4.3.3. Расходомеры обтекания. Ротаметры

Расходомеры обтекания – это приборы принцип действия которых основан на зависимости величины перемещения обтекаемого тела от величины обтекающего его измеряемого расхода вещества.

Расходомеры обтекания подразделяются на:

1. расходомеры с постоянным перепадом давления – ротаметры, поплавковые, поршневые;

2. расходомеры с изменяющимся перепадом давления – поплавково – пружинные, с поворотной лопастью.

Принцип их действия основан на зависимости перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, от расхода вещества. Они предназначены для измерения плавно меняющегося объемного расхода однородных потоков чистых и слабо загрязненных жидкостей и газов.

Простейшим и наиболее распространенным прибором постоянного перепада давления является ротаметр. Его действие основано на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента (тела), зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного сечения отверстия таким образом, чтобы перепад давления на чувствительном элементе остался постоянным

Ротаметры имеют (рис.4.76) большой диапазон измерения . Проходящий через ротаметр снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При равновесии сил поплавок устанавливается на той или иной высоте в зависимости от величины расхода. На поплавок ротаметра сверху вниз действуют две силы: сила тяжести и сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка [6].

Рис. 4.76. Схема ротаметра

Сила тяжести:

где V–объем поплавка; _п – плотность материала поплавка; g – ускорение силы тяжести.

Сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка: p'₂s, где p'₂ – среднее давление потока на единицу верхней плоскости поплавка; s – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка.

Снизу вверх на поплавок действуют также две силы: сила от давления потока на нижнюю плоскость поплавка p'₁s и сила трения потока о поплавок _, где  – коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности; _k – средняя скорость потока в кольцевом канале, охватывающем боковую поверхность поплавка; s_б – площадь боковой поверхности поплавка; n – показатель, зависящий от величины скорости. Поплавок уравновешен в том случае, когда

V_пg+ p'₂s= p'₁s+

или

⁽¹⁾

Если допустить, что _k при всех расходах остается постоянной (с увеличением расхода увеличивается площадь кольцевого канала), то вся правая часть уравнения (1) будет постоянной, т.к. остальные величины для данного прибора тоже постоянны. Следовательно, разность давлений на поплавок p'₁ - p'₂=const, т.е. ротаметр является прибором постоянного перепада давления. Из совместного решения уравнений Бернулли и неразрывности получим уравнение расхода:

⁽²⁾

где –коэффициент расхода; p₁ – p₂ – разность статических давлений, действующих на поплавок. После ряда преобразований получим:

Q =₁s_k k , (3)

где ₁ = f(); s_k – площадь кольцевого отверстия, образованного конусной трубкой и верхней частью поплавка; k – константа. Эта зависимость линейна и поэтому шкала ротаметра будет равномерной [3].

Устройство и принцип действия промышленного

поплавкового расходомера типа РЭ

Ротаметры могут иметь пневматическую и электрическую дистанционную передачу показаний. На рис.4.77 приведена принципиальная схема ротаметра с электрической дифференциально-трансформаторной передачей показаний на расстояние.

Рис. 4.77. Схема ротаметра с дифференциально-трансформаторным преобразователем:

1–корпус; 2–коническое седло; 3–поплавок; 4–шток; 5–сердечник; 6–разделительная трубка

Измерительная часть ротаметра выполнена из цилиндрического металлического корпуса 1 (сталь Х18Н9Т) с коническим седлом 2. Внутри седла перемещается конусный поплавок 3, жестко насаженный на шток 4. На верхнем конце штока укреплен сердечник 5 дифференциально-трансформаторного преобразователя. Сердечник перемещается пропорционально величине изменения измеряемого расхода внутри разделительной трубки 6. Снаружи трубки находится катушка преобразователя. Ротаметры рассчитаны на рабочее давление до 6,27 МН/м² (62 кгс/см²). Пределы измерения (в расчете на воду) от 0,7*10^-5 до 0,44*10^-2 м³/с. Минимальные расходы, измеряемые ротаметром, составляют 15-20% верхнего предела измерения. Основная погрешность комплекта (преобразователя и вторичного прибора) 2,5-3% верхнего предела измерения. Для измерения расхода во взрывоопасных и пожароопасных условиях применяются ротаметры с пневматической дистанционной передачей [3].

Ротаметр для малых и больших расходов моделей RAKD и RAMC (рис.4.78) представляет собой расходомер, основанный на принципе создания условий динамического равновесия элементов прибора под действием потока. Прибор предназначен для работы в турбулизированных, непроницаемых или агрессивных средах. Все смачиваемые детали выполнены из нержавеющей стали, а также предусмотрена различная футеровка для агрессивных жидкостей. Максимальный расход 1-250 л/ч (вода) и, соответственно, 45-8000 л/ч (воздух) для модели RAKD и 0, 025-130 м³/ч (вода) и 0,75-1400 м³/ч (воздух) (20°С, 1,013 бар абс.) для модели RAMC. Для вязких сред предусматривается дополнительная нагревательная рубашка для обогрева паром или жидким теплоносителем (опция). Возможна комплектация микропроцессорным преобразователем с питанием 24 В, 115 В или 230 В, который, в свою очередь, может иметь искробезопасное исполнение и обладает следующими функциями: индикация расхода (суммарный, фактический, процент), отображение разных единиц объема и массового расхода, индикации залипания поплавка, демпфирование выходного сигнала, выдача сообщения об ошибках. Выходной сигнал: 4…20 мА.

«Yokogawa», Япония.

Рис. 4.78. Ротаметр RAKD