Расходомеры обтекания

Расходомеры обтекания относятся к большой группе расходомеров, называемых также расходомерами постоянного перепада давления. В этих расходомерах обтекаемое тело (поплавок, поршень, клапан, поворачивающаяся пластинка, шарик и др.) воспринимает со стороны набегающего потока силовое воздействие, которое при возрастании расхода увеличивается и перемещает обтекаемое тело, в результате чего перемещающая сила уменьшается и вновь уравновешивается противодействующей силой. В качестве противодействующей силы служит вес обтекаемого тела при движении потока вертикально снизу вверх или сила противодействующей пружины в случае произвольного направления потока. Выходным сигналом рассматриваемых преобразователей расхода служит перемещение обтекаемого тела. На рис. 7.15 приведены принципиальные схемы преобразовательных элементов расходомеров обтекания, получившие наибольшее распространение.

Рис. 7.15. Схемы преобразовательных элементов расходомеров обтекания

В соответствии со схемой рис. 7.15, а В конической трубке / размещен поплавок 2, при подъеме которого вверх под действием возросшего потока увеличивается площадь проходного кольца между поплавком и стенкой конической трубки, что приводит к уменьшению силы, создаваемой потоком, действующей на поплавок.

Аналогично увеличивается кольцевое сечение между коническим клапаном 2 и цилиндрическим седлом / (рис. 7.15, б).

В схеме рис. 7.15,8 при подъеме поршня 1 увеличивается площадь выходного бокового отверстия 3 в стенке цилиндра 2.

Рассмотрим подробнее принцип работы преобразователя расходомера с поплавком (рис. 7.15, а). Во избежание трения и удара поплавка о стенку трубки в его верхнем ободе 3 выполнены наклоненные к вертикали прорези. Вещество, протекая через прорези, придает поплавку вращение, и он центрируется в середине потока. При равновесии сил, действующих на поплавок, он устанавливается на высоте, соответствующей измеряемому значению расхода.

На нижнюю часть поплавка снизу вверх действует сила 5_П= = P_nf и сила трения S_T = kW_Kⁿfs потока о боковую поверхность fe поплавка.

В последних формулах f — площадь наибольшего поперечного сечения поплавка; Р_п — полное давление потока; k — коэффициент сопротивления, зависящий от степени шероховатости поплавка и числа Рейнольдса; №_к —средняя скорость потока в кольцевом пространстве; п — показатель степени, зависящий от W_K.

На поплавок сверху вниз действует сила 5₀ статического давления Р₂ непосредственно за поплавком: S_c = P2f, а также сила веса поплавка G_n=Vp_ng' (V — объем поплавка; р_п — плотность материала поплавка; g — ускорение свободного падения).

Таким образом, уравнение равновесия поплавка

отсюда разность давлений, действующих на поплавок,

В уравнениях (7.41) и (7.42) архимедова сила, действующая на поплавок, уже учтена в разности давлений, действующих на поплавок.

В первом приближении можно принять, что W_K при изменении расхода жидкостей и газов не изменяется (увеличение расхода приводит к увеличению площади кольцевого канала), тогда правая часть выражения (7.42) будет постоянной: Р_а —P2=const, благодаря чему расходомеры обтекания называют также расходомерами постоянного перепада давления.

В уравнении (7.42) полное давление потока Р_п, действующее на поплавок снизу, является суммой двух давлений: Р_п—Рд + Рь где Рд=Фр№1²/2 —динамическое давление (ср — коэффициент сопротивления попл'авка, зависящей от его конфигурации; р — плотность вещества потока; W\ — средняя скорость потока в сечении А-А); Pi — статическое давление.

С учетом сказанного уравнение (7.42) представим в виде

здесь Р\ и Рг —среднее абсолютное статическое давление в сечениях А-А и В-В; Wi и W2 — средняя скорость потока в сечениях А-А и В-В; ki и k₂ — коэффициенты неравномерности распределения скорости в сечениях А-А и В-В; Н\ и Я₂ — высота сечений А-А и В-В над некоторой нулевой отметкой; | — коэффициент потери энергии на участке между сечениями А-А и В-В.

Уравнение сплошности для несжимаемой жидкости в сечениях

Из (7.43) следует, что разность статических давлений (Pj—Рг) по обе стороны поплавка не является постоянной, а с увеличением расхода ввиду увеличения скорости W\ и соответственно динамического давления на поплавок уменьшается.

Для вывода уравнения расхода выделим сечение А-А, начиная с которого сказывается возмущающее действие поплавка на поток, и сечение В-В, в самом узком месте струи после прохода ее через кольцевое отверстие.

Уравнение Бернулли, записанное для указанных сечений, имеет вид

Из (7.47) следует, что если коэффициент расхода а принять постоянным, то расход вещества может быть определен по значению площади кольцевого отверстия F_K. Учитывая, что F _к — функция положения поплавка, значение высоты его подъема служит мерой расхода.

Как следует из выражения (7.48), а зависит от многих переменных, которые обычно не могут быть найдены аналитически, что и делает невозможным определение а теоретическим путем. В связи с этим ротаметры подвергают градуировке, используя в качестве градуировочной среды воду или воздух. Пересчет показаний ротаметров при измерении других сред производят с учетом их плотности и вязкости по методике, приводимой в инструкциях по монтажу и наладке ротаметров.

Расходомеры обтекания, применяемые для измерения расхода жидкостей и газов, имеют несколько разновидностей. Наиболее распространенные из них приведены на рис. 7.16.

В ротаметрах со стеклянной конической трубкой / (рис. 7.16, с), предназначенных для измерения газов или прозрачных жидкостей, шкала 4 нанесена непосредственно на внешней поверхности стекла. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость вращающегося поплавка 2. На нижнем патрубке имеется седло, на которое опускается поплавок при нулевом расходе вещества. На верхнем патрубке имеется ограничитель хода поплавка 3.

Для измерения расхода непрозрачных жидкостей (рис. 7.16,6) применяют цилиндрическую стеклянную трубку 3 и цилиндрический поплавок / с отверстием посредине, через которое проходит неподвижный стержень 2 конического сечения. При перемещении

где Q — объемный расход жидкости; Fi и F₂ — площадь потока в сечениях А-А и В-В; F_K — площадь кольцевого отверстия между верхней частью поплавка и конусной трубкой; ii=F2/F_K — коэффициент сужения струи.

Решая уравнения (7.44) и (7.45) совместно, имеем

вдоль трубки 1 поплавок одновременно вращается, а кольцевое переменное отверстие для потока создается между поплавком и стержнем 2. Ротаметры со стеклянными трубками изготавливают на максимальное давление 0,6 МПа.

Для измерения расхода газов и жидкостей на технологических потоках применяются ротаметры, снабженные передающими пре-

Рис. 7.16. Схемы расходомеров обтекания

образовательными элементами с электрическим (рис. 7.16, в) или пневматическим (рис. 7.16, г) выходным сигналом.

Ротаметр, показанный на рис. 7.16, в, состоит из металлического корпуса 3, внутри которого при изменении расхода перемещается обтекаемое тело — клапан / конического профиля. Между рабочей поверхностью клапана 1 и кольцевой диафрагмой 2 создается переменное проходное отверстие. С клапаном 1 с помощью штока 4 связан сердечник 5 дифференциально-трансформаторного преобразовательного элемента 7, катушка которого надета на трубку 6 из немагнитной стали. Класс точности этих ротаметров в комплекте со вторичным прибором — 2,5.

Ротаметр, представленный на рис. 7.16, г, отличается от ротаметра на рис. 7.16, в лишь передающим преобразовательным элементом.

В ротаметре, представленном на рис. 7.16, г, сердечник 5, связанный с клапаном 6, выполнен из двух магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Снаружи немагнитной трубки 4 на шарнире расположен магнит 3, являющийся одновременно заслонкой пневматического сопла 2. Внутренний 5 и наружный 3 магниты устанавливаются разноименными полюсами один против другого и образуют уравновешенную систему. Поэтому незначительное перемещение сердечника вверх (при увеличении расхода) вызывает поворот магнита 3, который прикрывает сопло 2, и давление

Рвых между пневмодросселем / и соплом 2 увеличивается. Это приводит к сжатию сильфона отрицательной обратной связи 7 и к перемещению сопла 2 с магнитом 3 вверх. При перемещении магнит 3 несколько отходит от сопла 2. Равновесие системы наступает тогда, когда магнит 3 займет по высоте такое же положение, какое занимает сердечник 5. Таким образом, внешний магнит все время следит за положением внутреннего магнита.

Ротаметры с выходным пневматическим сигналом 0,02—0,1 МПа выпускаются классов точности 1,5 и 2,5.

В поршневом расходомере постоянного перепада давления (рис. 7.16,(3) масса поршня 2 с грузами / и штока с сердечником 3 уравновешивается перепадом давления до и после выходного прямоугольного отверстия 6 в боковой стенке цилиндра. Передающий преобразователь здесь выполнен в виде сердечника 3 из мягкой стали, перемещающегося внутри немагнитной трубки, на которой установлена индукционная катушка 4.

Чем больше расход вещества, тем выше поднимается поршень и приоткрывается проходное сечение в боковой стенке. Давление за отверстием 6 через.-' канал 5 передается в верхнюю часть поршня. Таким образом, перепад давления на отверстии и на поршне один и тот же. Этот перепад создает подъемную силу поршня, уравновешиваемую весом подвижной системы. Изменяя вес подвижной системы с помощью сменных грузов 1, изменяют предел измерения расходомера.

В поршневом расходомере сила трения потока о поршень и динамическое давление направлены перпендикулярно подъемной силе поршня, т. е. вес поршня уравновешивается только перепадом давления на проходном отверстии. Поэтому перемещение поршня происходит при изменении расхода и мало зависит от вязкости потока.

При измерении расхода веществ, обладающих большой вязкостью, поршневые -расходомеры снабжаются паровым подогревателем. Поршневые расходомеры имеют класс точности 2,5.

Дата добавления: 2015-05-29