Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры обтекания – это приборы, основанные на зависимости расхода вещества от перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока.

В расходомерах постоянного перепада давления расход вещества зависит от перемещения тела, изменяющего при этом площадь проходного отверстия таким образом, что перепад давления по обе стороны поплавка остаётся постоянным [4].

Среди расходомеров обтекания наиболее распространены ротаметры (рис.6).

Ротаметры имеют большой диапазон измерения Q_max /Q_min = 10. 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 [4]. 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.

Сила тяжести:

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

Рис .6. Схема ротаметра

Сила от давления потока на верхнюю плоскость поплавка:p₂s, где p₂ – 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 p₁s 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 сумма сил, действующих снизу равна сумме сил, действующих сверху:

V_пg+ p₂s= p₁s+

или

p₁ - p₂ = (1)

С увеличением расхода поплавок поднимается в более широкую часть трубки, при этом увеличивается площадь кольцевого канала, следовательно _k при всех расходах остается неизменной. Вся правая часть уравнения (1) будет постоянной, так как остальные величины для данного прибора тоже постоянны. Следовательно, разность давлений на поплавок p₁ - p₂ = const, т.е. ротаметр является прибором постоянного перепада давления [4].

Из совместного решения уравнений Бернулли и неразрывности получим уравнение расхода:

(2)

где - коэффициент расхода; p₁ – p₂ - разность статических давлений, действующих на поплавок.

Здесь l расстояние между сечениями I – I и II – II.

После ряда преобразований получим:

Q =₁ s_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.

Тахометрические расходомеры и счётчики

Тахометрические приборы используются для измерения расхода и количества жидких и газообразных сред. Их принцип действия основан на зависимости скорости движения преобразовательного элемента, установленного в трубопроводе или в специальной камере, от расхода жидкости (газа). Существуют тахометрические турбинные и шариковые приборы [1].

Турбинный счётчик-расходомер использует многолопаточный ротор, который поддерживается при помощи подшипников внутри секции трубы перпендикулярно потоку (рис.7) [3]. Жидкость вращает

Рис.7. Тахометрический турбинный расходомер

ротор со скоростью, пропорциональной скорости жидкости и, следовательно, общему объёмному расходу [3]. Магнитная катушка, расположенная снаружи прибора, производит переменное напряжение каждый раз, когда лопатка пересекает линии магнитного поля катушки. Частота, возникающих при этом электрических импульсов пропорциональна измеряемому расходу, а число импульсов за определённый промежуток времени соответствует количеству, пошедшего вещества. Так как ротор обычно изготавливается из нержавеющей стали, он совместим со многими средами [3]. Однако подшипники, которые необходимы для поддержки ротора и должны позволять ему вращаться свободно с высокой скоростью требуют тщательного процесса очистки. Поэтому эти приборы в основном используются в однородных средах, например для воды и некоторых нефтепродуктов [3]. Тахометрические приборы обладают высокой точностью, но они требуют частой поверки установками повышенной точности.