Расходомерами обтекания называются приборы, чувствительный элемент которых воспринимает динамическое давление потока и перемещается под его воздействием, причем величина перемещения зависит от расхода.
Все расходомеры обтекания можно разделить на три группы
- Расходомеры постоянного перепада давления;
- Расходомеры с изменяющимся перепадом давления;
- Расходомеры с поворотной лопастью.
Особенности первой группы расходомеров: обтекаемое тело перемещается вертикально, а сила сопротивления потоку возникает за счет веса подвижного тела. Во второй группе противодействующая сила создается пружиной, а обтекаемой тело может перемещаться в различных плоскостях. В расходомерах с поворотной лопастью противодействующая сила создается весом тела и пружиной, а иногда и дополнительным источником энергии.
В качестве тела обтекания в таких расходомерах может применяться:
- Поплавок
- Поршень
- Диск
- Лопасть
Обтекаемое тело может двигаться по прямой (обычно вдоль своей вертикальной оси) или поворачиваться вокруг оси подвеса.
Во всех расходомерах между подвижным телом и стенками трубы остается проходное сечение. Поэтому нужно учитывать, что на тело будет действовать не только давление потока, но и сила вязкого трения, последняя зависит от вязкости вещества и формы тела.
Преимущества расходомеров обтекания:
- Высокая надежность;
- Большой диапазон измерений;
- Относительно маленькая погрешность;
- Простота конструкции;
- Простота в эксплуатации.
Широкое распространение получили расходомеры постоянного перепада давления. Их делят на:
- поплавковые расходомеры;
- поршневые расходомеры (золотниковые расходомеры);
- ротаметры.
Из всех вышеперечисленных приборов наибольшее применение получили ротаметры.
Ротаметр состоит из двух основных элементов: поплавка специальной формы и стеклянной конической трубки. Длина последней может быть от 70 до 600 мм, а диаметр 1,5-100 мм. На трубку наносится шкала (в соответствии с измеряемой средой). Такие расходомеры применяют для сред с максимальной температурой 150°С и давлением не выше 0,5-0,6 МПа.
Ротаметры имеют ряд преимуществ:
- Удобство при измерении малых расходах газов и жидкостей;
- Достаточно высокая надежность в работе;
- Равномерность шкалы и широкий диапазон измерений;
- Для изготовления не требуются сложные технологии или дорогие материалы.
В то же время ротаметры имеют ряд существенных недостатков:
- невозможность измерения расхода при большом давлении;
- отсутствие дистанционной передачи измеренных данных;
- привязка ротаметра к точке измерения расхода (потока);
- невозможность применения при относительно больших расходах вещества;
- невозможность записи показаний;
- ротаметр должен располагаться вертикально;
- в большинстве случаев протекающее вещество должно быть прозрачным.
Принцип действия ротаметра
Жидкость движется вверх по трубе 1, вынуждает поплавок 3 подняться на определенную высоту и образовать кольцевой зазор между ним и стенками трубы так, чтобы силы, действующие на поплавок, уравновесились. Следовательно, положение поплавка ротаметра соответствует определенной величине расхода, которую можно определить по шкале 2. В основном, на поплавок действуют три силы:
- постоянная сила гравитации G;
- выталкивающая сила А (постоянна, если плотность жидкости тоже постоянная величина, согласно закону Архимеда);
- сила S, динамический напор потока, воздействующий на поплавок.
Сумма этих трех мил уравновешивается весом поплавка.
Поплавки ротаметра выполняют разных форм. Они бывают в виде: конуса, цилиндра, сферы, катушки, диска и др.
На рисунке показана стандартная форма поплавка. Можно выделить три его основные части: дисковый верх, цилиндр и конусная нижняя часть. Недостаток такого поплавка – сильная зависимость градуировочной характеристики от вязкости вещества. Для того чтобы уменьшить эту зависимость цилиндрическую часть делают диаметром 0,6-0,7 от диаметра верхнего диска, а так же уменьшают высоту последнего. На сегодняшний день, чаще применяют поплавки катушечной формы (рис. 2 в), так как у них градуировочная шкала более равномерна и менее зависима от вязкости вещества. Еще сильнее влияние вязкости устраняется, если форма поплавка дисковая или тарельчатая. Но, обычно, вес таких поплавков очень мал. Чтобы убрать этот недостаток можно увеличить цилиндрическую часть поплавка или подвесить дополнительный груз к стержню.
Ротаметры оснащают направляющими стержнями (штоками, кольцами), что бы предотвратить перекос поплавка и трение о стенку ротаметрической трубки. Применение направляющих любого типа усложняют конструкцию. При малых расходах в ротаметрах иногда используют шариковые поплавки.
Если в измеряемом веществе находятся механические примеси, кормовую часть поплавка делают с уклоном 10-15°.
Поплавки ротаметров делают из титана, алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, фторопласта, пластмасс и т.д.
Измерительная коническая трубка изготовляется из химически устойчивых и термостойких веществ (боросиликатное стекло).
Иногда применяется ротаметры с металлической конусной трубкой. В этом случае поплавок связан с хвостиком-указателем или передает данные дистанционно. Ротаметры с дистанционной передачей встречаются редко, такую передачу удобнее применять в поплавковых расходомерах постоянного перепада.
Устройство ротаметра
(1- верхний патрубок, 2- нижний патрубок, 3- болтовые стержни, 4-накидные гайки, 5-сальный уплотнитель, 6- стеклянная трубка, 7 – поплавок, 8- верхний упор, 9-нижний упор)
Коническая стеклянная трубка, с помощью сальников и накидных гаек, укреплена в патрубках, соединенных друг с другом болтовыми стержнями. Чтобы ограничить ход поплавка на основания конической трубки устанавливают специальные упоры.
При повышенных давлениях иногда используют ротаметры в металлическом кожухе. Их поплавок снабжен хвостиком-указателем, который движется в кармане, имеющем прорезь, закрытую толстостенным стеклом. Иногда стеклянную трубку маленького ротаметра помещают внутрь цилиндрической трубки с толстыми стенками из органического стекла, а пространство между трубками соединяют с измеряемой средой. Тогда можно измерять расход при высоких давлениях (до 6 МПа).
Ротаметры со стеклянными трубками могут измерять расходы воды от 3 см3/ч и воздуха – от 120 см3/ч, а металлические ротаметры с дистанционной передачей расхода воды от 30 см3/ч и воздуха – от 1,8 л/ч. Предельные давления 35 МПа, предельные температуры 450 °С.
Для измерения малых расходов можно применять ротаметр с конической трубкой расширяющейся вниз, а не вверх. Поток поступает сверху и давит на поплавок, плотность материя которого меньше плотности жидкости. Сила Архимеда уравновешивает давление потока и вес поплавка.
При установке и эксплуатации ротаметров необходимо соблюдать определенные условия:
- обеспечить строго вертикальное положение конусной трубки ротаметра, при наклоне оси к вертикали возрастает неточность в измерении расхода вещества, наклон угла в 3° увеличивает погрешность на 1,5-3,5%;
- необходимо также учитывать, что плотность газа меняется при изменении давления, а при изменении температуры изменяется плотность и газа, и жидкости;
- следует иметь прямые участки трубопровода до ротаметра (> 10D) и после ротаметра (1\2 - 5D) ротаметра;
- при эксплуатации ротаметров возможно возникновение пульсаций поплавка под воздействием сил инерции и сил упругости. Такие колебания поплавка сильно затрудняют объективное измерение расхода по шкале ротаметра;
- для контроля точности измерения большие предприятия имеют поверочные расходомерные установки.
Поплавковые расходомеры
Принцип действия этих расходомеров такой же, как у ротаметров. Отличия есть только в конструктивном исполнении. У них нет стеклянной конической трубки, ход поплавка небольшой, и внешняя форма другая.
Поршневые (золотниковые) расходомеры — третья группа расходомеров постоянного перепада давления, в которых роль поплавка выполняет перемещающийся во втулке поршень. Измеряемое вещество поступает в расходомер, приподнимает поршень и выходит через прорезь или окно во втулке. Поршень поднимается в зависимости от величины расхода вещества, открывая во втулке все большую часть окна. Чем больше расход, тем выше поднимается поршень. Перепад давления на поршне остается постоянным. Можно выбрать форму прорези таким образом, чтобы получить нужную зависимость между перемещением поршня и расходом измеряемой среды (например, линейную).
Преимущества поршневых расходомеров:
- способность измерения среды, имеющей механические примеси
- возможность изменения предела измерения через изменение действующей на поршень массы груза
Расходомеры обтекания с изменяющимся перепадом давления
В таких расходомерах, как и в расходомерах постоянного перепада, тоже есть поплавок. На него действует поток измеряемого вещества, а мерой расхода будет величина перемещения поплавка. Такие расходомеры подразделяются на:
- поплавково-архимедовые;
- поплавково-пружинные (наиболее распространенные);
- расходомеры с электромагнитным уравновешиванием;
- шариковые, в которых вещество движется по криволинейной трубке.
Поплавково-пружинные расходомеры - это расходомеры, в которых поплавок (поршень) соединен с пружиной. В таких расходомерах давление потока среды преодолевает не только вес поршня (поплавка), но еще и упругость пружины.
В поплавково-пружинном расходомере с верхней пружиной роль поплавка выполняет колокол полусферической формы. Жидкость притекает по трубе и приподнимает колокол, последний связан с пружиной, которая перемещает сердечник дифференциально-трансформаторной передачи. Такие приборы устанавливаются в трубах диаметром 10-260 мм с температурой вещества до 120 ° С и при давлении до 2МПа.
Рисунок – Схема пополавково-пружинного расходомера с верхней пружиной, где1-сердечник, 2-пружина, 3- купол (поплавок), 4- труба
Поплавково-пружинные расходомеры имеют ряд достоинств:
- значительно повышается предел измерения;
- можно выбрать другого предела (диапазона) измерения (если заменить пружину).
Для измерения расхода масла в гидравлических системах при давлении до 20 МПа иногда используется поплавково-пружинный расходомер, в котором подвижный элемент — поршень, нагруженный пружиной. В середине поплавково-пружинного расходомера имеется неподвижный стержень с профилем, позволяющим расчетную зависимость расхода и перемещения поршня. Внутри поршня имеется цилиндрический магнит, который совместно с нижней пружиной влияет на перемещение цилиндрического указателя расхода, расположенного снаружи диамагнитной трубы. На трубке из акрила наносится шкала. Такой расходомер достаточно компактен и прост, но погрешность измерения находится в пределах ±4 %.
Используется и другая конструкция поплавково-пружинного расходомера, в которой поплавок сконструирован в форме подпружиненной диафрагмы с конической наружной поверхностью. Такой поплавок в расходомере перемещается внутри неподвижного седла вертикально. Измеряемая среда проходит через отверстие диафрагмы и кольцевой зазор, расположенный между седлом и диафрагмой. В диафрагме находится постоянный магнит, взаимодействующий с расположенными снаружи герконами (контактными преобразователями). Погрешность измерения в таких расходомерах составляет примерно 5 % при расходе более 0,1 л/мин вязкости и от 1 до 760 мм/с. Давление от 1,2 до 40 МПа, область измерения в пределах от 0,01 до 80 л/мин.
Шариковые расходомеры обтекания, в них шарик перемещается по дуге окружности. В этом главное отличие от расходомеров, в которых шарик движется вертикально в цилиндрической трубке и при перемещении вверх открывает отверстие для прохода измеряемого вещества.
В нерабочем состоянии шарик находится в нижнем положении. С увеличением расхода шарик поднимается по имеющей форму неполного кольца стеклянной трубке. Между шариком и трубкой имеется проток для прохода жидкости.
Поплавково-архимедовые расходомеры используются достаточно редко, у них гидростатическое давление на тело выполняет роль пружины. Гидростатическое давление взаимодействует с поплавком, погруженным в более тяжелую жидкость.
Расходомеры обтекания с электромагнитным уравновешиванием, в них электромагнитным способом происходит уравновешивание силы динамического давления на поплавок. В поле наружного соленоида находится железный сердечник, который связан с поплавком. На перемещение поплавка реагирует устройство (фотосопротивление, осветитель и т.д.), изменяющее силу тока в соленоиде и обеспечивающее возвращение поплавка к изначальному положению. Расходомеры с электромагнитным уравновешиванием (расходомеры с магнитной подвеской) используются при измерении небольших расходов.
Моделей подобных расходомеров разработано достаточно много, в некоторых положение поплавка фиксируется электромагнитным способом.
Расходомеры с поворотной лопастью
В трубопроводе устанавливается лопасть, в процессе протекания вещества по трубопроводу гидродинамическое давление потока воздействует на лопасть. По величине противодействующей силы (углу поворота лопасти) определяется расход.
Расходомеры с поворотной лопастью делятся на:
- расходомеры с пружинным и с грузовым уравновешиванием
- расходомеры компенсационные с электрическим или пневматическим уравновешиванием
Преимущества таких измерительных приборов:
- большой диапазон измерения, доходящий до 15-20;
- возможность 2-х стороннего действия;
- простота измерения больших расходов жидкости и газов;
- возможность измерения расходов агрессивных жидкостей и газов, имеющих высокую температуру;
- хорошие динамические характеристики (1,5-2 с затухание колебательного процесса).
Поворотная лопасть (основная часть расходомера) постоянно вибрирует даже при равномерном расходе из-за срыва вихрей с тыльной стороны лопасти. Легкая вибрация не сказывается на работе расходомера при небольших углах поворота лопасти, но при повороте лопасти до угла 60-65° и больше при измерении расхода газа вибрация часто резко растет. При измерении расхода жидкостей вибрация не наблюдается (вследствие большей вязкости). Таким образом, угол поворота будет оптимален: для газов - 60°, жидкостей - 80°.
Расходомеры с грузовым уравновешиванием применяют в горизонтальном трубопроводе. Простота конструкции расходомеров дает возможность самими их создавать на предприятиях и использовать для своих практических нужд измерения (расход сточных вод с крупными механическими примесями) или использовать их в качестве индикаторов или сигнализаторов расхода. Например, такой прибор с поворотной лопастью может использоваться для замыкания сигнальной цепи при заданной скорости потока воздуха (около 4-10 м/с) путем поворота рычага ртутного выключателя.
Расходомеры с пружинным уравновешиванием применяются и в вертикальных, и в горизонтальных трубопроводах. Поворотная лопасть может быть соединена с концом торсионной трубки, которая создает момент противодействия или соединена со спиральной (винтовой или другой) пружиной.
К отдельной группе расходомеров с поворотной лопастью можно отнести приборы, у которых конец лопасти жестко закреплен и работает на изгиб под воздействием динамического давления, то есть сила упругости лопасти создает противодействующий момент. На пластинке укреплен тензорезистор, преобразующий механическое напряжение в выходной сигнал. В данном случае погрешность составляет ±1 %.
Расходомеры с поворотной лопастью и пневматической компенсацией используют для измерения расхода суспензий с большой концентрацией твердой фазы, отработанной серной кислоты, водного раствора карбамида и т.д.
Учет расхода жидкостей осуществляется с помощью различных счетчиков и расходомеров. Ассортимент на сайте.
Используемая литература:
Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с
