Terminen virtausmittausperiaate

Erillisenä virtausmittarien luokkana termiset massalaitteet voidaan jakaa kahteen päätyyppiin:

"Lämmön dispersion" (eli anemometrinen) periaate (kuva 1):
Lämmitetty elementti altistuu virtaukselle. Jäähdytysnopeus on paikallisen spesifisen massanopeuden ja siten virtauksen mitta.

"Kalorimetrinen" periaate (kuva 2):
Lämpö kohdistetaan virtauksessa rajatulle alueelle. Paikallista lämpötilan nousua ja lisättyä energiaa käytetään massavirtauksen laskemiseen.

Molempia tyyppejä on saatavana markkinoilla. Joidenkin mallien suuri herkkyys on johtanut niiden laajaan käyttöön tutkimussovelluksissa. Tämä herkkyys tarkoittaa myös sitä, että mitattuun arvoon voivat vaikuttaa nesteen ominaisuudet, kuten lämmönjohtavuus ja ominaislämpöteho, tai kaasun koostumus (seosten ollessa kyseessä) ja asennusolosuhteet.

Termistä periaatetta käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa sen tarkkojen massavirtausmittausominaisuuksien vuoksi.

Termiset dispersiotyyppiset virtausmittarit voivat toimia yhden seuraavista menetelmistä mukaan: 1) vakioteho ja 2) vakio lämpötilaero.

Käyttämällä vakiotehomenetelmää elektroniikka ylläpitää vakiona sähkövirtaa ns. nopeusanturin (lämmitetty anturielementti, yleensä resistiivisen lämpötilamittarin (RTD) muodossa)). Nesteen lämpötila mitataan käyttämällä erillistä RTD:tä. Virtausnopeuden muutosten myötä lämpötilaero (ero mitatuissa lämpötiloissa nopeusanturin ja nesteen lämpötila-anturin välillä) muuttuu.

Vakiolämpötilan erotusmenetelmällä elektroniikka ylläpitää vakiona lämpötilaeroa nopeusanturin ja nesteen lämpötila-anturin välillä. Kun virtaus muuttuu, lämmitettyyn nopeusanturiin johdettu syötetty virta on säädettävä vakiolämpötilaeron ylläpitämiseksi. Käytetystä menetelmästä riippumatta mitatut muutokset (joko syötetyssä tehossa tai differentiaalilämpötilassa) ovat suoraan verrannollisia virtausnopeuden muutoksiin. Molemmissa malleissa virtausnopeuden ja lämmönsiirron välinen suhde nopeusanturissa kuvataan Kingin yhtälöllä (tai sen johdannaisella):

Tämän yhtälön muoto osoittaa herkkyyden nesteen ominaisuuksille ja toisen vaiheen merkityksen virtausnopeuden kasvaessa. Yhtälö on epälineaarinen, mutta onneksi linearisointia on helppo soveltaa digitaalisten signaalinkäsittelytekniikoiden avulla. Jotkut mallit käyttävät yhtä lämmitettyä lankaa (anemometrit ovat tässä perinteinen tyyppi), kun taas toiset käyttävät kahta termistoria referenssi- ja anturitilassa. Kuvio 1 näyttää tällaisen lämpöanturin kärjen. Neste virtaa nesteanturin (A), lämmittämättömän elementin ja nopeusanturin (B), lämmitetyn elementin, lämmön virtauksen nopeuden mittaamiseksi.

Kuvio 2 kuvaa "kalorimetristä" mittausperiaatetta, jota löytyy useista lämpövirtausmittareiden kaupallisista malleista. Lämpö syntyy virtausmittarin sisällä ja leviää virtaukseen. Kaksi anturielementtiä on asetettu siten että, voidaan mitata lämpötilan vaihtelut eri pisteiden välillä. Joskus käytetään kahta lämmitintä ja kolmea lämpötila-anturia, jotta lämpöprofiilista saadaan täydellisempi kuva. Kun virtausta ei tapahdu, kaikki lämpötila-anturit näyttävät saman lämpötilan.

Kun virtaus tapahtuu, anturit lämmitetään tai jäähdytetään toisiinsa nähden ja ilmestyy lämpötilaero ∆T, joka liittyy suoraan virtaukseen. Näitä mittarityyppejä kuvataan yhtälöllä:

Lämmön (H) levittäminen nollavirtauksella luo vääristämättömän lämpöprofiilin (A), joka liikkuu oikealle virtausolosuhteissa (b).

Yllä oleva yhtälö on vähemmän riippuvainen nesteen ominaisuuksista, vaikka vakio A-arvo kattaa johtokyvyn ja viskositeetin.

Molemmille mittausmenetelmille ("terminen dispersio" samoin kuin "kalorimetrinen") on kehitetty mallit, joissa on yksi tai useita pisteantureita, joko täysaukollisia tai bypass-tyyppiä. Tämä mahdollistaa valtavan virtausalueen kattavuuden, puhtaiden kaasujen alhaisesta virtauksesta aina lääketieteellisen käytön suuriin soihdutuskaasujen määriin purkauspinoissa.

Kaupallisesti kahta aikaisemmin kuvattua periaatetta sovelletaan päälinjaan asennettuihin ja ohitussilmukkaan asennettuihin antureihin. Kahden toimintaperiaatteen ja kahden kaupallisen mallin välillä on huomattava päällekkäisyys, etenkin huomioidaan virtausnopeus ja putken mitat. Muut tekijät, jotka voivat vaikuttaa lopulliseen mallin valintaan, riippuvat kriittisesti mitatun nesteen käytöstä ja luonteesta.

Yksinkertaisin termisen dispersion mittari on kuumalanka-anemometri. Nopeusanturi on ohut johdin, joka on valmistettu volframista, platinasta tai nikkelistä. Sekä vakioteho- että vakiolämpötilaerotyyppejä ovat kaupallisesti saatavilla. Lanka on halkaisijaltaan 0,02 mm (tyypillisesti), asennettu tukien väliin. Pieni koko tarkoittaa virtauksen minimaalista häiriötä siten, että herkkyys ja suorituskyky säilyvät. Antureita voi olla yksi tai useampi missä tahansa suunnassa (kuva 3). Monimutkaisempia malleja käytetään usein tutkimussovelluksissa.

Bypass-mallit (tai CTMF = kapillaariset termiset massavirtausmittarit, kuten ne yleisesti tunnetaan) ovat itse asiassa virtausmittareiden kalorimetrien haaran alatyyppi. Usein ne käyttävät yhdessä kapillaarisen ohituskanavan kanssa laminaarista virtauselementtiä. Kapillaariputki kytketään laminaarisen termisen massavirtauselementin sisään- ja uloskäyntiin siten, että pieni määrä päävirtaa ohjataan eri suuntaan ja siitä otetaan näyte (kuva 4). Suunnittelu takaa, että koko kaasun virtausnopeus kapillaarin läpi mitataan kiinteässä suhteessa. Lämmitin ja lämpötila-anturit on yleensä sijoitettu kapillaariputkeen eikä pääputkeen. On kuitenkin olemassa malleja, joissa ei ole kapillaarista ja laminaarista virtauselementtiä ja joissa anturit sijaitsevat suoraan pääjohtimessa (putkessa). Kapillaarin varrella voi olla yksi tai kaksi lämmitintä ja jopa kolme lämpötila-anturia, jotka on järjestetty eri tavoin.

Yleensä kapillaarinen termisessä massavirtausmittarissa on ruuvikierreliitokset, vaikka laippaliittimet ovat myös saatavana. Tämä mittarimalli yhdistetään usein massavirtausmittauksen ohjaimen alavirtaan tunnistavasta anturista. Tätä kokoonpanoa kutsutaan massavirtaohjaimeksi (MFC). Tyypillisesti elektroninen rajapinta sijaitsee samassa yksikössä kuin bypass-silmukka.

Suuremmissa putkissa käytetään usein upotettavia mittareita. Joitakin malleja voidaan kuitenkin käyttää putken halkaisijoille, jotka ovat pienempiä kuin DN 50/2". Anturit on sijoitettu anturin loppuosaan, joka upotetaan virtaavaan kaasuvirtaan. Kokonaismassan virtausnopeus määritetään mitatun pisteen virtausnopeudesta, poikkileikkauspinta-alasta ja lämpötilan kompensoinnista virtausprofiilille.

Antureilla on yleensä jonkinasteinen suojaus. Käytössä on monia asennusmahdollisuuksia. Ne sisältävät laippaliittimet, tiivistysholkit, saniteetti- ja erittäin korkean puhtauden liittimet. Anturien sijainti putken poikkileikkauksessa on ratkaisevan tärkeä optimaalisen suorituskyvyn kannalta. Jos valmistajan suosittelemaa asennusta ei saavuteta, korjaus on tarpeen.

Tietyissä upotusmittarimalleissa on mahdollista säätää anturin sijaintia putken sisällä optimaalisen mittausasennon helppoa saavuttamista varten. Upotettava mittarityyppi asennetaan olemassa olevaan putkeen yleensä putken ulkopinnalle hitsatun sovittimen avulla. Upotettava mittarityyppi asennetaan putkeen tämän sovittimen läpi. Sovittimen sovitusyhteyden on vastattava sitä upotusanturin vastaavan kanssa.

Joissakin sovelluksissa käytetään useita upotusmalleja. Yksi yleinen käyttö on esimerkiksi soihdutuksen tai likaisen prosessikaasun monitorointi. Jotkut mallit saattavat näyttää hyvin samanlaisilta kuin moniporttiset pitot-putket, joissa lämpöanturit korvaavat paineportit. Tällaiset kestävät mallit vaativat säännöllistä poisvetämistä ja puhdistusta, mutta ovat osoittautuneet olevansa hyväksyttävä menetelmä näille vaikeille sovelluksille.

Inline-malliset termiset massavirtausmittarit (ITMF) sisältävät kolme elementtiä: runko, anturielementti ja elektroniikka, joka voi sijaita kaukana primäärianturista. Kuten useimmissa nykyaikaisissa mittalaitteissa, signaalin säätely mahdollistaa monia virtaus- ja hälytystoimintojen lähtöjä missä tahansa halutussa muodossa. Runko on saatavana monilla eri prosessiyhteyksillä eri sovelluksiin (ANSI, DIN, NPT-kierre tai hygieeninen). Kuvassa 5 on inline-mallisen mittarin ja upotusmittarimallin kaaviokuva.

Termisillä massamittareilla on luokkana hyvät yleiset ominaisuudet, ja niissä on sekä etuja että haittoja. Näiden laitteiden yleisen suorituskykyalueen voidaan sanoa ulottuvan ± 1%:sta tai ± 3%:iin tai ± 0,3%:iin. Tyypillisiä vaihteluvälejä ovat 100:1 ja sitä korkeammat. Toistettavuus on yleensä noin ±0,5% tai parempi. Malleja on saatavana virtausnopeuksille 2 - 10 kg/h (4,4 - 22,000 lb/h) tai suuremmille.