4. Расходомеры постоянного перепада давления

Расходомеры постоянного перепада давления относятся к группе расходомеров обтекания, т.е. к расходомерам, основанным на зависимости перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обтекающего его потока, от расхода измеряемой среды.

Измерительный орган этих расходомеров, перемещаясь вертикально, в зависимости от расхода, изменяет площадь кольцевого зазора таким образом, что перепад давления по обе его стороны остается постоянным.

Н аиболее распространенными расходомерами постоянного перепада давления являются ротаметры. Основной измерительной частью ротаметров является ротаметрическая пара. Различают три типа ротаметрических пар (рис. 3.1).

Ротаметрическая пара первого типа состоит из измерительного конуса и поплавка (ротора). Эта конструкция применяется в стеклянных и металлических поплавках. Пара второго типа состоит из диафрагмы и поплавка и применяется в металлических ротаметрах. Ротаметрическая пара третьего вида состоит из кольцевого поплавка, размещенного в зазоре между внешним и внутренним конусами. Такие пары применяются в металлических ротаметрах для измерения больших расходов жидкости.

Теоретические основы измерения расхода при помощи ротаметров

Рассмотрим ротаметрическую пару первого типа. Поплавок в потоке обтекающей его жидкости находится под действием системы сил (рис. 3.2).

Н а поплавок действуют:

а) сила тяжести поплавка

 

                                                   (3.1)

где W - объем поплавка; g - ускорение свободного падения;  ,  _n - плотность жидкости и плотность материала, из которого изготовлен поплавок;

б) сила давления на верхнюю часть поплавка

                                                                                             (3.2)

где p₂ - давление жидкости над поплавком;  _n - площадь поплавка;

в) сила давления на нижнюю часть поплавка

                                                                                             (3.3)

где p₁ - давление жидкости под поплавком;

г) сила трения потока о поплавок

                                                                                         (3.4)

где К - коэффициент сопротивления поплавка; v_K - скорость движения жидкости в кольцевом канале между поплавком и стенкой;  _б - площадь боковой части поплавка.

д) сила динамического давления

,                                                                                          (3.5)

где  - коэффициент сопротивления (обтекания) поплавка;  - плотность жидкости; v₁ - скорость движения жидкости в сечении 1-1 (рис. 3.2).

Перепад давления на поплавок определится из условия равновесия поплавка

                                                                                     (3.6)

         (3.7)

         (3.8)

                                 (3.9)

Для вывода основного уравнения расхода жидкости, протекающей через ротаметр, составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рис. 3.2):

                                             (3.10)

Решая совместно уравнения (3.9) и (3.10), получим зависимость для определения скорости движения жидкости в кольцевом канале

,                                                                          (3.11)

тогда расход определится как

,                                                                  (3.12)

где k₁ - коэффициент расхода ротаметра;  _к - площадь кольцевого зазора между поплавком и стенкой.

Коэффициент расхода ротаметра зависит от угла конусности, формы и веса поплавка, плотности и вязкости жидкости и установить его, даже для каких-либо эталонных условий, практически невозможно. Поэтому при изготовлении ротаметров прибегают к их экспериментальной градуировке.

2. Конструкции ротаметров

По конструктивному исполнению ротаметры подразделяют на стеклянные с местным отсчетом (РМ) и металлические с электрическим (РЭ) или пневматическим (РП) выходным сигналом.

Ротаметры типа РМ со стеклянной трубкой (рис. 3.3) заменяют ранее выпускавшиеся типа РС.

П оплавок у ротаметров типа РМ в зависимости от пределов измерения изготавливают из стали, анодированного дюралюминия, эбонита или титана. Ротаметры этого типа могут работать при температуре измеряемой среды в пределах от 5 до 50 ⁰С. ,Они находят широкое применение в научных исследованиях, а также в промышленности для измерения небольших расходов жидкости и газов (например в хлораторах ЛОНИИСТО). Основная наибольшая приведенная погрешность составляет  2,5%.

К достоинствам ротаметров следует отнести сравнительно небольшие потери напора ( h  1 м), которые мало зависят от расхода: например, при изменении расхода в 5 раз потери напора увеличиваются в 1,5..2 раза.

Контрольные вопросы

1. К какой группе расходомеров относятся ротаметры?

2. Какие силы действуют на поплавок?

3. Как изменится перепад давления, если вес поплавка увеличить?

4. Как изменится перепад давления, если вес поплавка уменьшить?

5. Как изменится положение поплавка, если его вес уменьшить, а расход оставить постоянным?

Рис. 3.4. Металлические ротаметры РЭ:

а) для малых расходов; б, в) для больших и средних расходов

1. Как изменится положение поплавка, если его вес увеличить, а расход оставить постоянным?

2. Чем объясняется горизонтальный участок на тарировочном графике?

3. Как изменится горизонтальный участок на тарировочном графике, если увеличить вес поплавка?

4. Как изменится угол между тарировочным графиком и горизонтальной линией при увеличении веса поплавка?

5. В каких единицах отградуирована шкала стеклянного ротаметра?