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.

Наиболее распространенными расходомерами постоянного перепада давления являются ротаметры. Основная измерительная часть ротаметров – ротаметрическая пара. Различают три типа ротаметрических пар (рис. 3.11).

Ротаметрическая пара первого типа состоит из измерительного конуса и поплавка (ротора). Эта конструкция применяется в стеклянных и металлических ротаметрах. 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.

Рис. 3.11. Схемы ротаметрических пар: а – пара первого типа в стеклянных ротаметрах; б – то же в металлических; в – пара второго типа; г – пара третьего типа

Теоретические основы измерения расхода при помощи ротамет­ров.Рассмотрим ротаметрическую пару первого типа. Поплавок в потоке обтекающей его жидкости находится под действием системы сил (рис. 3.12). На поплавок действуют:

а) сила тяжести поплавка

(3.9)

где W – объем поплавка; g – ускорение свободного падения; r, r_n – плотность жидкости и плотность материала, из которого изготовлен поплавок;

б) сила давления на верхнюю часть поплавка

(3.10)

где p₂ – давление жидкости над поплавком; w_n – площадь поплавка;

в) сила давления на нижнюю часть поплавка

(3.11)

где p₁ – давление жидкости под поплавком;

г) сила трения потока о поплавок

(3.12)

где K – коэффициент сопротивления поплавка; v_K – скорость движения жидкости в кольцевом канале между поплавком и стенкой; w_б – площадь боковой части поплавка.

д) сила динамического давления

, (3.13)

где j – коэффициент сопротивления (обтекания) поплавка; r – плотность жидкости; v₁ – скорость движения жидкости в сечении 1–1 (см. рис. 3.12).

Перепад давления на поплавок определится из условия равновесия поплавка:

; (3.14)

; (3.15)

; (3.16)

(3.17)

Для вывода основного уравнения расхода жидкости, протекающей через ротаметр, составим уравнение Бернулли для сечений 1–1 и 2–2 (см. рис. 3.12):

(3.18)

Решая совместно уравнения (3.17) и (3.18), получим зависимость для определения скорости движения жидкости в кольцевом канале

, (3.19)

тогда расход определится как

, (3.20)

где k₁ – коэффициент расхода ротаметра; w_к – площадь кольцевого зазора между поплавком и стенкой.

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

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. 3.13) заменяют ранее выпускавшиеся типа РС.

Поплавок 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 ^оС. 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 %.

Рис. 3.13. Ротаметры со стеклянной измерительной трубкой: а – с фланцевыми соединениями; б – с защитной трубкой;
в – со штуцерами для шлангов; г – РС-3А

Ротаметры типа РЭ с дистанционной электрической передачей показаний состоят из двух основных частей – ротаметрической и электрической (рис. 3.14). Ротаметрическая часть представляет одну из трех типов ротаметрических пар, размещенных в металлическом корпусе. Поплавок жестко связан с подвижной осью, перемещающейся внутри корпуса. Электрическая часть состоит из индукционной катушки и сердечника, закрепленного на оси поплавка. Катушка включена в дифференциально-трансфор­маторную схему вторичного прибора. Электрическая часть защищена от попадания измеряемой среды измерительной трубкой, а снаружи – кожухом. Ротаметры поставляются в комплекте с вторичным прибором, как правило, серии КСД. Нижний предел измерения ротаметров типа РЭ не более 0,2 от верхнего, класс точности 2,5.

Ротаметры с процентной шкалой и унифицированным пневматическим выходным сигналом (0,02¸0,1 МПа) выпускают трех типов: РП с корпусом из нержавеющей стали, РПФ с корпусом, армированным фторопластом, и РПО с паровым обогревом корпуса. Связь поплавка с пневматической системой в ротаметрах типа РП осуществляется за счет сдвоенного магнита, установленного на подвижном шарнире поплавка, который через стенку корпуса управляет положением следящего магнита и связанной с ним заслонки. Эти приборы предназначены для применения во взрывоопасных производствах.

Рис. 3.14. Металлические ротаметры РЭ: а – для малых расходов; б, в – для больших и средних расходов

Ротаметры, особенно со стеклянной трубкой, требуют точной установки по вертикали. Отклонение оси ротаметра от вертикали на 1¸3^о приводит к существенным дополнительным погрешностям измерения расхода.

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