5.2 Расходомеры постоянного перепада давления

К приборам постоянного перепада давления относятся ротаметры, поршневые и поплавковые расходомеры.

Ротаметры, широко применяемые в лабораторных и промышленных условиях, предназначены для измерения плавно меняющегося объемного расхода однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов с дисперсными включениями инородных частиц. Они применяются также в качестве индикаторов расхода среды в газоанализаторах и других приборах.

Рисунок 72 – Схема ротаметра

Ротаметр (рисунок 72) в простейшем виде состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки 1, внутри которой находится чувствительный элемент 2, выполненный в виде поплавка. Для обеспечения устойчивой работы поплавка верхний его обод снабжен каналами с крутым наклоном. Под действием потока жидкости или газа поплавок вертикально перемещается и одновременно приходит во вращательное движение и центрируется в середине потока. По перемещению поплавка ротаметра вдоль его шкалы, нанесенной на конусной стеклянной трубке судят об объемном расходе в единицу времени (л/ч, м³/ч). имеются ротаметры, у которых поплавок не совершает вращательного движения, а корпус их выполнен из металла.

В приборе, называемом поршневым расходомером рисунок 73, чувствительным элементом является поршень 1, находящийся внутри втулки 2. Эта втулка имеет круглое входное отверстие 6 и прямоугольное выходное отверстие 5. Выходное отверстие является своего рода диафрагмой переменного сечения. Размеры его подбираются в зависимости от пропускной способности расходомера. Сила тяжести поршня регулируется в зависимости от верхнего предела измерения с помощью дополнительных грузов 4. Поршень с помощью штока соединен сердечником передающего преобразователя 3. Протекающая через входное отверстие жидкость поступает непосредственно под поршень и поднимает его. Поршень, перемещаясь вверх, открывает в большей или меньшей степени отверстие выходной диафрагмы. Протекающая через диафрагму жидкость одновременно заполняет надпоршневое пространство, которое соединено с каналом за диафрагмой. Прямоугольная форма выходного отверстия обеспечивает линейную зависимость между подъемом поршня и расходом вещества.

Поплавковый расходомер постоянного перепада давления рисунок 54б состоит из чувствительного элемента 1, выполненного в виде поплавка, и конического седла 2, расположенного в корпусе прибора. Отсчетное устройство на схеме расходомера не показано.

Рисунок 73 – Схемы поршневого (а) и поплавкового (б) расходомеров

В расходомерах этого типа коническое седло выполняет ту же роль, что и коническая трубка у ротаметра. Различие заключается лишь в том, что длина и диаметр седла примерно равны, в то время как у ротаметра длина конической трубки значительно больше ее диаметра.

Поток жидкости или газ, протекающий снизу вверх в конусной трубке ротаметра поднимает поплавок до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера, при котором действующие на поплавок силы уравновешиваются. При достижении равновесия сил поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

На носовую часть поплавка снизу вверх действуют две силы: сила от давления потока и сила трения потока о поплавок . Сверху вниз на поплавок действуют также две силы: сила тяжести поплавка и сила от давления потока

где и – среднее давление потока на единицу носовой и верхней поверхностей поплавка соответственно;

– площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

– коэффициент сопротивления, зависящий от степени шероховатости поверхности и числа Рейнольдса;

– средняя скорость потока в кольцевом отверстии;

– показатель, зависящий от размера скорости U_cp;;

– площадь боковой поверхности поплавка;

– объем поплавка;

– ускорение свободного падения;

– плотность материала поплавка.

Условие равновесия поплавка определяется выражением:

,

(5.1)

Для дистанционного измерения положения поплавка используют промежуточные преобразователи линейного перемещения.

В ротаметрах с электрическим выходным сигналом вместе с поплавком перемещается плунжер трансформаторного преобразователя.