Слайд 49. Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры)

Ротаметр представляет собой вертикальную конусную трубку 1, в которой находится поплавок 2. Измеряемый поток, проходя через ротаметр снизу вверх, создает перепад давлений до и после поплавка. Этот перепад давлений, в свою очередь, создает подъемную силу, которая уравновешивается весом поплавка (в случае произвольного направления потока – силой противодействующей пружины). Если расход через ротаметр изменится, то изменится и перепад давлений. Это приведет к изменению подъемной силы и, следовательно, к нарушению равновесия поплавка. Поплавок начнет перемещаться; так как трубка ротаметра конусная, то при этом будет изменяться площадь проходного сечения в зазоре между поплавком и трубкой. В результате произойдет изменение перепада давлений, а, следовательно, и подъемной силы. Когда перепад давлений и подъемная сила снова вернутся к прежним значениям, поплавок уравновесится и остановится. Таким образом, каждому значению расхода через ротаметр соответствует определенное положение поплавка. Во избежание трения и удара поплавка о стенку трубки в его верхнем ободе выполнены на­клоненные к вертикали прорези 3. Вещество, протекая через проре­зи, придает поплавку вращение, и он центрируется в середине потока.

Уравнение объемного расхода для ротаметра имеет вид

,

где  – коэффициент расхода;

F_к – площадь кольцевого отверстия между верхней частью поплавка и конусной трубкой;

g – ускорение свободного падения;

V – объем поплавка;

_п – плотность материа­ла поплавка;

 – плотность вещества потока;

f – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка.

Из этого выражения следует, что, если коэффициент расхода  принять по­стоянным, то расход вещества может быть определен по значению площади кольцевого отверстия F_к. Учитывая, что F_к – функция по­ложения поплавка, значение высоты его подъема служит мерой расхода.

Ротаметры выпускаются со стеклянными и металлическими трубками. У ротаметров со стеклянной трубкой шкала нанесена прямо на поверхности трубки. Такие ротаметры предназначены для измерения газов или прозрачных жидкостей. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость вращающе­гося поплавка. В ротаметрах с металлической трубкой используется дистанционное измерение положения поплавка при помощи преобразователей линейного перемещения в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Ротаметры имеют большой диапазон измерения (отношение верхнего предела измерения к нижнему – 10:1) и сохраняют точность измерений даже при очень малых расходах; используются для измерения объемного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых и слабо загрязненных жидкостей и газов.

Слайд 50. Тепловые (калориметрические) расходомеры

Существует несколько разновидностей тепловых расходомеров. Наиболее распространены тепловые калориметрические расходомеры, принцип действия которых основан на нагреве по­тока вещества и измерении разности температур до и после нагре­вателя.

В трубопроводе 1 установлен нагреватель потока 2. На равных расстояниях от центра нагревателя расположены термопреобразователи 3, измеряющие темпе­ратуру потока до и после нагрева. Для неподвижной среды распределение темпера­туры в ней (на графике – сплошная линия) симметрично относительно оси нагревателя и поэтому разность температур t = t₂ – t₁ = 0. При некоторой малой скорости потока распределение температуры (на графике – штриховая линия) несиммет­рично и несколько смещается вправо. При малых расходах температура t₁ падает вследствие поступления холодного вещества, а температура t₂ возрастает, вследствие чего t увеличивается с ростом расхода. С дальнейшим увеличением расхода при постоянной мощ­ности нагревателя t₂ станет убывать, в то время как t₁ практически постоянна, т. е. t будет уменьшаться. Таким образом, при малых расходах разность температур t прямо пропорциональна рас­ходу, а при больших – обратно пропорциональна.

Зависимость между массовым расходом G и разностью темпе­ратур t при больших расходах определяется уравне­нием теплового баланса:

,

где N – мощность нагревателя; k – поправочный множитель на неравномерность распределения температур по сечению трубопро­вода; c – теплоемкость вещества при температуре (t₁ + t₂)/2. Отсюда следует, что измерение массового расхода может быть осуществлено двумя способами: 1) по значению пода­ваемой к нагревателю мощности N, обеспечивающей постоянную заданную разность температур t; 2) по значению разности t при постоянной N.

В соответствии с первым способом расходомер работает как ре­гулятор температуры нагрева потока. При изменении t мощность N автомати­чески изменяется до тех пор, пока t не достигнет за­данного значения. Массовый расход при этом определяется по шка­ле ваттметра в цепи нагревателя. Для уменьшения расходуемой мощности обычно ограничивают заданное значение t в пределах 1 – 3 °С.

По второму способу, когда к нагревателю подводится постоян­ная мощность, расход определяют по прибору, измеряющему раз­ность температур. Недостатком этого способа является гиперболи­ческий характер шкалы, а значит, и падение чувствительности при увеличении расхода.

В качестве преобразователей температуры в калориметрических расходомерах могут быть использованы термоэлектрические преобразователи, термопреобразователи со­противления и др.

Калориметрические расходомеры в основном применяют для измерения малых расходов чистых га­зов. Основное преимущество этих расходомеров – измерение массового расхода газа без измерения его давления и плотности.

Существуют тепловые расходомеры, у которых нагреватель и термопреобразователи размещают на наружной стенке трубы, и передача теплоты к потоку осуществля­ется через стенку трубы.