9. Расходомеры постоянного перепада давления.

К расходомерам постоянного перепада относятся ротометры: поплавковые и поршневые. Из этой группы приборов наибольшее распространение получили ротаметры, которые состоят из конической трубки, которая расширяется вверху (обычно стеклянной), внутри которой перемещается поплавок. Шкала наносится непосредственно на трубку.

Преимущества ротаметров: простота конструкции, наглядность показаний, надежность в работе, широкий диапазон измерений и достаточно равномерная шкала.

Недостатки ротаметров: хрупкость, связанность прибора с местом измерения, отсутствие записи. На поплавок снизу действуют: сила, пропорциональная разности сил на носовую и кормовую поверхности поплавка, которая возникает из-за перехода части потенциальной энергии в кинетическую при увеличении скорости в узком сечении (2-2), и равная , где f - площадь наибольшего поперечного сечения поплавка; сила трения N потока о боковую поверхность поплавка; сила лобового сопротивления

,

где ξ - коэффициент сопротивления поплавка, ρ - плотность потока, υ - скорость потока. Сверху на поплавок действует сила тяжести:

,

где V и ρ_п - объем и плотность поплавка. Рис. 5 Схема ротаметра

Таким образом,

.

Если не обращать внимания на изменение сил G и N, можно считать, что . Это дало идею считать ротаметр расходомером постоянного перепада.

Уравнение расхода ротаметра имеет вид

, где α - коэффициент расхода; f_k - площадь кольцевого сечения, которое образовано трубкой и наибольшим сечением поплавка; l=l₂-l₁.

Учитывая сложную зависимость коэффициента расхода от числа Рейднольса и высоты поднятия поплавка, неизбежности разброса параметров деталей поплавка из-за технологических допусков, каждый прибор градуируется на заводе - производителе.

Ротаметры используются для измерения расхода как жидких, так и газовых потоков. Поэтому градуировка производится на воде или на воздухе. Если качество среды отличается от качества градуировочного вещества, возникает необходимость пересчета заводской градуировки. Поправочный множитель в этом случае равен

,

где ρ_г и ρ - плотности градуировочного и измеряемого веществ.

Если ρ<<ρ_п, что справедливо для газов, то

.

Пользоваться множителем k можно только в тех случаях, когда вязкости градуировочного и измеряемого веществ близкие один к другому и можно принять α = α_г. В остальных случаях нужно производить тарировку ротаметра на измеряемой среде.

10. Электромагнитные расходомеры.

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции – законе Фарадея, согласно которому в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии,

индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. Если использовать в качестве проводника поток электропроводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерить наведенную в жидкости ЭДС, то можно определить скорость потока или объемный расход жидкости. Схема электромагнитного расходомера показана на рис. 1. Между полюсами магнита N и S, перпендикулярно направлению магнитных силовых линий, располагается отрезок металлической немагнитной трубы 3, которая устанавливается между фланцами трубопровода с измеряемым потоком жидкости.

Р ис. 1. Схема электромагнитного расходомера

Внутренняя поверхность трубы 3 покрыта электроизоляционным материалом (эмаль, стеклопластик, резина и др.)- В плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям, диаметрально противоположно установлены в стенке трубы два электрода 1 и 2. Электроды с помощью соединительных проводников подключены к измерительному прибору 4 (милливольтметру или потенциометру). ЭДС, индуцируемая в постоянном магнитном поле:

(1)

где В – магнитная индукция; W – средняя скорость потока жидкости; D – внутренний диаметр трубопровода; Q – объемный расход жидкости.

Из уравнения (1) следует, что при B=const измеряемая ЭДС линейно зависит от объемного расхода жидкости. Электромагнитные расходомеры могут быть использованы для жидкостей, имеющих электропроводность не менее 10^-5–10^-6 См/м (что несколько меньше электропроводности питьевой воды).

Основным и существенным недостатком электромагнитных расходомеров с постоянным магнитным полем является возникновение на электродах гальванической ЭДС и ЭДС поляризации, уменьшающих полезно индуцируемую ЭДС и приводящих к значительным погрешностям измерения. Паразитная ЭДС поляризации практически может быть устранена при использовании в качестве магнитов электромагнитов, питаемых переменным током.

Однако использование переменного магнитного поля создает ряд эффектов, искажающих полезный сигнал.

К числу помех относится трансформаторная помеха, достигающая 20–30% полезного сигнала, возникающая из-за ЭДС, наводимой в цепи, образуемой жидкостью в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами. Источником наводимой ЭДС является первичная обмотка питания электромагнитов. Для компенсации трансформаторной помехи принимают ряд мер:

1. Включают два преобразователя расхода по дифференциальной схеме так, чтобы полезные ЭДС складывались, а паразитные вычитались.

2. Используют компенсаторы с автоматическим уравновешиванием двух составляющих напряжения, различающихся по фазе.

3. В цепь усилителя включают фазочувствительный детектор, подавляющий паразитную ЭДС, сдвинутую на 90° относительно полезной.

4. Включают в цепь электродов катушку, расположенную в рабочем магнитном поле и поворачивающуюся до момента компенсации наводимой в ней паразитной ЭДС.

Наряду с трансформаторной помехой имеет место помеха от емкостного эффекта, возникающего из-за большой разности потенциалов между катушкой питания электромагнитов и электродами и паразитной емкости между ними (соединительные провода и т. п.). Для устранения емкостного эффекта необходима тщательная экранировка. Кроме указанных помех имеются помехи от изменения частоты тока, питающего катушки электромагнитов, влияния температуры окружающей среды, внешних наводок.

Несмотря на наличие отмеченных помех и трудность их устранения, в промышленных условиях нашли применение главным образом электромагнитные расходомеры с переменным магнитным полем.

Электромагнитные расходомеры обладают рядом преимуществ. Прежде всего при измерении объемного расхода жидкости нет необходимости в измерении плотности потока. Кроме того, на показания расходомеров не влияют взвешенные в жидкости частицы и пузырьки газа, а также параметры измеряемого потока жидкости (давление, температура, вязкость, плотность и т. п.), если они не изменяют ее электропроводности.

Электромагнитные расходомеры позволяют проводить измерение без потери давления, а также проводить измерения в стерильных объектах.

Электромагнитные расходомеры практически безынерционны и поэтому могут быть использованы при измерении быстро меняющихся потоков.

Выпускаемые в настоящее время электромагнитные расходомеры позволяют измерять расход в широком диапазоне 1–2500 м³/ч для трубопроводов с диаметром 10–1000 мм при линейной скорости движения 0,6–10 м/с. Классы точности расходомеров 1,0–2,5 (при ежедневной корректировке нуля прибора). Электромагнитные расходомеры непригодны для измерения расхода газов и жидкостей с электропроводимостью менее 10^-5–10^-3 См/м, например нефтепродуктов, спиртов и т. д.