Termiczny przepływomierz masowy

Konstrukcja podgrzewanej rury
Przepływomierze z podgrzewaną rurą zostały opracowane w celu ochrony elementów grzejnych i czujników przed korozją i wszelkimi efektami powlekania powstałymi w procesie. Dzięki zamontowaniu czujników na zewnątrz rurociągu elementy czujnikowe reagują wolniej, a związek między przepływem masowym a różnicami temperatur staje się nieliniowy. Ta nieliniowość wynika z faktu, że wprowadzone ciepło jest rozprowadzane na pewnej części powierzchni rury i przekazywane do płynu procesowego z różną szybkością na całej długości rury.

Temperatura ścianek rury jest najwyższa w pobliżu grzejnika, natomiast w pewnej odległości nie ma różnicy pomiędzy temperaturą ścianki a temperaturą płynu. Dlatego też temperaturę nieogrzanego płynu (Tf) można zmierzyć mierząc temperaturę ścianki w miejscu oddalonym od grzejnika. Ten proces wymiany ciepła jest nieliniowy i odpowiadające mu równanie różni się od powyższego w następujący sposób: m0.8=Kq/(Cp(Tw – Tf)).

Ten przepływomierz ma dwa tryby pracy: jeden mierzy przepływ masowy, utrzymując stały pobór mocy elektrycznej i wykrywając wzrost temperatury. Drugi tryb utrzymuje stałą różnicę temperatur i mierzy ilość energii elektrycznej potrzebnej do jej utrzymania. Ten drugi tryb pracy zapewnia znacznie większą zakresowość miernika.

Konstrukcja typu obejściowego
Wersja obejściowa termicznego przepływomierza masowego została opracowana do pomiaru większych przepływów. Składa się z cienkościennej rurki kapilarnej (o średnicy około 0,125) i dwóch zewnętrznie nawiniętych, samonagrzewających się, oporowych czujników temperatury (RTD), które podgrzewają rurkę i mierzą wynikający z tego wzrost temperatury. Czujnik jest umieszczony w obejściu wokół zwężenia w głównej rurze i ma wymiary umożliwiające pracę w obszarze przepływu laminarnego w pełnym zakresie roboczym.

W przypadku braku przepływu grzejniki podnoszą temperaturę rury obejściowej do około 160 stopni F powyżej temperatury otoczenia. W tych warunkach występuje symetryczny rozkład temperatury na całej długości rury. Kiedy ma miejsce przepływ, cząsteczki gazu przenoszą ciepło w dół strumienia, a profil temperatury przesuwa się w kierunku przepływu. Mostek Wheatstone'a podłączony do zacisków czujnika przekształca sygnał elektryczny na masowe natężenie przepływu proporcjonalne do zmiany temperatury.

Niewielki rozmiar rurki obejściowej umożliwia zminimalizowanie zużycia energii elektrycznej i zwiększenie szybkości reakcji pomiaru. z drugiej strony, ze względu na małe rozmiary, niezbędne są filtry zapobiegające zatykaniu. Poważnym ograniczeniem jest wysoki spadek ciśnienia (do 45 psi) niezbędny do wytworzenia przepływu laminarnego. Jest to zazwyczaj akceptowalne tylko w przypadku zastosowań z gazem pod wysokim ciśnieniem, gdzie w każdym przypadku należy zmniejszyć ciśnienie.

Jest to przepływomierz o niskiej dokładności (2% pełnej skali), wymagający niewielkiej konserwacji i tani. Pakiety elektroniczne w jednostkach umożliwiają gromadzenie danych, rejestrację wykresów i komunikację z komputerem. Urządzenia te są popularne w przemyśle przetwórstwa półprzewodników. Nowoczesne jednostki są również dostępne jako kompletne pętle regulacyjne, zawierające sterownik i automatyczny zawór regulacyjny.

Sondy prędkości powietrza
Czujniki przepływu masowego typu sonda służą do pomiaru przepływów powietrza i są niewrażliwe na obecność umiarkowanych ilości pyłu. Utrzymują różnicę temperatur pomiędzy dwoma czujnikami RTD zamontowanymi na rurce czujnika. Górny czujnik mierzy temperaturę otoczenia gazu i stale utrzymuje drugi czujnik RTD (w pobliżu końcówki sondy) na poziomie 60 stopni F powyżej temperatury otoczenia. Im większa prędkość gazu, tym większy prąd jest wymagany do utrzymania różnicy temperatur.

Inną wersją sondy prędkości jest termiczny przepływomierz masowy typu Venturiego, który umieszcza podgrzewany czujnik przepływu masowego na minimalnej średnicy elementu przepływowego Venturiego i sondę kompensującą temperaturę za nim. Sito wlotowe miesza przepływ, aby zapewnić równomierną temperaturę. Konstrukcja ta stosowana jest zarówno do pomiaru gazów, jak i cieczy (w tym zawiesin), przy czym zakres przepływu jest funkcją wielkości zwężki Venturiego. Spadek ciśnienia jest stosunkowo niski, a precyzja zależy od znalezienia właściwej głębokości wprowadzenia sondy.

Dostępna jest również wersja z czujnikiem przepływu, która zawiera dwa czujniki temperatury w końcówce. Jeden z czujników jest podgrzewany, a różnica temperatur jest miarą prędkości. Przełącznik może służyć do wykrywania wysokiego lub niskiego przepływu w zakresie 5%.