 |
Схема действия сил, удерживающих поплавок в положении равновесия
|
|
|
|
Поток, протекающий снизу вверх в конусной трубке, обтекая поплавок, поднимает его до тех пор, пока площадь кольцевого сечения F между поплавком и внутренней поверхностью трубки не достигнет такого значения, когда действующая на поплавок сила тяжести Gп = = g 
п Vп (Vп - объем поплавка, м3; п -плотность, кг/м3; g - ускорение свободного падения) не уравновесится силами, действующими снизу на поплавок, а именно, подъемной силой Рп, силой трения Ртр, возникающей на боковой поверхности поплавка.
Подъемная сила создается за счет разности действующих на поплавок снизу и сверху статических давлений ∆Р1 = Р’1 – P’2 и определяется как Рп = ∆P1 S, где S - наибольшая площадь поперечного сечения поплавка, м2.
Рисунок 5.10 - Схема работы расходомера постоянного перепада давления
Сила трения равна Ртр = 
Sбок, 
- коэффициент трения, зависящий от Re и шероховатости поплавка; 
- средняя скорость потока в кольцевом зазоре между корпусом и поплавком, м/с; Sбок - боковая поверхность поплавка, м2. Легко показать в этом случае, что ∆Р1 = (1/S) (g 
п Vп - 
Sбок) = const - величина постоянная и не зависит от расхода.
Строго говоря, разность статических давлений ∆Р = Р1 – P2 в потоке не остается постоянной величиной и не равняется перепаду давлений ∆Р1 на поплавке, так как зависит от изменения динамического и гидростатического давлений, определяемых изменением скорости при разных расходах и разным по высоте положением поплавка. С увеличением расхода сила, действующая на поплавок снизу, возрастает, что вызывает подъем поплавка, а следовательно, увеличение кольцевого зазора между поплавком и стенками корпуса. В результате перепад давления достигает прежней постоянной величины.
|
|
|
Формула расхода для ротаметров выражается сложной зависимостью, определяемой большим количеством параметров:
,
где 
- коэффициент расхода, зависящий от множества факторов -величины конусности трубки, неравномерности распределения скоростей в кольцевом зазоре при обтекании поплавка, потери на местные сопротивления внутри прибора, трения на поплавке и его геометрической формы и размеров, а также ряда других параметров;
где g - ускорение свободного падения, м/с2; Vп - объем поплавка, м3;
и - плотность материала поплавка и протекающей среды, кг/м3;
kП - коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от числа Рейнольдса, шероховатости, геометрических размеров и высоты подъема топлива.
Коэффициент расхода а в общем случае зависит от числа Рейнольдса, но имеются области, где стабилизируется. Этот интервал и определяет допустимую область применения ротаметров. Так как коэффициент расхода не поддается аналитическому определению, то на практике ротаметры градуируются экспериментально по воде или воздуху, а соответствующие градуировочные характеристики приводятся в паспорте прибора. При этом градуировка справедлива лишь для определенных значений , и F. В связи с этим шкалы градуируются обычно в относительных единицах расхода, а результат измерения определяется из градуировочной кривой.
Изменение температуры изменяет плотность среды, ее вязкость, а следовательно, влияет на результат измерения. Еще большее влияние оказывается, если ротаметр служит для измерения среды, отличной от применяемой при его градуировке.
Существует несколько разновидностей конструктивного исполнения ротаметров. Самым простым является предназначенный для местного измерения прозрачных жидкостей и газов ротаметр со стеклянной конусной трубкой 1, которая зажимается концевыми фланцами 2 и 3 с сальниковым уплотнением 8, тягами 4 и распорными перегородками 5. Внутри трубки установлены ограничители хода поплавка 6 и 7. Поплавок 9 имеет винтовую насечку; верхняя грань поплавка служит указателем отсчета шкалы, которая наносится непосредственно на поверхность стеклянной трубки в процентах. Пределы измерения таких ротаметров по воздуху от 0,063 до 40 м3/ч, по воде от 0,0025 до 2,5 м3/ч при наибольшем избыточном давлении до 0,6 МПа и температуре от -30 до +100 0С. Класс точности 2,5-4. Диаметр условного прохода 3-40 мм.
|
|
|
Ротаметры с электрической дистанционной системой передачи показаний и разным способом выполнения чувствительного элемента. Ротаметр с коническим поплавком 1 имеет металлический корпус 2 с диафрагмой 3, внутри которой перемещается поплавок, изменяя проходное сечение диафрагмы, а тем самым и расход среды. Поплавок через тягу связан с сердечником 4 передающего дифференциально-трансформаторного преобразователя 5, выходной сигнал которого используется в схемах контроля и управления.
В ротаметре с грибообразным поплавком 1 внутри металлического корпуса 2 устанавливается конусообразная вставка 3, относительно которой и происходит перемещение поплавка. Через тягу 4 это перемещение передается на систему дистанционного измерения, например преобразователь 5.
Ротаметры последних двух типов выпускаются на повышенные давления до 6,4 МПа и расходом по воде от 0,025 до 16 м3/ч и могут измерять загрязненные и непрозрачные среды при температурах до 70 0С. Потери давления на расходомерах постоянного перепада давления не превышают 0,01 МПа для жидкостей и 0,005 МПа для газов. Диаметр условного прохода от 6 до 100 мм.
Погрешность измерения расхода ротаметрами может быть определена по методике оценки погрешностей косвенных измерений. Наибольшее влияние оказывают погрешности прямых измерений и оценки значений коэффициента расхода , плотности и геометрических параметров VП, S, F. Относительное влияние этих величин растет в начале шкалы, что является причиной довольно низкого класса точности общепромышленных устройств (~ 2,5). Индивидуальная градуировка позволяет повысить класс точности в 2-3 раза.
а – с конической стеклянной трубкой; б – с коническим поплавком и электрическим преобразователем; в – с грибовидным поплавком
|
|
|
Рисунок 5.11 - Типовые схемы ротаметров
В этом случае суммарная погрешность измерения расхода определяется погрешностью градуировки 
г, отсчета показаний П и нелинейностью шкалы ш.
Поверка ротаметров состоит из трех операций (внешнего осмотра, установления работоспособности и определения метрологических характеристик) и проводится на установке, имеющей погрешность, не превышающую 1/3 погрешности ротаметра. Поверка должна проводиться на воде или воздухе с температурой (20±5) 0С при температуре окружающей среды (20±2) 0С для класса точности 1,0 или (20±5) 0С при классе прибора 1,5; 2,5; 4,0.
|
|
|
