистор.
Скоростта на потока газ (v) се определя по зависимостта - v = ((P/(Th-Te)-A)/B)/n, където: P е подаваната към нагревателя мощност; Th е температурата на подгрявания терморезистор; Te е температура на неподгрявания терморезистор; а A, B и n са коефициенти. Стойностите на коефициентите A, B и n се определят при калибриране на разходомера на специален стенд с въздух и се записват в паметта на контролера. При използване на уреда за измерване на газови смеси, получените стойности на коефициентите А и B при калибриране с въздух се преизчисляват по специални формули, зависещи от състава на сместа. Те се записват в паметта на контролера за конкретната газова смес. Въведените в контролера стойности на коефициентите обикновено могат да се проверят на дисплея на електронния блок. Измервателният модул през зададен период от време измерва стойността на термосъпротивленията и ги подава в електронния блок, където те се преобразуват в температура. На базата им се изчислява скоростта на потока газа и неговия разход. От данните за скоростта на потока газ е възможно да се определи както обемният, така и масовият разход на газа в тръбопровода.
Определяне на обемния и масовия разход
Определянето на обемния разход на газа се изчислява по формулата Q = V.S, където: Q е обемният разход на газа, м3/ч, V – скоростта на потока на газа, м/ч, а S - сечението на тръбопровода, м2. В паметта на контролера се записва диаметърът на чистото сечение (Ду) на тръбопровода.
Масовият разход на газа се изчислява по зависимостта M = Q . P, където: M е масовият разход на газа, т/ч, Q – обемният разход на газа, м3/ч, а P – плътността на газа (или газовата смес), кг/м3. Съответно, в паметта на контролера се записва стойността на плътността на газа (или газовата смес), Р.
Устройството на термоанемометричен разходомер е показано на фиг. 4. От едната страна на носещата тръба е монтиран чувствителният елемент 2, състоящ се от терморезистори и нагревател. Той се херметизира с уплътнение 3 и гайка 4. От другата страна на носещата тръба се разполага корпусът на електронния блок. Той е разделен на две части, затворени с капаци 5 и 6. В едната част се намира електронният модул 1, а в другата клеморедът.
Изброените измервателни методи се характеризират с редица недостатъци при широк диапазон на измерване, както и при вариране на температурата на флуида. С цел избягването им се използват термоанемометрични методи на измерване на разход динамично подгряване на термодатчика При него се регистрират характеристиките на подгряване и охлаждане, които са свързани с условията на топлообмен, а следователно и с разхода на флуида. Динамичен енергиен режим на работа на термодатчика в топлинните разходомери се реализира чрез импулсно въздействие върху нето - позиция 1 на фигура 5. За целта се подава електрическа мощност DW от импулсния захранващ блок 2.
Временната характеристика Dt на динамичния процес на подгряване или изстиване на термодатчика се изолира в блок 3 и се подава към блока за контрол или управление 4. Еднозначната връзка на разхода Q на газа или течността с временната характеристика Dt на динамичния топлинен процес на термодатчика осигурява процеса на измерване.
Масовите разходомери с нискоинерционни термодатчици използват динамичен режим на термодатчика и регистриране продължителността на преходния процес на изстиване след импулсното енергийно въздействие. За да бъде реализирано това към термодатчика, се подава последователност от импулси с електрическа мощност DW, с постоянна продължителност t1 и постоянна пауза t2 (фиг. 6). Дължината на импулса на енергийното въздействие DW следва да осигури подгряване на термодатчика до установена температура, на която съответства електрическо съпротивление RTo. Времето на изстиване tпер на термодатчика във вид на метален проводник е еднозначно свързано с топлинната времеконстанта t на проводника. Известно е, че tпер » 3 t, следователно това време е свързано и с разхода Q на флуида и не зависи от промяната на температурата на газа или течността.
Термоанемометрични методи в разходомерите за въздух
В разходомерите за въздух се използват термоанемометрични методи с измерване времето на подгряване на термодатчика до неговата характеристична стойност на температурата То и електрическо съпротивление RTo (фиг.7).
В този случай на термодатчика се подава импулсно енергийно въздействие DW. То се прекратява, когато температурата на термодатчика достигне нейната характеристична стойност То(RTo). Продължителността на нагряване на термодатчика t1 до характеристичната стойност То(RTo) се определя от условията на топлообмен на термодатчика с измервания флуид, следователно и с неговия разход. Предимство на метода е бързината на измерване, която може да бъде зададена чрез характеристичната стойност на температурата То на термодатчика.
При измерване на бързопроменящи се разходи се използват термоанемометрични методи с комутация на енергийното състояние на термодатчика между зададени характеристични стойности на електрическото съпротивление RT на термодатчика при неговото нагряване и изстиване (фиг. 8). Вследствие на енергийното въздействие DW термодатчикът се подгрява, достигайки температура, съответстваща на електрическо съпротивление RT’. В този момент, подаването на енергийното въздействие се прекратява и термодатчикът започва да изстива, докато достигне електрическо съпротивление RT”. Достигането на температурата на термодатчика до характеристичното значение, съответстващо на RT”, води до възстановяване на енергийното въздействие DW на термодатчика. Това предизвиква повторното му нагряване до достигане на RT’. Честотата на подгряване и изстиване на термодатчика между фиксираните температурни стойности е еднозначно свързана с условията на топлообмена, а следователно и с разхода Q на измервания флуид.
Технически характеристики на топлинни разходомери
Измерваните от уредите параметри са: скорост на флуида (м/с), масов разход (кг/ч) и разход при нормални условия (нм3/ч).
l Точността на измерване е в диапазона ±0,5 ё 2%, повторяемостта е средно ±0,25%, грешката от промяна на температурата на флуида обикновено се движи в границите ±0,05%/°С, а грешката от промяна на налягането - 0.2%/bar;
l Времето за реакция на уреда най-често е в интервала 250msё7s;
l Диапазонът на измерване на топлинните разходомери обикновено е от 0ё0,01 m/s до 0ё3400 m/s;
l Необходимо време за подгряване е от порядъка на 10 min;
l Диаметърът на тръбопровода, към който се монтират произвежданите топлинни разходомери, е от 3 до 3000 mm;
l Предлагат се топлинни разходомери с т.нар. двойна калибровка. Благодарение на нея, потребителят би могъл да избира между две скали на измерване или два, или три различни газа. Ниският обхват на измерване следва да е по-голям или равен на 10% от високия обхват на измерване. За някои приложения обхватът на предлаганите уреди се мащабира до 1000:1;
l Налягането на газа е в интервала от 8 ё 70 bar;
l Загубите на налягане в този тип разходомер са незначителни;
l Техническата спецификация на този тип уреди включва - допустима температура на измервания газ от -45 °С до 450 °С, допустима температура на околната среда от -20 до 50 °С и температура на съхранение от -40 °С до 80 °С. Захранващото напрежение на уредите е 11 ё 30 VDC или 100ё240 VAC. Изходните сигнали обикновено са напреженови 1ё5V, 0ё5Vи 0ё10V, както и токови 4ё20 mA. Токовият сигнал би могъл да бъде активен галванически неразделен и пасивен галванически разделен. Някои модели опционално поддържат HART комуникация.
l Съществуват и модели топлинни разходомери, взривозащитено изпълнение;
l Някои модели уреди предлагат възможност за настройка на аварийни сигнали;
l Повечето топлинни разходомери разполагат с течнокристален дисплей и бутони за настройка. Стандартно, параметрите, които се настройват, са: нула и обхват на измерване, време за реакция, коефициент за корекция, аварийни стойности и дименсии;
l За конфигуриране с външно устройство се използва интерфейс RS-232. При свързване към система за контрол и/или управление, някои пакети програмно осигуряване позволяват да се настройва: зона на нечувствителност на аварийните граници, нулиране, настройване на линейността, конфигуриране, регистриране на разхода във времето, обработка на данните в съответни програми, както и диагностициране на разходомера;
l Разработени са и модели топлинни разходомери, разполагащи с вградено сумиращо устройство. Те предлагат възможност за изчистване на натрупания разход с помощта на бутон на панела или с програмно осигуряване;
l Присъединяването на уредите към тръбопровода най-често се осъществява на резба или фланцево.
l Важна конструктивна характеристика на разходомерите е материалът, контактуващ с измерваната среда. Сондата обикновено се изработва от неръждаема стомана, а датчикът от керамика, епоксидна смола и стъкло.
Сондови и проточни разходомери
Според конструкцията си, топлинните разходомери се разделят на две основни групи - сондови и проточни. Сондовите (фиг. 9) се монтират посредством резбова или фланцева връзка към тръбопровода. Дълбочината на монтиране се определя от диаметъра на тръбопровода, дебелината на стената му, както и от размера на монтажния щуцер, така че термодатчикът да бъде в средата на потока. Стрелката на корпуса на уреда трябва да съвпада с посоката на движение на флуида. Някои производители предлагат възможност за монтаж на разходомера под налягане (без прекъсване на производствения процес).
Проточните топлинни разходомери се монтират посредством фланцева връзка към тръбопровода. За коректното им функциониране също е необходимо да се спази посоката на движение на флуида.
По отношение и на двете групи разходомери има изискване за прав участък на тръбопровода преди и след прибора. Дължината на този прав участък се определя в зависимост от наличието на стесняващи или разширяващи устройства, колена, вентили и регулиращи клапани. Тя е доста голяма, тъй като е необходимо стойностите на скоростта в цялото сечение на потока да са изравнени, защото измерването се извършва в една точка.
Други конструктивни решения
Разновидност на топлинните разходомери са регулаторите за разход на газ. Те обединяват в общ корпус разходомер и регулиращ клапан, който се управлява директно от измервателния прибор и спестява използването на допълнителен контролер.
Нестабилността на потока въздух или газ, което е често срещано в промишлените тръбопроводи с голям диаметър и в комини, усложнява процеса на измерване и е почти невъзможно да се осъществи с едноточково мерене. По тази причина са разработени многоточкови топлинни разходомери (фиг. 10), които измерват скоростта в различни точки от сечението. Предлагат се уреди с възможност до 16-точково измерване. Изходните сигнали от всеки измервателен елемент се сумират в електронния блок и дават точно показание на сумарния разход, който преминава по цялото сечение на тръбопровода.
Приложна област и предимства
Топлинните разходомери се използват за измерване разхода на факелни газове; въздух за горене, подаван към котли и пещи; водород; азот; аргон; въглероден диоксид; хлор, технологични и горими газове, както и биогазове.
Сред основните предимства на топлинните разходомери е ниската им инерционност, високата им чувствителност, както и точността и компактността им. Цената им е сравнително ниска. Датчиците, с които работят уредите, са надеждни и с дълъг експлоатационен срок. В конструкцията им отсъстват движещи се части. Характеризират се с широки граници на измерване, а както вече бе посочено, могат да измерват в два обхвата. Топлинните разходомери директно измерват масов разход, без необходимост от корекция по температура и налягане. Не внасят загуби на налягане в тръбопровода. Върху дисплеите, с които голяма част от уредите разполагат, се визуализира скоростта на флуида, моментният и натрупаният разход. Също така съвременните топлинни разходомери дават възможност за полево конфигуриране и диагностика.
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 8/2024
