ТЕПЛОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

В тепловых системах автоконтроля измерение скорости потока производится либо по охлаждению нагретого тела, помещенного в поток, либо по переносу тепловой энергии между двумя точками, расположенными вдоль потока. В зависимости от этого тепловые расходомеры могут быть разделены на термоанемометры, принцип действия которых основывается на уносе потоком тепла от нагретого тела и измерении электрических параметров последнего, и калориметрические расходомеры, принцип действия которых основывается на переносе потоком тепла от нагревателя на соответствующий измеритель. Интенсивность переноса исследуемым потоком тепловой энергии является мерой скорости потока. В таких приборах тепловая энергия играет роль промежуточного измерительного параметра.

Калометрические расходомеры. Калориметрические расходомеры основаны на нагреве потока газа или жидкости посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур, зависящую от массового расхода потока  и расхода тепла  в нагревателе.

Существует два способа измерения расхода калориметрическими расходомерами:

• расход потока определяют по величине мощности, потребляемой нагревателем и обеспечивающей постоянную разность температур;
• расход определяют по разности температур  при неизменной мощности, подводимой к нагревателю.

Расходомеры, измеряющие расход по первому способу, работают как регуляторы температуры нагрева потока, у которых измерительным и регулирующим звеном является уравновешенный мост с термометрами сопротивления, измеряющими температуру до и после нагревателя. При изменении разности температур мост выходит из равновесия и включает устройство, которое изменяет величину регулировочного сопротивления. Сопротивление, а следовательно, и ток нагревателя будут изменяться до тех пор, пока не восстановится заданная степень нагрева. Массовый расход при этом определяется по показаниям ваттметра, включенного в цепь нагревателя.

Калориметрический расходомер, осуществляющий измерения по второму способу, схематически показан на рис. 20. Датчик прибора представляет собой два последовательно соединенных термометра сопротивления 1 и 3. Последовательное соединение обеспечивает равенство токов в термометрах, что позволяет градуировать их непосредственно по разности температур до и после нагревателя 2.

Для измерения температур потока в калориметрических расходомерах, кроме термометров сопротивления, используются также термисторы и термопары. Термометры сопротивления обладают тем преимуществом, что их можно выполнить в виде равномерной сетки, перекрывающей все сечение потока, и таким образом измерять среднюю по сечению температуру.

Калориметрические расходомеры обладают высокой точностью, оцениваемой погрешностью ± (0,5—1)% от верхнего предела измерений, достаточно большим диапазоном измерений (10:1 и выше) и возможностью измерения пульсирующих расходов.

Недостатками их являются сложность измерительной схемы и нестабильность характеристик, связанная с коррозией приемных устройств и осаждением на них различных частиц, приносимых потоком.

Термоанемометры. В настоящее время для измерения скоростей нестационарных газовых потоков получили широкое распространение термоанемометры. Принцип их действия основан на зависимости между количеством тепла, теряемого нагретым измерительным элементом, и скоростью омывающего его потока. Применяемые схемы термоанемометров могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся устройства, в которых термоэлемент (тонкая металлическая проволочка или пленка) включается в качестве одного из плеч непосредственно в измерительный мост. Эти термоанемометры могут выполняться как с переменной, так и с постоянной температурой термоэлемента. Измерение скорости потока производится по изменению сопротивления термоэлемента — при постоянной силе тока или по изменению силы тока — при постоянных сопротивлении и температуре термоэлемента.

Ко второй группе относятся устройства, у которых приемник состоит из нагреваемой проволочки и термопары или термистора, предназначенных для измерения температуры самой проволочки. В этом случае измерение скорости потока производится по изменению температуры проволочки при постоянной мощности или постоянной силе тока. Устройства второй группы, как правило, обладают гораздо большей инерционностью, чем устройства первой группы.

Чувствительный элемент термоанемометра выполняется из платиновой (реже вольфрамовой или никелевой) проволоки диаметром 0,005—0,3 мм и длиной 3—10 мм. С уменьшением диаметра термонити уменьшается ее инерционность, но одновременно также уменьшается ее прочность и возрастает опасность старения.

Нить термоанемометра подвержена аэродинамической нагрузке, которая зависит от отношения длины нити к ее диаметру, и ударной нагрузке, возникающей при бомбардировке ее твердыми частицами, перемещающимися вместе с потоком. В результате вибраций вилки зонда, возникающих вследствие пульсаций воздушного потока, нить испытывает вибрационную нагрузку, которая может вызвать ее разрушение. Если вибрационная нагрузка недостаточна для разрушения нити, то следствием ее являются пульсации сопротивления нити, которые могут вносить существенные погрешности в измерение. В качестве чувствительных термоэлементов находят также применение тонкие металлические пленки, нанесенные на стеклянное или керамическое основание и обладающие рядом преимуществ по сравнению с проволочными чувствительными элементами.

. Температура термонити должна быть по возможности высокой, так как.при ее увеличении повышается чувствительность приемника и уменьшается влияние колебаний температуры потока. Однако значительное повышение температуры проволоки может вызвать изменение структуры металла и тем самым «снос» градуировочных кривых прибора.

Основным недостатком термоанемометров является существенное влияние на их показания температуры, давления и различных теплофизических параметров потока.

Погрешности термоанемометров до настоящего времени не изучены.