Termoanemometry patří mezi nejjednodušší a nejvyužívanější průtokoměry - senzory rychlosti proudění a množství proudícího plynu či kapaliny. Lze je například nalézt i v sání vzduchu dnešních spalovacích motorů pro potřeby přesného řízení výkonu a spotřeby. Krátký popis, princip funkce a zapojení naleznete v tomto článku.

Anemometry jsou obecně měřidla či senzory hmotnostního průtoku, senzory množství proudících plynů nebo kapalin. Existuje mnoho fyzikálních principů používaných pro tyto účely. V tomto článku se pokusím stručně popsat jednu z těch nejvyužívanějších, tj. termoanemometry = teplotní anemometry (thermal anemometers či thermal flowmeters), někdy taky označované podle jejich principu jako anemometry se žhavený drátkem (hot-wire anemometers) .

Termoanemometry se začali používat již v 60. a 70. letech minulého století pro měření množství proudících plynů v plynné deposici. Samotný funkční princip, tj. měření ochlazování žhaveného drátku proudícím plynem či kapalinou, byl znám již počátkem 19. stolení. Hlavní výhoda těchto snímačů je v provedení, které neobsahuje žádné pohyblivé součástky a celkově je jejich konstrukce velmi jednoduchá.Tím jsou více mechanicky odolné a tím i spolehlivější. Nevýhodu je pak možnost použití pouze jen pro některé plyny a kapaliny a měření v uzavřených trubicích, rourách a kanálech.

Termoanemometry jsou svým principem vhodné pro měření množství, aktuálního průtoku i rychlosti proudění. Teplotní měřiče množství proudící vzduchu se vyznačují schopností měřit i extrémně nízké hodnoty průtoků plynů a kapalin. Další výhodu je nízký vliv tlaku kapaliny, tzn. možnost jejich použití i při velkých tlacích v trupkách a rourách.

Základní vlastnosti

• Obecně měření rychlosti proudění vzduchu už od cca 0.1 m/s (obecně je problém měřit pomalá proudění) až do cca 130 m/s s přesností od 0.1 m/s
• Měření průtoků v rozsahu 0 až 1000 m3/h někdy i více
• Reakční doba 500 ms až 3 s
• Teplota měřeného média může být -20 až 80°C
• Nízká citlivost na viskozitu, hustotu, teplotu a tlak měřeného média
• Velká citlivost

 

Použití:

• pro měření čistých plynů - vzduch, nitrogen, hydrogen, helium, amoniak, argon a další průmyslové plyny
• nevhodný pro měřené směsí, zvláště těch s neznámým složením
• v zdravotnictví
• ve výrobě integrovaných obvodů
• v automobilovém průmyslu – sání a plnění válců spal. motorů
• v leteckém průmyslu – simulace, testování, regulace
• chemický a petrolejářský průmysl
• v elektrárnách a teplárnách
• v klimatizacích
• řízení kompresorů

 

Principy funkce

Tepelné průtokoměry jsou založeny na závislosti výměny tepla mezi zdrojem a okolím na hmotnostním průtoku.

Lze přitom použít dva přístupy:

• měřit ochlazení žhaveného drátku - termoanemometry
• měřit oteplení tekutiny - Kalorimetrický snímače průtoku = diferenční termoanemometry

Termoanemometry

Tento typ je průtokoměrů obsahuje pouze jeden aktivní/měřící prvek. Ten je vytvořen z tenkého platinového drátku nebo napařené vrstvičky na skleněné nebo křemenné trubičce nebo miniaturním perličkovým termistorem, který je neustále elektricky zahříván na konstantní teplotu. Snímač je pak umístění v měřící trubce.

Proudící plyn procházející trubkou tento drátek ochlazuje a k zajištění jeho stejné konstantní teploty je tedy zapotřebí více energie, tj. vyšší protékající proud. Zvýšení nebo snížení odběru výkonu, resp. jeho absolutní hodnota, je úměrný zvýšení nebo snížení průtoku, resp. hodnotě průtoku nebo rychlosti proudění.
Dokonalejší je provedení se dvěmi snímači, kdy je tak možné zjišťovat i směr proudění, podle toho, který se ochlazován dříve.

Kalorimetrický snímač průtoku = Diferenční termoanemometr

Kalorimetrický snímač, pracující na jako diferenční termoanemometr, pracuje na mírně odlišném principu. Zde již nepracuje jeden snímač zároveň jako zdroj tepla a snímač. K měření jsou použity pouze dva teplotní snímače (např. typu Pt100) a jedno topné tělísko. Jeden snímač (např. Pt100) měří aktuální teplotu okolního plynu (tlakového vzduchu), druhý je vyhříván topným tělískem na konstantní teplotní rozdíl vůči prvnímu. Čím vyšší je proudění plynu, tím více tepla je odváděno a tím více je ochlazován druhý Pt100. Aby se udržela konstantní teplotní diference, vyhřívací proud topného tělíska musí adekvátně vzrůst. Velikost vyhřívacího proudu je digitalizována a přivedena jako vstup do vyhodnocovací jednotky. Zde se jeho průběh linearizuje a na základě známých vnitřních rozměrů měřicího potrubí se vypočte aktuální průtok.

Diferenční anemometr využívá dvou vrstvových odporů R1 a R2 umístěných spolu s vyhřívacím odporem RH na izolačním podkladu. Při nulové rychlosti proudění tekutiny jsou odpory R1 a R2 zahřívány na stejnou teplotu a měřící můstek je vyvážen. Při nenulové rychlosti proudění tekutina ochlazuje přední odpor a zvýšeným přenosem tepla od RH ohřívá odpor zadní. Toto zapojení je obecně
doporučováno pro citlivá měření malých průtoků.

Při výpočtu hmotnostního průtoku se předpokládá, že teplo z vyhřívacího odporu se celé vyzáří do proudící tekutiny. Rozdíl teplot tekutiny před a za vyhřívacím odporem se dá vypočítat podle vztahu:

Q = m. cp. (T2 - T1)

přičemž

P = Q = R.I2 ,

kde m je hmotnost ohřívané tekutiny, cp je hmotnostní tepelná kapacita při konstantním tlaku, T 2 je teplota tekutina za vyhřívacím odporem, T 1 je teplota před vyhřívacím odporem, P je tepelný výkon ohřívače, R je odpor spirály topného odporu a I je proud protékající topným odporem.

 

Běžná provedení senzorů a měřičů

Průtokoměry typu termoanemometr se vyrábějí ve nejrůznějších provedeních pro potřeby různého měření. Záleží na tom, zda se mají využívat pro dlouhodobé řízení aplikací a procesů, v laboratořích pro vývoj nových systémů nebo pro krátkodobá servisní měření a detekci. Z pohledu rozsahů rychlostí průtoků, které lze měřit, lze celkem běžně v parametrech výrobců nalézt rozsah rychlostí proudění od cca 0,1 do cca 130 m/s, a rozsah průtoků od 0 do 1000 m3/min. Setkat se však lze i s většími maximálními průtoky.

Termoanemometry se nejčastěji vyrábějí ve čtyřech provedeních:

• napevno integrovány do krátkých rour nebo trubiček - malá provedení - obvykle obsahují digitální komunikační rozhraní (typ. RS-232), někdy malý displej
• pro našroubování do trubek - velké odolné průmyslové provedení pro těžký průmysl - obsahují standardizovaný analogový výstup nebo komun. rozhraní pro průmyslovou sběrnici
• přenosné příruční přístroje se snímačem připojeným kabelem k vyhodnocovací a zobrazovací jednotce - vhodná pro testovací měření a servisní mechaniky
• velké stolní přístroje se snímači připojenými kabelem - obvykle pro laboratorní měření a výzkum

Závěr

Průtokoměry dnes patří mezi základní a často používané senzory v různých oblastech průmyslu a regulace. Prakticky všude tam, kde je nutné řídit proud vzduchu, plynů nebo kapalin, je nutné jejich použití. Termoanemometry patří mezi ty nejvyužívanější, a však v konstrukcích průtokoměru se využívají i další principy - Coriolisova síla, dopplerův jev, šíření a odraz světla laseru atd. O těchto dalších principech se pak zmíním v některých dalších článcích o průtokoměrech na stránkách serveru automatizace.HW.cz.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Článek o teplotních průtokoměrech na stánkách firmy OMEGA: www.omega.com/literature/transactions/volume4/T9904-10-MASS.html#mass_3
• Stránky některých výrobců termoanemometrů a hot-wire průtokoměrů: www.fluidcomponents.com, www.coleparmer.com, www.sk-automation.com/flowmeter/thermalmass.html
• Články o průtokoměrech: www.alicatscientific.com/advantages.php, www.flowmeters.com/ufm/index.cfm?task=thermal  
  


• Adámek, Milan & Vavruša, Svatomír: "Hmotnostní měření malých průtoků tekutin v uzavřených kanálech", FT-Zlín, VUT Brno