7

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4B- Р Trogflux

ВИТРАТОМІР ПОСТІЙНОГО ПЕРЕПАДУ ТИСКУ (РОТАМЕТР)

ТИПУ SITRANS F VA фірми “SIEMENS”

1. Мета роботи

1. Вивчити принцип дії, конструкцію та методику повірки витратоміра постійного перепаду тиску фірми “Siemens” F VA Trogflux.

2. Провести повірку ротаметра Sitrans F VA Trogflux.

2. Завдання на виконання роботи

2. 1. Познайомитись з лабораторним стендом.

2.2. Вивчити загальну теорію вимірювання витрати рідин та газів за методом постійного перепаду тиску.

2.3. Вивчити будову та конструктивні особливості витратоміра (ротаметра) типу SITRANS F VA Trogflux.

2.4. Зняти реальну статичну характеристику перетворення витратоміра SITRANS F VA Trogflux.

2.5. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну, відносну та приведену похибки витратоміра.

2.6. Побудувати графіки:

а) реальних статичних характеристик перетворення;

б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону вимірювання (точки наносити через кожних 2 м /год.).

3. Загальні теоретичні відомості про ротаметри

Первинні вимірювальні перетворювачі постійного перепаду тиску (ротаметри) відносяться до дросельних перетворювачів, тобто, перетворювачів, які дещо перекривають основний потік рідини або газу в трубопроводі.

Принцип дії таких перетворювачів ґрунтується на законі стаціонарного руху ідеальної рідини Данила Бернуллі: «Якщо зменшити поперечний переріз труби , то швидкість руху рідини або газу в цьому місці зростає, а тиск зменшується, тобто, виникає різниця тисків ( ) в речовині в місцях до звуження та відразу після звуження. Закон описують два рівняння Бернуллі.

Перше рівняння - це рівняння зберігання енергії рухомої рідини:

+ = + ;

Друге – це рівняння нерозривності течії:

* * = * * ,

де у обох формулах: та - абсолютні статичні тиски до і після звуження,

у Па; та - середні швидкості речовини до і після звуження, м/с; та - поперечний переріз потоків, при чому - в найбільш звуженому місці, м ; та густина речовини, кг/м .

У вимірювальних перетворювачах витрати постійного перепаду тиску (їх ще називають приладами обтікання) в середині конічної трубки, що розширюється до гори, знаходиться поплавок, який має особливу форму: знизу – конус, угорі – невеликий обідок зі скісними пазами, і який знаходиться під дією динамічного тиск потоку вимірюваного середовища. Конічна трубка такого первинного вимірювального перетворювача розташовується в місці вимірювання витрати завжди вертикально. У місці розташування поплавка поперечний переріз трубки зменшується на значення площі поперечного перерізу поплавка (в найбільшому по діаметрі його місці).

Згідно з законом Бернуллі для стаціонарного руху речовини в разі зменшення поперечного перерізу трубки, швидкість рідини чи газу в цьому місці зростає, а тиск зменшується. Тому тиск Р над поплавком ( Рис.1) стає меншим, ніж тиск Р під ним.

На відміну від перетворювача змінного перепаду тиску, в якому звужуючий пристрій (діафрагма), що перекриває потік речовини, жорстко зафіксована в одному місці (при цьому перепад тиску = Р - Р є функцією від витрати речовини), в ротаметрах звужуючий пристрій (поплавок) вільно переміщується по потоку речовини вверх або вниз.

Якщо витрата зростає, то збільшується ( із-за збільшення тиску Р напору рідини знизу) і поплавок починає підніматись вгору, але при цьому розширюється кільцеподібний зазор між ним та стінками трубки, в наслідок чого зменшується дросельний ефект від присутності поплавка, тобто, зменшується швидкість рідини в зазорі, що приводить до зростання тиску Р та відновлення перепаду тиску до початкового значення, яке залежить від сили тяжіння поплавка. Піднімання поплавка припиняється. При зменшенні витрати має місце обернений ефект. Таким чином, кожному значенню витрати відповідає певна висота підйому поплавка.

Скісні пази на поплавку приводять до його обертання під час проходження речовини трубкою, щоб він не торкався її стінок і знаходився в центрі потоку. Слово ротаметр походить від латинського «roto» – обертаюсь, а весь прилад називають ротаметр.

В відповідності із визначенням - основу ротаметру складає трубка 1 (pис.1), як правило, скляна, з внутрішньою конічною поверхнею, в середині якої розміщують поплавок 2. Переміщення поплавка відбувається до тих пір, поки перепад тиску не зрівняється з масою поплавка, що приходиться на одиницю площини його поперечного перерізу.

Зверху вниз діє сила G тяжіння поплавця:

G = V_n ( - ) g,

де g – прискорення вільного падіння; V_n та - об'єм ігустина поплавка;

- густина рідини, що проходить крізь ротаметр.

Знизу вверх на поплавець діють сила тертя середовища об поплавок, якою можна нехтувати, та сила F, яку утворює середовище, яке протікає через ротаметр, і яка визначається різницею статичних тисків (Р - Р ), які виникли внаслідок прискорення потоку в кільцевому зазорі між стінкою і поплавцем: F = (Р - Р ) ;

Рис. 1 де — площина поперечного перерізу поплавка у місці

його найбільшого діаметру.

Поплавок буде нерухомим у потоці рідини або газу, якщо виконува-тиметься умова рівноваги сил, що діють знизу і зверху: G =( Р - Р ) .

З іншого боку можемо записати:

Р - Р = G/ = . (2)

А це означає, що при постійній густині речовини, права частина формули є незмінною і не залежить від витрати речовини. Відповідно незмінним є перепад тиску Р - Р . Звідси і інша назва ротаметрів як приладів постійного перепаду тиску.

Швидкість обтікання речовиною поплавка у кільцеподібному зазорі між ним і стінками трубки дорівнює:

= .

Звідси Р - Р = Р = . (3).

Прирівнюючи залежності (2) та (3), можемо визначити швидкість речовини в кільцеподібному зазорі:

= . (4)

Ця швидкість визначає об’ємну витрату вимірюваної речовини, що проходить через кільцеподібний зазор поперечного перерізу :

= * = . (5)

Із виведеного рівняння (5) випливає, що за коефіцієнта витрати =соnst, існує лінійна залежність між величинами Q і F_k , який в свою чергу пропорційний висоті зависання поплавка. Проте за конічної форми трубки лінійна залежність між значенням Q і переміщенням поплавця порушується через нелінійну залежність F_k по висоті трубки. Крім того, в реальних умовах дещо змінюється величина . Тому використання рівномірної шкали для ротаметрів зумовлює частку загальної похибки вимірювань.

Із останнього рівняння випливає також, що положення поплавця залежить не тільки від витрати, а і від густини контрольованого середовища. З цього боку ротаметри розділяються на дві групи: для рідин які градуюють на воді, і для газів, які градуюються на повітрі.

Корпус ротаметра являє собою скляну конічну трубку, на зовнішній поверхні якої нанесена шкала. Покажчиком є верхня горизонтальна площина поплавця. Матеріал поплавка — сталь, алюміній, бронза, ебоніт, пластмаси — не повинен піддаватися корозії в контрольованому середовищі і повинен мати добру здатність виділятися в потоці контрольованого середовища. Відхилення густини, тиску та температури вимірюваної за витратами речовини проводить до додаткових похибок вимірювання.

В деяких типах ротаметрів (рис. 2) конічним роблять поплавок 3, який переміщується в середині діафрагми постійного поперечного перерізу 2. Але принципової різниці між такими ротаметрами не має. На цьому ж рисунку приведена схема ротаметра з диференціально-трансформаторним перетворювачем, який дозволяє передавати сигнал вимірювальної інформації на відстань.

Вимірювальна частина витратоміра складається з циліндричного металевого корпусу 1 з діафрагмою 2. В середині діафрагми переміщується конусний поплавок 3, насаджений на шток 4. Під дією потоку рідини поплавок може переміщуватися в отворі діафрагми. На верхньому кінці штоку закріплено осердя 5 диференційно-трансформаторного перетворювача. Осердя переміщується в середині трубки 6, зовні якої знаходиться котушки перетворювача.

Скляні ротаметри розраховані на вимірювання витрати рідин в ме­жах 0,04... 16 м /год, або газів від 0,063 до 40 м³/год у вертикальних трубо­проводах діаметром 4... 100 мм за тиску середовища до 0,6 МПа (6 кгс/см²).

Для вимірювання витрати середовищ, які перебувають під тиском до 6,4 МПа, використовуються ротаметри з металевими конічними корпусами. Звичайно такі прилади оснащуються передавальними вимірювальними пе­ретворювачами з електричним або пневматичним уніфікованим сигналом, який надходить по лініях дистанційної передачі на вторинний показувальний прилад.