Принцип дії теплових витратомірів ґрунтується на нагріванні потоку речовини і вимірюванні різниці температур до і після нагрівача (калориметричні витратоміри) або на вимірюванні температури нагрітого тіла, яке поміщене у потік (термоанемометричні витратоміри). Останні не мають самостійного застосування в технологічних вимірюваннях.
Схема калориметричного витратоміра показана на рис.6.15. У трубопроводі 1 встановлений нагрівач потоку 3, на рівних відстанях від центра нагрівача — термоперетворювачі 2 і 4 (при цьому нагрівання їх від випромінювання однакове), що вимірюють температуру потоку до нагрівання t1 і після нагрівання - t2.
Для нерухомого середовища розподіл температури в ній симетрично щодо осі нагрівача і тому різниця температур ?t=t1-t2=0. При певній малій швидкості потоку розподіл температури несиметричний і трохи зміщується по потоку. У місці термоперетворювача 2 температура знижується внаслідок надходження холодної речовини, а в місці термоперетворювача 4 температура t2 або трохи підвищується, або ж не змінюється, внаслідок чого при малих витратах ?t збільшується із зростанням витрати. При подальшому збільшенні витрати при постійній потужності нагрівача t2 стане зменшуватися, у той час як t1 практично постійна, тобто буде зменшуватися ?t. Таким чином, при більших витратах різниця температур ?t обернено пропорційна витраті.
Залежність між масовою витратою G і різницею температур ?t при допущенні, що немає втрат теплоти в навколишнє середовище (що досягається ізоляцією труби), визначається рівнянням теплового балансу вигляду
, (6.9)
де N — потужність нагрівача;
k — поправочний множник на нерівномірність розподілу температур по перетину трубопроводу;
cр — теплоємність речовини при температурі (t1+t2)/2.
З виразу (6.9) бачимо, що вимірювання масової витрати може бути здійснено двома способами:
1. За значенням подаваної до нагрівача потужності N, що забезпечує постійну задану різницю температур ?t.
2. За значенням різниці ?t при постійній N.
Як перетворювачі температури в калориметричних витратомірах можуть бути використані різні термоприймачі (термоелектричні перетворювачі, термоперетворювачі опору та ін.). Термоперетворювачі опору характеризуються тою перевагою, що їх можна виконувати у вигляді рівномірної сітки, що перекриває весь перетин, і в такий спосіб вимірювати середню по перетину температуру.
Калориметричні витратоміри, що градируються індивідуально, мають класи точності 0,5-1. Калориметричні витратоміри в основному застосовують для вимірювання малих витрат чистих газів. Для вимірювання витрати рідин калориметричні витратоміри не знайшли практичного застосування через велику споживану потужність. Основна і важлива перевага калориметричних витратомірів полягає в тому, що вони забезпечують вимірювання масової витрати газу без вимірювання його параметрів стану (тиск, температура, густина).
Пошуки підвищення експлуатаційної надійності калориметричних витратомірів привели до створення теплових витратомірів, у яких нагрівач і термоперетворювачі розміщують на зовнішній стінці труби, і передача теплоти до потоку здійснюється через стінку труби.
Для нерухомого середовища розподіл температури в ній симетрично щодо осі нагрівача і тому різниця температур ?t=t1-t2=0. При певній малій швидкості потоку розподіл температури несиметричний і трохи зміщується по потоку. У місці термоперетворювача 2 температура знижується внаслідок надходження холодної речовини, а в місці термоперетворювача 4 температура t2 або трохи підвищується, або ж не змінюється, внаслідок чого при малих витратах ?t збільшується із зростанням витрати. При подальшому збільшенні витрати при постійній потужності нагрівача t2 стане зменшуватися, у той час як t1 практично постійна, тобто буде зменшуватися ?t. Таким чином, при більших витратах різниця температур ?t обернено пропорційна витраті.
, (6.9)