Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

ультразвуковых расходомеров отличается некоторой сложностью. Поэтому эти расходомеры применяются лишь в особо трудных условиях измерений, характеризующихся повышенными агрессив­ ностью и температурой измеряемого потока. В ряде случаев этот метод практически единственно возможен (например, при измерении потоков неэлектропроводных суспензий и пульп или в трубопрово­ дах сверхкрупных сечений).

Электромагнитные расходомеры. Для измерений в потоках элек­ тропроводных жидкостей применяется электромагнитный расходо­ мер, представляющий собой отрезок трубы (обычно круглого или прямоугольного сечения) из немагнитного материала, расположен­ ный между полюсами магнита. В протекающей по трубе среде за счет взаимодействия с магнитным полем наводится э. д. с., пропор­ циональная средней по сечению скорости потока

где k — коэффициент пропорциональности; Н — напряженность магнитного поля; d — диаметр (в случае круглой трубы) или ши­ рина трубы (в случае прямоугольного сечения). Измерение э. д. с. производится с помощью двух электродов, расположенных в стенке трубы на линии, перпендикулярной магнитному потоку. Электроды имеют электрический контакт с жидкостью, но изолированы от трубы. Величина э. д. с. невелика; чувствительность преобразователя обычно составляет 0,1—0,2 мв-с/см3. Для устранения влияния изменений электропроводности жидкости входное сопротивление регистрирую­ щего прибора должно быть настолько большим, чтобы возможные изменения сопротивления жидкости незначительно сказывались на общем сопротивлении цепи.

В случае использования постоянного магнитного поля электро­ магнитные расходомеры практически безыинерционны, однако при этом возникает поляризация электродов. С целью исключения этого нежелательного явления используются электромагниты, питаемые переменным током промышленной или повышенной частоты. Воз­ можности измерения переменных расходов в этом случае ограничены. Значительное повышение частоты магнитного возбуждения затруд­ няется индуктивной связью питающей и измерительной цепей, ем­ костным сопротивлением преобразователя и линии связи. В трубо­ проводах круглого сечения наведенная э. д. с. зависит от распреде­ ления скорости по сечению и, следовательно, от числа Re. Если рабочий участок канала преобразователя расходомера имеет прямо­ угольную форму, две противоположные стенки которого являются усредняющими электродами, то показания расходомера не зависят от распределения скорости по поперечному сечению [148] и, следо­ вательно, не зависят от вязкости, плотности и других физических свойств потока. Расходомеры могут применяться и в тех случаях, когда жидкости содержат газовые пузыри, взвешенные частицы и твердые включения при условии, что эти включения не создают осадка на электродах, изолирующего их от жидкости. Во всех этих случаях

373

расходомером регистрируется объемный расход смеси. Электромаг­ нитные расходомеры могут успешно применяться для измерений в потоках, имеющих электропроводность не менее 10" 9 Ом- 1 -см-1; многие технически важные жидкости не обладают необходимым уровнем электропроводности (так, например, нефть и нефтепродукты имеют электропроводность ~ 5-10“ 17 Ом_1 -см“1). Основная при­ веденная погрешность расходомеров с магнитным возбуждением, частотой 50 Гц обычно составляет ± (0,5ч-1)% [6 8 ]. При постоян­ ном магнитном возбуждении или при использовании высокой ча­ стоты основная погрешность превышает названную величину.

Расходомеры с контролем движения меток. С помощью таких устройств в некотором небольшом объеме потока создается изменение каких-либо легко регистрируемых свойств среды и обеспечивается измерение скорости сноса «помеченного» таким образом объема. Скорость перемещения метки определяется по двум сигналам: с воз­ будителя и приемника (или с двух приемников), расположенных

свойств потока может быть вызвано различными воздействиями на поток: механическим (кратковременная закрутка); объемным (вве­ дение в поток порций среды другого состава, свойств или состояния: радиактивного вещества, газовых пузырей в жидкость, вещества иной оптической плотности, порций подогретого вещества); электри­

пени намагничивания измеряемой жидкости); тепловым (быстрый подогрев небольшого количества измеряемого вещества). Возможны три режима работы таких расходомеров [3].

I. Периодически или по требованию возбуждаются метки и изме­ ряется время At.

II. Возбудитель и приемник соединяются цепью обратной связи так, что в момент прихода метки к приемнику возбуждается следую­ щая метка. В этом случае выходным сигналом является частота сле­ дования меток

III. Регистрируемое изменение свойств осуществляется гармо нически и измеряется сдвиг фаз между возбужденным и принятым сигналом, равный

соAt — со — ,

где со — угловая частота колебаний изменяемого параметра среды (например, степени ионизации).

При выборе метода воздействия на поток необходимо учитывать ряд обстоятельств, снижающих точность измерения расхода. Точ­ ность регистрации скорости сноса v (помимо аппаратурных погреш-

374

костей) зависит от уровня неопределенности отсчета моментов вре­ мени t-L и 12, определяющих интервал At, которая, в свою очередь, зависит от четкости границ помеченного объема VM. Большинство меток размывается при движении, четкость границ объема VM па­ дает, интенсивность меток уменьшается. Наибольшей четкостью обладают метки в виде воздушных пузырей в потоках жидкости при малых диаметрах трубопроводов, когда один пузырь полностью заполняет поперечное сечение канала. Малая четкость свойственна, например, ионизационным или тепловым меткам в крупных трубо­ проводах.

Кроме погрешностей определения скорости v на точность изме­ рения расхода влияет неопределенность связи между скоростью v сноса объема VM и средней скоростью потока wcp. Если метка не заполняет всего поперечного сечения канала, то v близка к мест­ ной скорости потока. Связь между местной и средней скоро­ стями зависит от режима течения и может существенно изме­ няться в диапазоне работы расходомера. Если создание метки связано с изменением свойств основного потока (температура, зави­ хрение), то возможно проскальзывание помеченного объема VMотно­ сительно потока. Отмеченные недостатки расходомеров с контролем движения меток сужают их пределы измерения и ограничивают точ­ ность [относительная погрешность примерно ± (2 -5-5 )%].

5. Измерение массовых расходов

При проведении теплотехнических исследований, в конечном счете, всегда необходимо определение не объемных, а массовых рас­ ходов потоков, так как тепловые, силовые или иные энергетические преобразования, происходящие в объектах исследования опреде­ ляются не объемом, а количеством массы рабочих тел — носителей энергии. Объемные расходомеры могут использоваться только тогда, когда с необходимой точностью известна плотность потока в моменты измерений. В противном случае необходимы специальные измери­ тели массового расхода жидкостей, газов, их смесей или потоков, содержащих твердые включения различных размеров. Многочислен­ ные предложенные и проверенные в действии схемы массовых расхо­ домеров в соответствии с условиями применения могут быть отне­ сены к одной из трех категорий.

Наиболее просто осуществляется измерение массовых расходов гомогенных потоков при постоянной плотности или при ее медлен­ ном и небольшом изменении. В этих случаях измерения могут про­ водиться или с помощью тепловых расходомеров, или схем, состоя­ щих из объемного расходомера и плотномера, или комбинированных схем, составленных из двух объемных расходомеров разного прин­ ципа действия.

Для измерений в гомогенных потоках с быстрым и значительным изменением плотности разработано большое количество конструкций приборов, в основу действия которых заложен один общий принцип: возбуждение в потоке такого дополнительного движения, при

375

котором проявляется действие массовых сил, измеряемое соответст­ вующими преобразователями.

Наименее разработаны в настоящее время расходомеры, пригод­ ные для использования в гетерогенных потоках. Рассмотрим подроб­ нее некоторые характерные способы измерения массовых расходов, применяемые в различных условиях.

Измерение массового расхода при маломеняющейся плотности.

В этих условиях находят применение тепловые расходомеры, в основу действия которых положена зависимость теплового со­ стояния приемного преобразователя расходомера (включающего в себя посторонний источник энергии) от расхода потока, омываю­ щего преобразователь. Количество тепловой энергии QT, отдаваемой нагревателем в поток жидкости в единицу времени, зависит от вели­ чины коэффициента теплоотдачи а и разности между температурой поверхности нагревателя и температурой жидкости, т. е.

в п. 3 гл. IV, коэффициент теплоотдачи определяется из эмпирических критериальных зависимостей вида

Nu = aRemPr'l ( ^ ) r .

Если поток изотермический и его физические свойства постоянны,

то

Nu = cRem,

откуда и устанавливается связь между а и массовым расходом pQ

Здесь к — коэффициент теплопроводности; ц — динамическая вяз­ кость потока; d — диаметр трубопровода (характеристический раз­ мер в критериях подобия). С учетом (XI.41) уравнение (XI.40) можно переписать в виде

представляющем собой общее выражение статической характери­ стики тепловых расходомеров. Из (XI.42) видно, что возможны две измерительные схемы: измерение температуры при постоянстве подводимой мощности и измерение мощности нагревателя при под­ держании постоянного перепада температур At. 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 тепло­ вого пограничного слоя (рис. 158) [67]. В калориметрических рас­ ходомерах тепло от нагревателя мощностью Рн переносится массой

376

измеряемого потока к термоприемнику t 2. В расходомерах теплового пограничного слоя основная масса потока не участвует в тепло­ обмене; перенос тепла осуществляется массой потока, заключенной

вего тонком тепловом подслое. В термоанемометрических расходо­ мерах происходит изменение теплового состояния металлической нити или полупроводникового элемента, помещаемых непосредственно

впоток и нагреваемых электрическим током.

Как следует из (XI.42), коэффициенты преобразования тепловых расходомеров ctSAt (или Q/cXS) зависят от ряда физических параме­ тров потока, поэтому тепловые расходомеры могут использоваться в качестве массовых только в том случае, если изменения pQ не сопровождаются изменениями коэффициентов преобразования. Ве-

Рис. 158. Принципиальные схемы преобразователей тепловых расходо­ меров: а — контактный калориметрический: б — неконтактный калориме­ трический (для жидких металлов) и теплового пограничного слоя; в — термоанемометрический

личина сг обратно пропорциональна вязкости г| в степени от. Для калориметрических расходомеров независимо от характера движе­ ния потока от = 1 ; для термометрических — при турбулентном ре­ жиме от == 0,8, при ламинарном от = 0,33. Как известно, г| сильно зависит от температуры и слабо — от давления, поэтому в первом приближении можно считать, что тепловые расходомеры измеряют массовый расход тем лучше, чем лучше выдерживается постоянство температуры потока, а это, в свою очередь, означает, что с меньшей ошибкой регистрируются небольшие изменения массового расхода, вызванные изменением скорости и давления в потоке, чем измене­ ния pQ, вызванные изменением температуры.

Точность тепловых расходомеров невелика, их основная приве­ денная погрешность обычно составляет около ± 2 %, инерцион­ ность 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 изме­ рителя объемного расхода и плотномера, в качестве измерителя Q может использоваться любой преобразователь, сигнал которого не зависит от р (например, тахометрический, электромагнитный, расхо­ домер с метками потока и др.}. Выполнение операции умножения р на Q проще всего осуществляется во внешней цепи прибора. При

377