Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры)

Ротаметры (рис. 5.15) относятся к расходомерам постоянного перепада давления. Они состоят из конической (обычно изготовленной из химически устойчивого или термостойкого материала, например, боросиликатного стекла) трубки, расходящейся вверх, внутри которой перемещается поплавок. Конусность трубки составляет 0,001 - 0,01, причём чувствительность прибора возрастает с уменьшением угла конусности трубки. Трубки имеют длину 70 - 600 мм, а диаметр от 1,5 до 100 мм. Шкала наносится непосредственно на стеклянную трубку. Второй основной элемент ротаметра - поплавок, формы которого могут быть весьма разнообразны.

Различные виды ротаметров

Рис. 5.15. Различные виды ротаметров

Пределы измерения обычных ротаметров со стеклянной трубкой: по давлению 0,5 - 0,6 МПа, по температуре 100 — 150 °С.

В ротаметре (рис. 5.16) можно выделить три сечения: 1-1, где начинает сказываться возмущающее действие поплавка на поток; 2 - 2 - узкое кольцевое сечение потока с максимальной скоростью; 3 - 3, в котором заканчивается возмущающее действие поплавка на поток.

Схема ротаметра

Рис. 5.16. Схема ротаметра

На поплавок действуют три силы:

  • - разность статических давлений на носовую и кормовую поверхности поплавка, равная (р/ - р2f
  • - динамическое давление W потока, равное

где с - коэффициент лобового сопротивления поплавка; р и V- плотность и характерная скорость потока соответственно; /- площадь наибольшего поперечного сечения поплавка;

- сила трения N потока о поверхность поплавка f6.

Сумма этих сил уравновешивается весом G поплавка

где V и рп - объём и плотность материала поплавка. Из уравнения равновесия следует, что

Если пренебречь силами W и N, то получим

Из (5.50) следует, что ротаметр является расходомером постоянного перепада давления. Действительно, проходящий снизу поток жидкости или газа поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между поплавком и стенками конусной трубы не достигнет такой величины, при которой действующие на поплавок силы уравновешиваются. При уменьшении расхода динамическое давление уменьшится, и поплавок опустится вниз, заняв новое положение динамического равновесия.

Уравнение расхода ротаметра имеет следующий вид:

где а = (с')05 - коэффициент расхода;/, - площадь кольцевого отверстия, образованного конической трубкой и наибольшим поперечным сечением поплавка.

Иногда это уравнение записывают в виде

р — р

где хР = ——— - относительная плотность поплавка, погру- Р

f

жснного в жидкость; т- - относительная площадь кольце-

/

вого сечения.

Из полученных уравнений расхода (5.51) - (5.52) следует, что расход q пропорционален кольцевой площади Но расход q не пропорционален ходу поплавка Я, а значит, и значениям на шкале прибора, потому что fK не пропорционально Я у конической трубки, хотя отклонение от пропорциональности невелико. Строгая пропорциональность между /;, и Я достигается в случае изготовления трубки в виде параболоида вращения. Но делать это не имеет смысла, потому что коэффициенты расхода а и а0 меняются (обычно возрастают) по мере подъёма поплавка и увеличения площади/;.

Учитывая сложность зависимости коэффициента расхода а у ротаметров, ограниченность точности его экспериментального определения вследствие трудности точной оценки площади fK, а также неизбежность разброса их характеристик из-за технологических допусков, рассчитывать параметры можно лишь ориентировочно при их проектировании, но этот расчёт не может служить основой для получения градуировочной зависимости. В связи с этим каждый ротаметр на заводе-изготовителе градуируют или на воде или на воздухе. При измерении расхода других веществ необходима проливка ротаметра, т.е. экспериментальное определение его статической (градуировочной) характеристики.

Металлические ротаметры (рис. 5.17) лишены недостатков, присущих стеклянным. Положение поплавка в них через индуктивную связь передаётся на индикатор, при этом сам поплавок имеет небольшой ход (40 - 70 мм).

Достоинствами ротаметров являются: простота устройства и эксплуатации; наглядность показаний; надёжность в работе;

удобство применения для измерения малых расходов различных жидкостей и газов (в частности, агрессивных), а также неньютоновских жидкостей; значительный диапазон измерения и достаточно равномерная шкала.

Внешний вид металлического ротаметра

Рис. 5.17. Внешний вид металлического ротаметра

В то же время недостатками стеклянного ротаметра являются: хрупкость и непригодность для измерения расхода веществ, имеющих значительные давления; связанность прибора с местом измерения; только указывающий характер прибора (отсутствие записи и дистанционной передачи показаний); непригодность для измерения больших расходов.

Необходимо обеспечить строго вертикальное положение конусной трубки ротаметра. Даже при сравнительно небольшом наклоне трубки к вертикали возникает погрешность измерения расхода. Одна из причин этого - уменьшение силы, уравновешивающей действие потока на поплавок. Уже при угле откло-

нения <р = 3 ° возникает погрешность в пределах 1,5 - 3,5 % от измеряемого расхода. Кроме того, следует иметь прямые участки трубопровода до (// > 10/3) и после (/? > 5D) ротаметра.

Корпус металлического ротаметра в разрезе показан на рис. 5.18.

Корпус ротаметра

Рис. 5.18. Корпус ротаметра

Ротаметры нашли широкое применение в промышленности и лабораторной практике благодаря своим достоинствам.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >