Ротаметр

На поплавок снизу действуют силы:

 , обусловленная разностью статических давлений на носовую и кормовую части поплавка, f – наибольшая площадь сечения поплавка,

 – обусловленная динамическим давлением потока, с – коэффициент сопротивления, v – скорость потока, ρ_С – плотность среды;

 N – сила трения потока о боковую поверхность поплавка.

Сверху на поплавок действует сила тяжести (с учетом силы Архимеда):

Считая ротаметр специфическим расходомером с сужающим устройством с кольцевым отверстием, уравнение расхода можно записать следующим образом:

где f_К – площадь кольцевого сечения.

Поплавковые расходомеры. Принцип действия аналогичен ротаметру, но конус выполнен из металла и имеет больший угол. Вследствие этого перемещение поплавка значительно меньше и оно может быть преобразовано в электрический сигнал. Передача перемещения осуществляется с помощью дифференциального трансформатора, магнитной муфты или иным способом. Такие расходомеры выпускаются от D 15 мм (G max =25 л/ч воды или 0,7 м³/ч для воздуха) до 100 мм и максимальным расходом жидкости до 100 м³/ч при рабочем давлении до 25 ат. Погрешность до 2,5%. Некоторые модели имеют токовый выход, датчики предельных значений.

Поплавковый расходомер

Тахометрические расходомеры. Принцип действия основан на зависимости скорости вращения чувствительного элемента (турбинки) от скорости потока. В зависимости от взаимного расположения оси потока и оси турбинки различают счетчики с аксиальной и тангенциальной турбинками. Так как выходной сигнал с тахометрического преобразователя технически проще суммировать, то они применяются как правило в качестве счетчиков количества.

Достоинства:

 Простота конструкции,

 Высокая точность (от 0,3 до 2%),

 Независимость показаний от плотности (только для объемных счетчиков),

 Измерение расхода вязких жидкостей при низких Re,

 Малые габариты и масса для малых Ду (15-50 мм)

 Низкая стоимость.

Недостатки:

 Наличие подвижных частей,

 Значительное гидравлическое сопротивление,

 Большие габариты и масса для больших D (до150 мм).

 Невозможность измерения расхода газов,

 Зависимость показаний от плотности и вязкости среды.

 Невозможность измерения расхода загрязненных и абразивных сред,

Область применения – измерение протекающего объема жидкостей: воды, нефти, масел, бензина и т.д. Перед турбинным счетчиком необходимо устанавливать фильтр механических частиц.

Расходомеры с тангенциальной турбинкой. Используют для измерения малых расходов и при D до 50мм. Турбинка имеет прямо- или криволинейные лопасти и ее ось перпендикулярна оси потока. При этом для придания вращения поток направлен тангенциально относительно лопастей. В зависимости от способа подвода потока к лопастям различают одно- и многоструйные счетчики.

В одноструйных поток к турбинке направляется по гладкому каналу одной струей. Они более просты, имеют меньшее гидравлическое сопротивление, но менее надежны из-за одностороннего износа опоры.

Одноструйный расходомер

В многоструйных корпус имеет два ряда равномерно расположенных сопел. Через часть из них жидкость подается на турбинку, а через часть (с противоположной стороны) – отводится. Частота вращения передается на счетный механизм с помощью магнитной муфты, что обеспечивает герметичность и долговечность счетного механизма.

Многоструйный расходомер

Расходомеры с аксиальной турбиной. В таких расходомерах ось турбинки совпадает с осью потока.

Расходомер с аксиальной турбиной

Если необходимо измерять значительно изменяющиеся расходы, то применяют комбинированные водосчетчики. Если расход мал, то поток идет через счетчик малого D, при увеличении до некоторого значения срабатывает клапан и поток идет через счетчик большего D.

Объемные счетчики с овальными шестернями. Применяются для измерений расхода высоковязких и чистых жидкостей. Преимущества: высокая точность, независимость показаний от плотности и вязкости среды. Недостаток – восприимчивы к наличию абразивных частиц.

Электромагнитные расходомеры состоят из участка трубопровода, выполненного из немагнитного материала и футерованного изнутри диэлектриком, электрических катушек, создающих импульсное магнитное поле, и электродов.

Статическая характеристика выражается формулой:

,

где В – индукция магнитного поля, D – диаметр трубопровода, v – скорость потока.

Преимущества:

 линейная статическая характеристика,

 малая погрешность - 0,2%,

 высокая надежность,

 независимость показаний от плотности и температуры среды,

 широкий динамический диапазон измерений (1:1000),

 возможность измерения расхода дисперсных и агрессивных сред,

 отсутствие дополнительного гидравлического сопротивления.

Недостатки:

 возможность измерения расхода только электропроводных жидких сред,

 слабый выходной сигнал преобразователя расхода.

Электромагнитные расходомеры нашли широкое применение для измерения расхода воды и водных растворов, плотность и вязкость которых может изменяться в широких пределах, а также содержащих абразивные немагнитные частицы. Например, шликера, пульп, сточных вод и т.д. Выпускаются с диаметрами условного прохода от 3 до 2000 мм.

Ультразвуковые расходомеры. Действие ультразвуковых расходомеров основано на влиянии скорости среды на характеристики распространяющейся в ней акустической волны. Разделяются на 1) основанные на перемещении в среде акустической волны и 2) на эффекте Доплера. Наибольшее распространение получили расходомеры, измеряющие разность времен прохождения волны по потоку (от излучателя И1 к приемнику П1) и против него (от излучателя И2 к приемнику П2).

Статическая характеристика такого расходомера имеет вид:

где с – скорость звука в измеряемой среде.

Преимущества время-импульсных расходомеров:

 высокая точность,

 возможность измерения расхода как жидкостей, так и газов,

 широкий диапазон измерений (1:500),

 низкая стоимость, малые габариты и масса при больших диаметрах трубопроводов (400 – 1500 мм.).

 возможность измерения расхода без врезки в трубопровод.

Недостатки:

 зависимость показаний от профиля скорости потока и скорости звука,

 зависимость показаний от наличия в потоке частиц.

Для уменьшения влияния профиля потока применяют преобразователи, у которых волна распространяется поперек трубы по хорде на расстоянии 0,5R от ее центра или вдоль оси трубопровода. Существует большое разнообразие конструкций преобразователей расхода.

Доплеровские расходомеры лучше работают при наличии в потоке частиц.

Кориолисовы расходомеры.

Принцип действия кориолисовых расходомеров основан на зависимости силы Кориолиса от расхода. Чувствительный элемент представляет участок трубопровода, который перемещается (колеблется) в плоскости, перпендикулярной направлению движения.

На участок движущейся трубки действует кориолисова сила:

где G – массовый расход, ω – угловая скорость вращения чувствительного элемента.

Сила, действующая на поток, движущийся к оси вращения, направлена встречно вращению, а на поток, движущийся от оси вращения направления вращения и кориолисовой силы совпадают. Это приводит к закручиванию чувствительного элемента.

Около каждой трубки установлены датчики положения, выходной сигнал которых при колебаниях представляет собой синусоиду. При отсутствии движения потока сигналы совпадают по фазе. Если расход не равен нулю, то сигнал одного из датчиков начинает отставать. Сдвиг фазы пропорционален массовому расходу.

Преимущества:

 высокая точность (менее 0,1%),

 широкий динамический диапазон,

 возможность измерения массы потока.

Недостатки:

 сложная конструкция,

 дрейф нуля,

 высокая стоимость.

Измерение расхода двухфазных потоков. Особенности измерения расхода двухфазных потоков обусловлены тем, что на их характеристики существенное влияние оказывает структура потока, зависящая в свою очередь от доли дисперсной фазы. Кроме того, дисперсная фаза часто имеет плотность, существенно отличающуюся от плотности дисперсионной среды, фазы движутся с некоторой скоростью друг относительно друга, поэтому неприемлемы соотношения, применимые для однофазных потоков.

Для измерения расхода используют специальные диафрагмы, массовые расходомеры, объемные счетчики, а также системы, состоящие из нескольких разнотипных расходомеров, которые по разному восприимчивы к влиянию дисперсной фазы. По разнице показаний можно определить общий расход, а также долю дисперсной фазы.