книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

ших диаметров и при больших скоростях потока, а также в трубо­ проводах некруглого сечения.

Измеряемая среда должна быть чистой и не должна содержать твердых взвешенных частиц. При использовании скоростных трубок заметных потерь напора не наблюдается, что является преимуществом этого метода.

Глава XX

Расходомеры постоянного перепада давления

Наиболее распространенными приборами группы расходо­ меров постоянного перепада давления являются ротаметры. Шкалы ротаметров практически равномерны, ими можно измерять малые расходы, потери давления в них незначительны и не зависят

/не достигнет такой величины, при которой дей­ ствующие на поплавок силы уравновешива­

сила тяжести и сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка.

Сила тяжести

Сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка равна pis, где р'2— среднее давление потока на единицу верхней плоскости поплавка; s —: площадь наибольшего поперечного сече­

трения потока о поплавок kv"se, где k — коэффициент сопроти­ вления, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поверхности; vK— средняя скорость потока в кольцевом канале,

210

sK— площадь кольцевого отверстия, образованного конусной трубкой и верхней частью поплавка.

Из совместного решения уравнений (140) и (141) получим уравнения расхода:

где a — коэффициент расхода;

р х— р 2— разность статических давлении, действующих на поплавок;

где

г

; (Vpn — slp)— ks6vK —фр -

а х — а ~ ^ f

gV (рп — р)

Так как величины под корнем в уравнении (145) практически постоянны, то корень из них можно заменить коэффициентом k.

212

в уравнение расхода ввести поправочный коэффициент. Однако если учесть, что в ротаметрах перепады давлений не превышают 0,005 МН/м2 (0,05 кгс/см2), то можно считать 8 = 1 .

Коэффициент расхода а г для ротаметров зависит от большого числа величин, которые, как правило, не поддаются аналити­ ческому определению. Поэтому ротаметры градуируют экспери­ ментально. Однако экспериментальная градуировка шкалы ро­ таметра точна лишь в том случае, если при эксплуатации значе­ ния всех величин, входящих в уравнение расхода, соответствуют градуировочным условиям.

Изменение температуры потока изменяет плотность среды и ее вязкость, а следовательно, и величину коэффициента расхода. В еще большей степени будут изменяться величины, входящие в уравнение расхода в том случае, когда ротаметр применяется для измерения расхода другой среды, отличающейся от градуи­ ровочной.

И в том и в другом случае показания прибора необходимо

a t. Только в тех случаях, когда вязкость среды очень мала и коэф­ фициент расхода а х незначительно изменяется с изменением температуры и давления, можно использовать поправочный коэффициент в форме

Для газов, у которых р пренебрежительно мало по сравнению с р„, эта формула принимает вид

Ротаметры выполняются со стеклянной или металлической трубкой. На рис. 152 показано устройство ротаметра со стеклян­ ной конической трубкой 1, закрепленной в двух металлических головках 2 и 3, снабженных сальниками и фланцами для вклю-

213

\

чения в вертикальный трубопровод. Головки стянуты одна К Дру­ гой несколькими тягами 4, образующими вместе с поперечинами 5 защитную решетку вокруг стеклянной трубки. Внутри трубки 1 свободно перемещается поплавок 6, имеющий форму волчка.

В нижней головке имеется седло, на которое опу­ скается поплавок при пре­ кращении потока. Верх­ няя головка снабжена ограничителем хода по­ плавка. Седло и ограни­ читель хода не позволяют поплавку выйти за пре­ делы стеклянной трубки.

Шкала 7 прибора вытравлена на самой стеклянной трубке, от­ счет ведется по верхней горизонтальной плоскости поплавка.

В верхней части поплавка часто делаются косые прорези, благодаря чему поплавок вращается вокруг вертикальной оси. При вращении поплавок центрируется внутри трубки, не соприкасаясь со стенками; его чувствительность повышается.

214

По вращению поплавка можно определить состояние прибора (отсутствие трения и засорения).

Ротаметры со стеклянной трубкой изготовляются на давления жидкости или газа, не превышающие 0,58 МН/м2 (6 кгс/см2). При более высоких давлениях жидкости или газа, а также для

измерения расхода пара применяются ротаметры с металлической трубкой.

Рассмотренные ротаметры имеют недостатки: невозможно ре­ гистрировать их показания и передавать эти показания на рас­ стояние; шкалы приборов недостаточно четки. Ротаметры с ме­ таллической трубкой с электрической или пневматической пере­ дачей показаний на расстояние не имеют этих недостатков. Изме­ рительное устройство ротаметра с электрической и пневматической передачей на расстояние не отличается от описанных измери­ тельных устройств показывающих ротаметров.

На рис. 153 приведена принципиальная схема ротаметра с электрической дифференциально-трансформаторной передачей показаний на расстояние.

Измерительная часть ротаметра выполнена из цилиндри­ ческого металлического корпуса 1 (сталь Х18Н9Т) с диафрагмой 2. Внутри диафрагмы перемещается конусный поплавок 3, жестко насаженный на шток 4. На верхнем конце штока укреплен сер­ дечник 5 дифференциально-трансформаторного преобразователя. Сердечник помещается внутри разделительной трубки 6, снаружи которой находится катушка преобразователя.

В другой модели ротаметра поплавок перемещается внутри конической трубки. Бесшкальные ротаметры работают в комплекте с показывающим или регистрирующим вторичным дифференци­ ально-трансформаторным прибором.

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 рота­ метром, составляют 15—20% верхнего предела измерения. Основ­ ная погрешность комплекта (преобразователя и вторичного при­ бора) 2,5—3% верхнего предела измерения.

Для измерения расхода во взрывоопасных и пожароопасных условиях применяются ротаметры с пневматической дистанцион­

Прибор состоит из двух основных частей: собственно рота­ метра и механизма пневматической дистанционной передачи. Собственно ротаметр состоит из конического поплавка 1, диа­ фрагмы 2 и цилиндрической металлической трубки 3 из стали Х18Н9Т; имеются модели ротаметров с поплавком, перемещаю­ щимся внутри конусной трубки. На штоке 4 закреплены два ци­ линдрических постоянных магнита 5, обращенные друг к другу одноименными полюсами. Магниты перемещаются вместе с поплав­ ком внутри [трубки 6, выполненной из немагнитного материала.

2 1 5

Снаружи трубку 6 охватывает вилка, составленная из двух пло­ ских укрепленных на рычаге 8 магнитов 7. Перемещение поплавка с помощью магнитной муфты, образованной внутренними маг­ нитами 5 и наружными магнитами 7, передается через рычаг 8 стрелке 9, показывающей величину расхода на шкале 10. Сле­ довательно, ротаметр без пневматического преобразователя пред-

ставляет собой показывающий прибор со шкальным отсчетным устройством, предназначенный для местного измерения.

Механизм пневматической дистанционной передачи состоит из пневмообразователя, работающего по схеме компенсации пере­ мещений, и вторичного усилительного пневмореле (см. рис. 73).

Серийные модели ротаметров рассчитаны на рабочее давление до 6,27 МН/м2 (64 кгс/см2). Ими замеряются расходы (по воде)

от 0,44 10-4 до 0,44 • 10~2 м3/с.

(■- ' Основная погрешность комплекта (преобразователя и вторич­ ного прибора) 2,5—3% верхнего предела измерений. Вторичный прибор устанавливается на расстоянии до 250 м.

216

для измерения расхода особо активных жидкостей. Они могут также применяться для измерения расхода в пульсирующих потоках и жидкостей, смешанных с газом.

Во всех случаях расход жидкости расходомерами переменного уровня измеряется при атмосферном давле­ нии, что в значительной степени ограничивает их применение.

Расходомер переменного уровня включает в себя приемную емкость (сосуд) с отверстием истечения той или иной формы и измеритель уровня жидкости. В качестве измерителей уровня могут применяться любые приборы. Приемными емкостями слу­ жат цилиндрические или прямоуголь­ ные сосуды с круглым (диафрагма) или щелевым отверстием истечения. Диафрагма может быть расположена как в дне сосуда, так и в боковой стенке, причем уровень жидкости в сосуде должен быть выше отвер­

стия истечения. Щелевые отверстия располагаются только в бо­ ковой стенке приемного сосуда; в этом случае уровень жидкости в сосуде должен быть не выше верхнего края щелевого от­ верстия.

Расходомеры с круглым отверстием истечения. На рис. 155

показана схема расходомера переменного уровня с нормальной диафрагмой, установленной в дне цилиндрического сосуда.

Расходомер состоит из цилиндрического сосуда с подводя­ щим жидкость патрубком 2. Внутри сосуда установлены сетчатые перегородки 3, которые выполняют роль фильтра, предотвращаю­ щего засорение диафрагмы, а также роль успокоителя потока жидкости. В дне сосуда 4 установлена нормальная диафрагма 5, через которую жидкость может свободно вытекать в отводящий трубопровод. По уровнемерному стеклу 1 определяют уровень жидкости в сосуде (могут быть применены и другие уровнемерные устройства). Заменяя диафрагму, можно менять пределы изме­ рения (в широком диапазоне).

2 1 7

Величина расхода при свободном истечении определяется по ранее выведенному уравнению (116) ; ля сужающего устройства в трубопроводе:

Q = aso y r~ (р1— /'2) м3/с;

в данном случае

где ос — коэффициент расхода диафрагмы; s0 — сечение отверстия диафрагмы в м2;

Н — высота столба жидкости над отверстием диафрагмы в м. Расходомеры переменного уровня применяются для измерения небольших расходов. При больших расходах велика высота приемных емкостей (сосудов), которая обычно не должна пре­ вышать 1000— 1500 мм. Это обстоятельство приводит к небольшим скоростям истечения. Диаметр отверстия истечения у расходомеров переменного уровня обычно небольшой, поэтому влияние затуп­

ления входной кромки диафрагмы здесь весьма существенно. Если диафрагма устанавливается в боковой стенке сосуда,

то в формулу (147) следует подставлять высоту уровня Я, считая от центра отверстия диафрагмы.

Расходомеры со щелевым отверстием истечения. В сосуде со щелевым отверстием истечения расход определяется по высоте уровня жидкости над нижней кромкой отверстия. На рис. 156 показана принципиальная схема расходомера со щелевым отвер­ стием истечения.

Расходомер представляет собой прямоугольный корпус 2 с двумя штуцерами: боковым — для ввода измеряемой жидкости и нижним — для слива жидкости в открытый приемник. Внутри корпус разделен глухой перегородкой, к которой герметично прикреплен щит с профилированной щелью.

В зависимости от измеряемой жидкости корпус расходомера изготовляется из различных материалов: стали Х18Н9Т, стали, футерованной свинцом, фаолита и т. д.

Уровень жидкости измеряется пьезометрическим методом (см. стр. 238). В сосуд перед сливной щелью в защитном чехле погру­ жена пьезометрическая трубка 1, через которую непрерывно продувается воздух. Количество продуваемого воздуха контро­ лируется с помощью контрольного стаканчика 4, а давление воздуха поддерживается постоянным с помощью редуктора 6. Для очистки воздуха служит фильтр 7. Аппаратура регулирования и дозирования сжатого воздуха монтируется на специальной панели, называемой блоком питания воздуха.

Давление в пьезометрической трубке однозначно связано с плотностью и высотой столба жидкости перед щелью, а следо­ вательно, и с массовым расходом жидкости. Величина гидроста­ тического напора в пьезометрической трубке измеряется вторич­ ным прибором — дифманометром 3.

Для решения уравнения (149) необходимо знать зависимость между х н у .

Для получения равномерной шкалы прибора между Q и Я

219