Ротаметры

Расходомеры постоянного перепада

Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами) находят наибольшее распространение в промышленности. Из-за существующих ограничений на применение стандартные сужающие устройства используются не всегда. В этих случаях используются другие типы расходомеров, наиболее употребительные из которых рассмотрены ниже.

Пределы измерения расхода «по воде» – 0,0025¸16 м³/ч, «по воздуху» – 0,063¸40 м³/ч. Погрешность измерения – 2,5¸4,0 %.

Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы измерения ротаметров по воде находятся в пределах от 0,04 до 16 м³/ч) или газов (верхние пределы измерения ротаметров по воздуху находятся в пределах от 0,063 до 40 м³/ч). Ротаметры устанавливаются в вертикальных трубопроводах диаметром 4¸100 мм.

В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1 (рис. 9.4), внутри которой располагается поплавок 2.

Рис. 9.4. Схема ротаметра

Поплавки могут иметь различную форму, например, цилиндр с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.

Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор f _к, при прохождении через который жидкость су-

жается и, таким образом, возникает разность между давлением p ₁ в сечении АА до начала сужения и давлением p ₂ в самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь f _к увеличивается, что в случае неизменного расхода приведет к уменьшению разности p ₁ – p ₂. Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно связано с расходом.

На поплавок, имеющий объем V, наибольшее сечение f, среднюю плотность Δr, сверху вниз действует сила тяжести

. (9.6)

Снизу вверх на поплавок действуют:

1) сила, обусловленная разностью статических давлений p ₁ – p ₂, возникающая вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре между стенкой и поплавком, F = (p ₁ – p ₂) f;

2) динамический напор W= j ( r v ²/2 ) f, где j – коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы; r – плотность среды; v – ее скорость в сечении АА;

3) сила трения потока о боковую поверхность поплавка N = kvⁿ _к f _б, где k – коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поплавка; v _к – средняя скорость потока в кольцевом зазоре; n – показатель степени, зависящий от скорости; f _б – площадь боковой поверхности поплавка.

Число Рейнольдса (Re) представляет собой отношение сил инерции к силам вязкости потока:

, (9.7)

где v – средняя по сечению трубопровода скорость потока, D – диаметр трубопровода, n – кинематическая вязкость потока.

Поплавок будет неподвижно висеть в потоке жидкости или газа, если будет соблюдаться равенство сил, действующих на него сверху и снизу:

. (9.8)

Отсюда можно получить уравнение

. (9.9)

Если пренебречь силами W и N, то можно записать

, (9.10)

т.е. перепад давления на поплавке оказывается не зависящим от расхода (в действительности из-за увеличения W и N перепад с увеличением расхода несколько уменьшается). Поэтому ротаметры относятся к группе расходомеров постоянного перепада. Действие ротаметра можно пояснить, используя выражение (9.10).

Предположим, что при исходном расходе Q _о поплавок занимает исходное положение, характеризующееся площадью кольцевого зазора f _к1. При этом на поплавок действует перепад p ₁ – p ₂, при котором выполняется равенство (9.10). При увеличении расхода в первый момент положение поплавка и f _к неизменны, в силу чего p ₁ – p ₂ начнет увеличиваться. При этом нарушается равенство (9.10) и поплавок начнет подниматься вверх. При этом f _к будет увеличиваться (из-за конусного профиля трубки), что приведет к уменьшению p ₁ – p ₂. Подъем поплавка будет осуществляться до тех пор, пока вновь не восстановится равенство (9.10). Очевидно, что любому расходу будет соответствовать определенная площадь f _к кольцевого зазора, т.е. определенное положение поплавка. Уравнение, связывающее Q _о и f _к, обычно записывается в виде, аналогичном уравнению расхода для расходомеров переменного перепада:

. (9.11)

Из (9.11) следует, что при a = const существует линейная зависимость между Q _о и f _к. Однако при конической форме трубки линейной зависимости между Q _о и перемещением поплавка Н не будет из-за нелинейной зависимости f _к = j (H). Кроме того, в реальных условиях при перемещении поплавка несколько изменяется a. Поэтому использование равномерной шкалы для ротаметров обусловливает определенную долю в общей погрешности измерения.

Из (9.10) следует также, что положение поплавка зависит не только от расхода, но и от плотности контролируемой среды, т.е. градуировка ротаметра должна производиться с ее учетом. Из-за большого разнообразия контролируемых сред ротаметры подразделяются на две группы: для жидкостей, которые градуируются на воде, и для газов, которые градуируются на воздухе.

Если такие ротаметры используются для измерения расхода других сред, то их показания нужно умножать на поправочный множитель k. Если вязкости измеряемой и градуировочной сред близки, то

, (9.12)

где r_гр и r – градуировочная и действительная плотность среды соответственно.

Обычно для газов r << r_п, и в этом случае. Переградуировка ротаметра в соответствии с (9.11) может быть осуществлена изменением r_п, например, путем изготовления поплавка из другого материала или пустотелым.

Обычно в ротаметрах используются стеклянные конические трубки, на наружной поверхности которых нанесена шкала. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка. Ротаметры со стеклянной конусной трубкой применяются для измерения расхода газов или прозрачных жидкостей, находящихся под давлением не более 0,6 МПа (6 кгс/см²).

Для измерения расхода сред под избыточным давлением до 6,4 МПа (64 кгс/см²) используются ротаметры с металлической конической трубкой. Обычно такие ротаметры снабжаются дифференциально-трансформаторными или пневматическими преобразователями для дистанционной передачи показаний. Класс ротаметров с дифференциально-трансформаторным преобразователем в комплекте с вторичным прибором равен 2,5. Ротаметры с выходным пневматическим сигналом 0,2¸1 кгс/см² выпускаются классов 1,5 и 2,5.

Материал поплавков – сталь, алюминий, бронза, эбонит, пластмассы – не должен подвергаться коррозии в контролируемой среде.

Ротаметры обладают рядом достоинств: простота устройства; возможность измерения малых расходов и на трубопроводах малых диаметров; практически равномерная шкала.

Недостатки ротаметров: необходимость установки только на вертикальных участках трубопроводов; трудности дистанционной передачи показаний и записи; непригодность для измерения расхода сред с высоким давлением и температурой.

Дата добавления: 2014-01-03