6. Струйные расходомеры

В струйных расходомерах измеряется перепад давления, возникающий в процессе удара струи жидкости или газа. Они предназначены прежде всего для измерения малых расходов.

При ударе струи о твердое тело возникает давление р_у, зависящее от скорости v, плотности жидкости и от угла между направлением движения жидкости до и после удара р_у = ²(1-cos). Если угол = /2, то р_у = ². В этом случае давление удара р_у в два раза превышает динамическое давление струи.

Заменяя скорость через расход Q, деленный на площадь f струи, получим р_у = Q²/f²(1-cos), следовательно, при =/2, получим р_у = Q²/f². Таким образом, измеряя давление удара р_у, можно судить о величине расхода Q.

Усилие R, с которым струя воздействует на твердое тело, равно R= p_у f=

= Q²/f (1-cos) , при = /2 имеем R=Q²/f. Значит, расход Q можно измерять не только по величине давления р_у, но также и по величине развиваемого усилия.

Принципиальная схема струйного расходомера показана на рис.372. Весь измеряемый поток жидкости вытекает через сопло 1 и ударяется в перегородку 2. давление удара через центральное отверстие в перегородке передается жидкости, заполняющей внутренность сильфона 3, снабженного противодействующей пружиной 4. выходной штуцер 7 сообщен с пространством снаружи сильфона, которое поэтому воспринимает статическое давление потока р_с. Это же давление передается и жидкости, находящейся внутри сильфона. Следовательно, разность давлений, действующая на эффективную площадь сильфона F_с, равна давлению удара р_у. Таким образом, сильфон перемещается под действием силы

R = p_уF_c =.

Перемещение сильфона преобразуется в электрический сигнал с помощью плунжера 5, перемещающегося внутри герметичной немагнитной трубки, снаружи которой находится индуктивная или дифференциально - трансформаторная катушка 6.

Для измерения малых расходов газа разработаны аналогичные струйные расходомеры, у которых вместо сильфона перепад давления воспринимается вялой мембраной большей площади.

Характерной особенностью рассмотренных расходомеров является совмещение в общей конструкции струйного преобразователя расхода сопла и дифференциального манометра. Принципиально возможно и раздельное их выполнение. Но это целесообразно лишь в особых случаях, а также при применении струйных расходомеров для измерения более значительных расходов.

Расходомеры обтекания

Расходомерами обтекания называются приборы, основанные на зависимости от расхода вещества перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока.

Так как поток ограничен стенками трубопровода, то условия обтекания тела будут существенно отличными от условий обтекания такого же тела, помещенного в свободный поток. В большинстве случаев между стенками трубы и обтекаемым телом остается весьма небольшое проходное сечение, обычно кольцевой формы. В этом сечении создается значительная скорость за счет соответствующего падения давления, поэтому на обтекаемое тело помимо динамического давления действует также разность статических давлений.

Формы обтекаемых тел различны: поплавок, поршень, шар, диск, крыло и т.п. У большинства приборов обтекаемое тело перемещается прямолинейно, обычно вдоль своей вертикальной оси. В особой группе приборов тело поворачивается вокруг оси подвеса. Величина перемещения или угла поворота является мерой расхода.

Характер работы рассматриваемых расходомеров зависит от того, создается ли противодействующая сила только весом тела или же еще и другим способом, например с помощью пружины. Расходомеры системы обтекания классифицируются следующим образом.

А. Расходомеры постоянного перепада давления (обтекаемое тело свободно): ротаметры; поплавковые; поршневые.

Б. Расходомеры с изменяющимся перепадом давления (обтекаемое тело свободно): поплавково-пружинные; поплавково-архимедовые; шариковые с движением в криволинейной трубке.

В. Расходомеры с поворотной лопастью: с грузовым уравновешиванием, с пружинным уравновешиванием, компенсационные.

Схемы основных типов расходомеров обтекания показаны на рис.143. Ротаметр (рис.143,а) представляет собой коническую, обычно стеклянную трубку, расходящуюся вверх, внутри которой перемещается поплавок. Шкала наносится непосредственно на стеклянной трубке. У поплавкового расходомера (рис.143,б) конический поплавок перемещается в тонком круглом отверстии. Имеются и другие формы поплавков, например дисковый, перемещающийся в коническом седле подобно изображенному на рис.143,г. В поршневом расходомере (рис.143,в) обтекаемым телом является поршень, движущийся внутри втулки, имеющей одну или несколько боковых отверстий. Поплавковые и поршневые расходомеры обычно снабжаются электрическим или пневматическим преобразователем хода поплавка или поршня. Связь с преобразователем производится с помощью штока, укрепляемого на обтекаемом теле. Иногда конец штока непосредственно связан с отчетным устройством. Все эти приборы основаны на измерении вертикального перемещения тела, изменяющего при этом площадь проходного отверстия, поэтому перепад давления по обе стороны поплавка остается почти постоянным.

Поплавково-пружинный расходомер с осью, перпендикулярной к потоку, и вертикальным перемещением поплавка изображен на рис.143,г, а с осью, параллельной потоку, и горизонтальным перемещением поплавка – на рис.143,д. В этих приборах площадь проходного отверстия может не меняться при перемещении поплавка. В поплавково-архимедовом расходомере роль пружины выполняет архимедова сила – изменение гидростатического давления на тело, связанное с поплавком и частично погруженное в более тяжелую жидкость.

Шариковый расходомер показан на рис.143,е. В изогнутой по дуге окружности, обычно стеклянной трубке постоянного сечения, под давлением потока перемещается шарик. Противодействующей силой является проекция веса шарика на ось трубки. Перепад давления в приборе пропорционален квадрату расхода.

Схемы расходомеров с поворотной лопастью изображены на рис.143,ж,з. В первом случае плоскость лопасти перпендикулярна к потоку, во втором – она параллельна потоку. С увеличением расхода лопасть поворачивается вокруг оси подвеса. Угол поворота является мерой расхода. Противодействующая сила создается весом крыла или деформацией пружины. Имеются также компенсационные расходомеры, в которых давление на лопасть уравновешивается посторонней силой, например давлением сжатого воздуха.

Из всех перечисленных расходомеров обтекания наиболее широкое распространение получили ротаметры. Затем, сравнительно часто, применяются поплавковые расходомеры и расходомеры с поворотной лопастью. Остальные встречаются редко. Ротаметры применяются для измерения небольших расходов жидкости и газа, имеющих незначительное давление. Расходомеры поплавковые и с поворотной лопастью могут применяться при более значительных давлениях и при больших расходах. Расходомеры обтекания сравнительно просты по устройству, надежны в работе и имеют диапазон измерения, доходящий до 8-10, а у расходомеров с поворотной лопастью – даже до 12-15. Приведенная погрешность большинства рассматриваемых приборов лежит в пределах ± (1-2)%.