低温工质液位与流量的热式测量方法的研究

　　1　前　言

　　在低温工程中常常要对低温工质进行液位和流量的测量。根据低温工质的特殊性,利用传热学原理进行低温液位和流量的测量是一种可行的方法。虽然, 在常温测量上热式方法存在着一些缺点,(如:仪表本身的热传导,外界环境温度的变化等都直接影响着测量仪表的工作精度。)然而,测量低温工质是在密封的环 境中进行的,外界环境温度的变化以及热传导等干扰因素可忽略,它在低温测量领域也就具有了优势。因此我们利用传热学原理并在设计中尽量克服其在常温测量中 的缺点,制作出了从低温到常温直至高温的液位计、流量计等温度适用范围非常宽的测量仪表。以下就这种仪表的原理和制作加以阐述。

　　2　自制的热式液位计和流量计的工作原理

　　与热线风速仪不同,我们并不利用热敏电阻的自热性,而是制作了这样一个传感器:它具有两个分别带有热敏电阻的探头。在其中一个探头上设置加热元 件,并制作独立的加热电路,我们就可以在不同的测量温区调整不同的加热功率以适应测量要求。两个探头测得的温度:一个为加热温度,一个为探头所接触的环境 温度。仪表工作时加热件探头与非加热件探头之间就存在着温差。作为液位计,当有不同于环境工质的另外工质浸没传感器时,由于传热的原因,两探头之间的温差 与先前没有浸没时的温差比较,必然发生变化,通过搭制的电路,可以测得这一变化,从而实现液位计的功能。至于流量计,加热件产生的热量会被流体带走,当所 测流体流量变化时,加热件与流体之间的换热量会发生变化。由此就产生了两种测量方式:其一,为了恒定加热件与非加热件的温差,就必须改变供给加热元件的功 率,据此设计一电路,测量出加热电路输出的电流,便能推导出流体流速,进而求得流量,此为恒温差方式。其二,如果恒定加热功率,么就得到一个恒热源,由于 流量变化,传感器加热件探头与非加热件探头间的温差是变化的,由此确定温差与流速之间的关系并计算出流量,此为恒热方式。

　　3　液位计、流量计理论公式推导

　　中q是每千克工质流经探头时的换热量,而换热量在流量计中可通过加热功率求得。因此热导式流量计还有它另外一个优点,就是它可测量流体的质量流量,这是其它许多测量流量的方法所不能直接得到的。

　　以我们制作的圆柱形热探头作为模型,继续推导出流量:

　　式中,α为对流换热系数;Re为雷诺数;Pr为普朗特数;λ为流体换热系数;Nu为努谢尔特数;v为运动粘度;d为加热探头直径;F为加热电阻面积;R为加热电阻阻值;u为流速。