Калориметрический способ определения расхода

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к тепловым методам измерения расхода газов, и может найти применение в производствах, использующих большое количество различных по свойствам газов, например в производстве интегральных схем, оптических волокон. Сущность изобретения: повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности массового расхода и теплоемкости вспомогательного потока. Для этого формируют дополнительный участок трубопровода без измерительного потока, нагревают его, обдувают вспомогательным потоком, измеряют разность температур вспомогательного потока на входе и выходе дополнительного участка, а измеряемый расход определяют по формуле, приведенной в описании. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тепловым методам измерения расхода газов, и может найти применение в производствах, использующих большое количество различных по своим свойствам газов, например в производствах интегральных схем, оптических волокон.

Известен калориметрический способ измерения расхода (см. а.с. N 883658, кл. G 01 F 1/68, 1981), основанный на том, что измеряемый поток нагревают и измеряют разность температур на входе и выходе измерительного участка, кроме того, весь измерительный участок обдувают вспомогательным потоком с известным расходом и теплоемкостью и измеряют разность температур вспомогательного потока на входе и выходе измерительного участка. Величину расхода измеряемого потока G_попределяют по формуле G_п= где Р_н - мощность нагревателя; G_в - расход вспомогательного потока; С_в, ρ_в - соответственно теплоемкость и плотность вспомогательного потока; С_п, ρ_п - соответственно теплоемкость и плотность измеряемого потока; Δ T_в^l,Δ T_п - соответственно разность температур на входе и выходе измерительного участка вспомогательного и измеряемого потоков.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения расхода, обусловленная влиянием нестабильности массового расхода и теплоемкости вспомогательного потока и неконтролируемых тепловых потерь датчика на величину измеряемого расхода.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности массового расхода, теплоемкости вспомогательного потока, а также за счет уменьшения влияния тепловых потерь датчика.

С этой целью в калориметрическом способе измерения расхода по а.с. N 883658 формируют дополнительный участок трубопровода без измерительного потока, нагревают его, обдувают вспомогательным потоком и измеряют разность температур вспомогательного потока на входе и выходе дополнительного участка трубопровода, а измеряемый расход G_п определяют по формуле G_п= / где Р_н1 - количество тепла, отдаваемое нагревателем на измерительном участке; Р_н2 - количество тепла, отдаваемое нагревателем вспомогательного потока на дополнительном участке нагрева; Δ Т_в1, Δ Т_п - соответственно разность температур вспомогательного и измеряемого потоков на входе и выходе измерительного участка; Δ Т_в2 - разность температур вспомогательного потока на входе и выходе дополнительного участка нагрева;
С_п, ρ_п - соответственно теплоемкость и плотность измеряемого потока.

Формирование дополнительного участка с нагревом трубопровода, обдуваемого вспомогательным потоком, и измерение непрерывное разности температур последнего на входе и выходе дополнительного участка позволяют полностью исключить влияние таких параметров, как расход, плотность и теплоемкость вспомогательного потока, на величину измеряемого расхода, а следовательно, увеличить точность его определения.

На чертеже представлена схема калориметрического расходомера для осуществления предлагаемого способа.

Расходомер содержит измерительную трубку 1, на которой намотан электрический нагреватель 2 и установлены термодатчики 3 и 4. Измерительный участок с нагревателем 2 заключен в рубашку 5, на входе и выходе которой размещены термодатчики 6 и 7. Рубашка 5 соединена с трубкой 8, внутри которой установлен дополнительный нагреватель 9, подключенный к источнику 10 питания последовательно с нагревателем 2. До и после нагревателя 9 по ходу вспомогательного потока установлены термодатчики 11 и 12.

Способ осуществляется следующим образом.

Измеряемый поток пропускают через измерительную трубку 1 и контролируют его температуру термодатчиками 3 и 4. Вспомогательный поток пропускают через рубашку 5 и трубку 8, контролируя его температуру на измерительном участке термодатчиками 6 и 7, а на участке дополнительном - термодатчиками 11 и 12.

Значение измеряемого расхода G_п определяют по формуле
(1) где С_п, ρ_п - соответственно теплоемкость и плотность измеряемого потока;
Р_н1 - количество тепла, отдаваемое нагревателем на измерительном участке;
Р_н2 - количество тепла, отдаваемое нагревателем на дополнительном участке;
ΔТ_в1, Δ Т_п - соответственно разность температур вспомогательного и измеряемого потока на входе и выходе измерительного участка;
ΔТ_в2 - разность температур вспомогательного потока на входе и выходе дополнительного участка нагрева.

Уравнение теплового баланса на измерительном участке должно быть записано в виде:
Р_н1 = Q_п + Q_в1 + Q_п1, (2) где Q_п - количество тепла полученное измеряемым потоком;
Q_в1 - количество тепла, получаемое вспомогательным потоком на измерительном участке;
Q_п1 - тепловые потери в окружающую среду на измерительном участке; или
Р_п1 = G_п С_п ρ_п ΔТ_п + G_в С_в ρ_в ΔТ_в1 + + Q_п1, (3) где G_в - расход вспомогательного потока;
С_в, ρ_в - соответственно теплоемкость и плотность вспомогательного потока.

Уравнение теплового баланса на дополнительном участке нагрева запишется:
Р_н2 = Q_в2 + Q_п2, (4) где Q_в2 - количество тепла, получаемое вспомогательным потоком на дополнительном участке нагрева;
Q_п2 - тепловые потери в окружающую среду на участке дополнительного нагрева; или
Р_н2 = G_в С_в ρ_в ΔТ_в2 + Q_п2 . (5)
Преобразовав выражение (5) в виде
G_вC_вρ_в= (6) и подставив (6) в (3), получим:
G_п= + (7)
Известно, что тепловые потери в окружающую среду Q_п пропорциональны коэффициентам теплопередачи К, площади поверхности теплопередачи F и средней разности температур двух сред δТ, т.е.

Q_п = kF δТ, (8) где K = ;
α_в - коэффициент теплоотдачи от вспомогательного потока к рубашке;
δ - толщина рубашки;
λ - коэффициент теплопроводности материала рубашки;
α_о - коэффициент теплоотдачи от рубашки в окружающую среду.

Приняв, что температуры вспомогательного потока на измерительном участке и на дополнительном участке изменяются по одинаковому закону, например, для участка с равномерно распределенным нагревателем, имеем для измерительного участка δT= и для дополнительного участка нагрева δT= . Тогда при идентичности конструктивных параметров и материалов обоих рубашек и при их размещении в одном корпусе можно записать
Q_п1=kF, (9)
Q_n2= kF. (10) Подставив выражения (9) и (10) в уравнение (7), получим формулу для расчета расхода измеряемого газа в виде:
₊ (11)
В реальных условиях второе слагаемое уравнение (11) не равно нулю, но стремится к нему, так как представляет собой разность двух близких по значению величин. Поэтому можно принять, что
(12) В результате уравнение (11) примет вид
(13)
Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что на результаты определения расхода не влияют такие параметры, как величина расхода, плотность и теплоемкость вспомогательного потока. Кроме того, реализация предложенного способа позволяет уменьшить влияние тепловых потерь на точность измерения расхода.

Формула изобретения

КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА, состоящий в нагреве измеряемого потока на измерительном участке трубопровода, измерении разности температур ΔT_п на входе и выходе измерительного участка трубопровода, обдувании измерительного участка трубопровода вспомогательным потоком с известной плотностью ρ_п и теплоемкостью C_п, измерении разности температур ΔT_B1 вспомогательного потока на входе и выходе измерительного участка трубопровода и обработке результатов измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, формируют дополнительный участок трубопровода без измеряемого потока, нагревают его и обдувают вспомогательным потоком, непрерывно измеряя разность температуры ΔT_B2 вспомогательного потока на входе и выходе дополнительного участка трубопровода, а при обработке результатов измерения находят значение расхода G_и по формуле
G_и= ,
где P_н1 - количество тепла, отдаваемое нагревателем на измерительном участке трубопровода;
P_н2 - количество тепла, отдаваемое нагревателем на дополнительном участке трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1