1.3 Расходомеры постоянного перепада давления. Ротаметры.

Рассмотренные выше расходомеры переменного перепада давления нашли наибольшее распространение в промышленности. Однако из-за существующих ограничений на их применение стандартные сужающие устройства могут применяться не всегда. В этих случаях используются другие типы расходомеров.

Ротаметры применяются в промышленных и лабораторных условиях при измерении малых расходов жидкостей и газов в вертикальных трубо­проводах диаметром 4-100 мм. Пределы измерения ротаметров по воде на­ходятся в диапазоне от 0,04 до 16м³/ч, а по воздуху — от 0,063 до 40 м³/ч.

На рис. 1.8 показана схема рабочего участка ротаметра. В самом общем случае ротаметр представляет собой вертикальную коническую (слегка расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1, в которой располагается поплавок 2. Форма поплавка может быть самой различной, например цилиндрической, с нижней конической частью и верхним ци­линдрическим бортиком, с вырезанными на нем косыми канавками. Сре­да, расход которой измеряется, протекая через эти канавки, обеспечивает вращение и самоцентрирование поплавка по оси трубки, исключая тем самым его трение о стенки.

Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании силы тяжести силами, действующими на поплавок со стороны про­текающей среды.

На поплавок, имеющий объем V и плотность р_п, действует сила тяжести G_g :

Со стороны протекающей среды на поплавок действуют:

• сила, обусловленная разностью статических Р₁-Р₂ (Р₁ — статичес­кое давление в сечении А-А, Р₂, — в самом узком сечении Б-Б), возникаю­щей вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре между стенкой труб­ки и поплавком, F = ( Р₁-Р₂) f, здесь f— площадь наибольшего сечения;

Рис. 1.8. Принципиальная схема ротаметра

• динамический напор

где ξ, — коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы;

р — плотность измеряемой среды;

V — скорость среды в сечении А-А;

— сила трения потока о боковую поверхность поплавка

где к — коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шеро­ховатости поверхности поплавка;

Vk — средняя скорость потока в кольцевом зазоре;

п — показатель степени, зависящий от скорости;

f₆ — площадь боковой поверхности поплавка.

Поплавок будет стационарно висеть в потоке движущейся жидкости или газа при соблюдении равенства сил

, (1.13)

Так как силами W и N по сравнению с F можно пренебречь, запишем:

(1.14)

или ,

или , (1.15)

т.е. перепад давления на поплавке не зависит от расхода измеряемой сре­ды. Поэтому ротаметры и относятся к типу расходомеров постоянного перепада давления.

Поясним работу ротаметра, используя уравнение (1.13).

Предположим, что при объемном расходе среды G_o поплавок занима­ет положение, характеризующееся площадью кольцевого зазора в самом узком сечении (В-В, рис. 1.8) f_k1, при этом на поплавок действует сила, вызванная перепадом (Р₁-Р₂,), при котором выполняется равенство (1.15). При увеличении расхода в начальный момент времени положение поплавка Н и f_kl неизменно, в силу чего Р₁-Р₂ начнет возрастать, равенство (1.15) нарушится и поплавок начнет подниматься вверх. Но по мере подъема поплавка будет увеличиваться f_k1 (из-за конусного профиля трубки 1, рис. 1.8), что приведет к уменьшению Р₁-Р₂. Подъем поплавка прекратит­ся, как только восстановится равенство (1.15), т.е. при достижении равен­ства основных сил (1.14), действующих на поплавок.

Очевидно, что каждому расходу будет соответствовать вполне опре­деленная площадь f_k кольцевого зазора, т.е. конкретная высота подъема поплавка Н.

Уравнение, связывающее объемный расход G_o и площадь кольцевого зазора f_k, принято записывать в виде, аналогичном уравнению расхода для расходомеров переменного перепада (с сужающими устройствами):

, (1.16)

Из этого уравнения следует, что при α = const зависимость между Q_o и f_k и G_o и Н линейная. Однако так как трубка ротаметра кони­ческая, то линейной зависимости не будет из-за нелинейной зави­симости f_k = f(H). Кроме того, в реальных условиях при перемеще­нии поплавка пусть и незначительно, но меняется и а (коэффици­ент расхода). Поэтому при использовании равномерной шкалы для ротаметров вносится определенная доля в общую погрешность из­мерения.

Из (1.16) также следует, что положение поплавка зависит не только от расхода, но и от плотности среды, расход которой измеряется, т.е. гра­дуировка ротаметра должна производиться с учетом р_с . Поэтому рота метры подразделяются на две группы: для жидкостей — градуируемые на воде и для газов — градуируемые на воздухе.

Если эти ротаметры используются для измерения расхода других сред, то необходимо в выражение (1.16) в виде сомножителя вводить поправоч­ный коэффициент к. В случае, когда вязкости измеряемой и градуировочной сред близки,

,

где ρ_гр и ρ_ср — градуировочная и действительная плотность среды; ρ_п — плотность материала поплавка. Обычно для газов ρ_ср << ρ_п и в этом случае

Переградуировка ротаметра для измерения расхода других сред, а так­же для расширения или сужения диапазона с целью увеличения точности измерений может быть осуществлена изменением р_п, т.е. поплавок изго­тавливается из другого материала или пустотелым.

Класс общепромышленных ротаметров не выше 2,5, минимальный измеряемый расход 0,2 G_b.п. (т.е. реальный диапазон 20-100% от вер­хнего предела измерения). Погрешность ротаметров может быть уменьшена в 2-3 раза индивидуальной градуировкой.

Для измерения расхода газа или прозрачных жидкостей, нахо­дящихся под давлением не более 0,6 Мпа (6 кгс/см²), используются рота­метры со стеклянной конической трубкой, на наружной поверхности которой нанесена мерная шкала. Указателем является верхняя горизон­тальная плоскость поплавка.

Для измерения расхода сред под избыточным давлением до 6,4 МПа (64 кгс/см²) применяются ротаметры с металлической конической труб­кой. Такие ротаметры снабжаются дифференциально-трансформаторными или пневматическими преобразователями для дистанционной передачи показаний.

Класс приборов с дифференциально-трансформаторным преобразователем в комплекте с вторичным прибором — 2,5; с выходным пневматическим сигналом выпускаются двух классов — 1,5 и 2,5

Поплавки изготавливаются из материалов, не корродирующих в сре­де, расход которой контролируется (сталь, алюминий, бронза, фторопласт, эбонит и т.д.).

Ротаметры обладают следующими достоинствами:

• простота устройства и изготовления;

• возможность измерения малых расходов в трубопроводах малого диаметра;

• практически равномерная шкала;

• широкий диапазон переградуировки.

К недостаткам нужно отнести:

• необходимость установки строго вертикально;

• непригодность при измерении расхода сред с высокими давлением и температурой;

• трудности дистанционной передачи и записи информации.