2.1. Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления относятся к средствам измерений, называемым расходомерами обтекания. Они основаны на измерении вертикального перемещения чувствительного элемента (тела), зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади проходного отверстия расходомера таким образом, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад давления) остается практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида является сила тяжести чувствительного элемента, выполняемого в виде поплавка или поршня.

К приборам постоянного перепада давления относятся ротаметры, поршневые и поплавковые расходомеры.

Ротаметры, широко применяемые в лабораторных и промышленных условиях, предназначены для измерения плавно меняющегося объёмного расхода однородных потоков чистых и слабозагрязненных жидкостей и газов с дисперсными включениями инородных частиц. Они применяются так же в качестве индикаторов расхода среды в газоанализаторах и других приборах.

Ротаметр в простейшем виде состоит из вертикальной конусной стеклянной трубки (рис.1), внутри которой находится чувствительный элемент, выполненный в виде поплавка.

Для обеспечения устойчивой

работы поплавка верхний его обод снабжен каналами с крутым наклоном. Под действием потока жидкости или газа поплавок вертикально перемещается и одновременно приходит во вращательное движение и центрируется в середине потока. По перемещению поплавка ротаметра вдоль его шкалы, нанесенной на конусной стеклянной трубке, судят об объёмном расходе в единицу времени (л/ч, м³/ч). Имеются ротаметры, у которых поплавок не совершает вращательного движения, а корпус их выполнен из металла.

Поток жидкости или газа, протекающий снизу вверх в конусной трубке ротаметра (рис.1) поднимает поплавок до тех пор, пока площадь кольцевого отверстия Fк между поплавком и внутренней поверхностью конусной трубки не достигнет такого размера, при котором действующие на поплавок силы уравновешиваются. При достижении равновесия сил поплавок устанавливается на высоте, соответствующей определенному значению расхода.

На носовую часть поплавка снизу вверх действуют две силы: сила от давления потока и сила трения потока о поплавок

Сверху вниз на поплавок действуют так же две силы: сила тяжести поплавка и сила от давления потока .

Здесь P1 и P2 – среднее давление потока на единицу носовой и верхней поверхностей поплавка соответственно;

Fn – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

к – коэффициент сопротивления, зависящий от степени шероховатости поверхности и числа Рейнольдса;

n – показатель, зависящий от размера скорости;

- площадь боковой поверхности поплавка;

- объем поплавка;

q – ускорение свободного падения;

- плотность материала поплавка.

С увеличением расхода площадь кольцевого отверстия Fк увеличивается, а скорость

при всех расходах остается постоянной.

Разность средних давлений на носовую и верхнюю поверхность

const, что и дает основание ротаметр называть расходомером постоянного перепада давления.

Расход среды, протекающей через ротаметр, зависит от двух переменных: от коэффициента расхода α и от геометрической формы поплавка.

Для экспериментальной градуировки ротаметров, предназначенных для измерения расхода жидкостей и газов, применяют в качестве градуировочной среды воду и воздух.

Ротаметры, применяемые для измерения объёмного расхода жидкостей и газов, имеют несколько разновидностей. Ротаметры, применяемые для местного измерения расхода, изготавливаются со стеклянной конусной трубкой в виде показывающих приборов.

На рис.2 показано устройство ротаметра со стеклянной конусной трубкой 1, которая зажата в патрубках 2 и 3, снабженных сальниками. Оба патрубка между собой связаны тягами 4 с надетыми на них ребрами 5. Эта армировка придает прибору необходимую прочность.

В нутрии патрубка 2 имеется седло, на которое опускается поплавок 6 при нулевом расходе жидкости или газа.

Верхний патрубок 3 снабжен ограничителем хода поплавка 7. Шкала наносится непосредственно на внешней поверхности стеклянной конусной трубки.

Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка. Ротаметры со стеклянной трубкой применяются для измерения расхода газов или прозрачной жидкости, находящейся под давлением не более 6 кгс/см² (0,6 МПа).

Перепад давления на ротаметре с ростом расхода будет увеличиваться. Это обусловлено ростом потери давления с увеличением расхода жидкости, протекающей через ротаметр.