Общая характеристика расходомеров постоянного перепада давле­ния. Расходомеры данного типа довольно широко применяются в систе-

мах автоматического контроля и регулирования в химической и топлив­ной промышленности из-за конструктивной простоты; высокой чувстви­тельности и вследствие этого возможности применения для измерения весьма малых расходов; возможности применения для измерения расхо­да агрессивных жидкостей и газов; простоты автоматизации измерений; постоянства относительной погрешности и вследствие этого значительно­го диапазона измерения <2max/(2min — 10:1 (для расходомеров перемен­ного перепада он составляет 3:1); незначительных потерь давления.

Однако эти приборы имеют и существенные недостатки, препятст­вующие их массовому применению: отсутствие научных принципов взаи­мозаменяемости и косвенной расчетной градуировки; необходимость индивидуальной градуировки на реальных измеряемых средах и сущест­венные потери точности при измерении других сред, отличных от тех, на которых осуществлялась градуировка; непригодность для измерения больших расходов.

В настоящее время разработано и предложено несколько способов пересчета результатов опытных градуировок расходомеров постоянного перепада давления, проводимых на воде или на воздухе, на реальные из­меряемые среды. Однако ни один из них не является универсальным и достаточно достоверным. Подробнее некоторые из этих способов будут рассмотрены ниже.

Существуют расходомеры постоянного перепада давления трех кон­структивных разновидностей: ротаметры, поршневые и поплавковые расходомеры. Принцип действия всех этих приборов основан на силовом взаимодействии потока и помещенного в него тела.

Ротаметры. Основными элементами ротаметра (рис. 64), принципи­ально необходимыми для его работы, являются расширяю­щаяся кверху (по ходу вертикального потока) коническая трубка 1 и заключенный в нее поплавок 2. Для визуально­го отсчета показаний применяют стеклянную трубку, не­посредственно на которую нанесены деления шкалы при­бора.

Рис. 64. Ро­таметр

Поплавок состоит из нижней конической и средней ци­линдрической части, заканчивающейся бортиком с косыми канавками. Назначение канавок — обеспечить устойчивое вращение поплавка при течении измеряемой среды, что не­обходимо для его центрирования относительно оси трубки. При использовании ротаметров в системах автомати­ческого регулирования или контроля необходимы допол­нительные устройства, преобразующие ход поплавка в про­порциональный механический, электрический или пневма­тический сигналы.

Принцип действия ротаметров состоит в следующем. Гидродинами­ческое давление потока измеряемой среды воздействует на поплавок и вызывает его вертикальное перемещение. При этом (в связи с конус­ностью трубки) изменяется площадь проходного сечения прибора, обра­зованного диаметром буртика поплавка и внутренней стенкой трубки.

Это изменение площади происходит таким образом, что перепад давле­ния по обе стороны поплавка остается практически постоянным (отсю­да и название расходомеров).

Поплавок будет подниматься до тех пор, пока его вес и вес связан­ных с ним элементов не уравновесит уменьшающееся (вследствие умень­шения скорости из-за увеличения проходного сечения) по мере подъема поплавка динамическое давление потока.

Следовательно,  условие   равновесия   поплавка  будет   иметь  вид

Гп(рп-р)*Г = спр^-/п,                 (7.11)

где Fn — объем поплавка; рп — плотность материала поплавка; р — плот­ность измеряемой среды; сп — коэффициент сопротивления поплавка, зависящий в общем случае от числа Рейнольдса, шероховатости, формы, геометрических.размеров и высоты подъема поплавка; /п — наибольшее поперечное (миделево) сечение поплавка; v — средняя скорость потока в кольцевом сечении, ограниченном с внутренней стороны /п и с внешней площадью сечения трубки FT, соответствующей подъему поплавка.

Так как расход для рассматриваемого случая Q = v (FT — /„), иэ уравнения (7.11.) получим

 У   2V^~P)   Г                       (7.12)

где Ир = 1/\Гс^Г — коэффициент расхода ротаметров, а в общем случае коэффициент расхода расходомеров постоянного перепада давления.

Уравнение (7.12) является общим уравнением измерений для всех расходомеров постоянного перепада.

Как следует из вышеизложенного, коэффициент расхода ар
зависит от большого числа факторов и непостоянен по шкале прибора. Эти об­стоятельства и приводят к ряду теоретических и практических труднос­тей при пересчетах результатов градуировок ротаметров на условия, от­личные от условий градуировки. 4   Для конической трубки площадь FT
задается соотношением

Fr = f-(D0 +2Htg-f-f =-%-(Dg +4HD0 tg-|- + 4#*tg2-|-),(7.13)

где £>0 — внутренний диаметр трубки на нулевом делении; Н — высота подъема поплавка относительно нулевого деления; 5 — центральный угол конической трубки.

Если центральный угол б мал (обычно 5 = 35′), то квадратическим членом в правой части формулы (7.13) можно пренебречь. В этом случае уравнение измерений для ротаметров (связь между ходом поплавка и расходом) на основе формул (7.12) и (7.13) будет иметь вид

H = AQ-B,                               (7.14)

гдеЛ =

в =

) tg -г- V   2g——

2                       Pfn

4tg|"

Как видно из уравнения (7.14), при малых 5 между ходом поплав­ка и расходом существует приближенная линейная пропорциональность, что также является достоинством расходомеров постоянного перепада давления.

Основы пересчета градуировок ротаметров. Наиболее общим подхо­дом к пересчету градуировок ротаметров является установление некото­рых универсальных зависимостей, определяющих Ср и ход поплавка для геометрически подобных ротаметров со стандартизованными формой и размерами их элементов — поплавка и трубки. При высоком уровне стандартизации, обеспечивающем полное геометрическое подобие и взаи­мозаменяемость элементов, и достаточной достоверности полученных зависимостей их можно было бы использовать для косвенной (расчет­ной) градуировки ротаметров (аналогично расчету сужающих устройств по стандартизованным значениям их коэффициентов расхода). При от­сутствии обоснованных норм, обеспечивающих точное технологическое копирование элементов ротаметров, каждый ротаметр градуируют инди­видуально. Причем, из-за отсутствия специальных установок градуиров­ку, как правило, проводят на типовых контрольных веществах (при из­мерении расхода жидкостей — на воде, при измерении расхода газов — на воздухе). Поэтому применение ротаметров как приборов с нормиро­ванной точностью для измерения расхода реальных сред, свойства кото­рых отличны от свойств типовых контрольных веществ, требует созда­ния достоверных способов пересчета градуировочных данных.

Рассмотрим один из наиболее общих способов пересчета, разработан­ный во ВНИИМС под руководством А.И. Петрова.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований рота­метров было установлено, что ход поплавка #, выраженный в долях диа­метра поплавка d, зависит от двух безразмерных величин: числа Рей-нольдса и величины v2p/G, где v — кинематический коэффициент вязкос­ти измеряемой среды; р — ее плотность и G — кажущийся (с учетом вы­талкивающей силы) вес поплавка. Между этими величинами существует зависимость вида

-£=fcRe«* (-Jjf)*,                        (7.15)

a                G

где коэффициент к и показатели степени п1г п2 — постоянные величины для геометрически подобных ротаметров с одинаковой формой поплав­ка и трубки.

Эти коэффициенты для каждого типа ротаметра могут быть экспери­ментально определены. В этом случае при помощи специальных таблиц

или градуировочных кривых показания ротаметра Н на одной измеряе­мой среде могут быть пересчитаны на любую другую измеряемую среду (с другой вязкостью и плотностью). Естественно, это требует строгой взаимозаменяемости и геометрического подобия трубок и поплавков ротаметров, а также .большой экспериментальной работы по определе­нию опытных коэффициентов. Такие работы в настоящее время прово­дятся в метрологических институтах Госстандарта СССР.

Кроме того, в ряде отечественных и зарубежных расходомерных центрах ведутся экспериментальные исследования по нахождению такой формы поплавка (дисковой, тарельчатой, катушечной), при которой влияние вязкости и плотности измеряемой среды на показания ротамет­ров можно свести к минимуму.

Полученная на основе теории подобия зависимость (7.15) позволяет осуществить и достаточно простой „технологический" метод градуиров­ки ротаметров,,.эаключающийся в изменении веса поплавка таким обра­зом, чтобы значение критерия v2p/G оставалось постоянным, т. е. в слу­чае необходимости измерения расхода жидкости или газа, вязкость и плотность которых отличаются от вязкости и плотности градуировочной среды, необходимо и достаточно лишь изготовить новый поплавок весом G-i — vl/vi ‘ Pilpi G\, где Gi — вес поплавка ротаметра, градуированно­го на среде с вязкостью vx и плотностью р\.

Если форма и размеры нового поплавка полностью соответствуют старому, то новые значения шкалы прибора бг (соответствующие тому же ходу поплавка Я) подсчитывают, исходя из равенства чисел Рейнольд-са по формуле 62=61 " "2/vi •

Этот метод очень простой, так как не требует построения экспери­ментальных пересчетных таблиц и графиков и пригоден для ротаметров любых размеров и любой формы поплавка.

К недостаткам метода можно отнести сложность точного технологи­ческого копирования поплавков и невозможность существенного варьи­рования их веса в случае, когда вязкости v2 и vt значительно отличаются друг от друга.

Одним из перспективных путей расширения областей применения ротаметров для измерений расхода различных сред с гарантированной точностью является создание условий автомодельности их коэффициен­тов расхода Ир, т. е. условий, при которых Ир принимает постоянное зна­чение и перестает зависеть от изменений вязкости и плотности измеряе­мых сред.

Как показали исследования, автомодельность Ир для ротаметров с поплавками, имеющими в верхней части тонкий цилиндрический диск, наступает при числах Рейнольдса, характерных для течения среды в зазо­ре между трубкой и поплавком, больших 500.

Таким образом, если и при градуировке, и при работе ротаметра на реальной измеряемой среде обеспечивается соотношение

D                 Cmin^md)               ._         Grain      ^ cnn   _ _

Re3min = ———— « 0,7——— > 500,      (7.16)

где Gmin — нижний предел измерений ротаметра; Dm — диаметр трубки на отметке шкалы ротаметра, соответствующей Gmin, то на основании выражения (7.14) реальная функция преобразования ротаметра (граду-ировочная характеристика на реальной измеряемой среде) будет отли­чаться от его исходной градуировочной характеристики Н = AQ — В по­стоянным сомножителем

Это значит, что каждое новое (пересчитанное) показание ротаметра Hpi> соответствующее расходу Qt, будет Hpi = ЪН^ гдеЯп,- показание ротаметра, соответствующее расходу Qi в условиях градуировки.

Сам метод прост, но для его осуществления необходим выбор таких конструктивных параметров поплавка, которые в достаточно широком диапазоне изменения вязкости обеспечат соотношение (7.16).

Рассмотренные примеры показывают, что и те, кто сейчас еще только осваивает по этому учебнику азы расходометрии, будут иметь широкие возможности для творческих поисков повышения точности даже таких, казалось бы, простейших и хорошо изученных средств измерения расхо­да, как ротаметры.

Поршневые и поплавковые расходомеры. Поршневые расходомеры применяются для измерения расхода воды, нефтепродуктов, вязких и агрессивных жидкостей. Устройство поршневого расходомера показано на рис. 65. В корпусе прибора 1 запрессована цилиндрическая бронзовая втулка 2, имеющая круглое входное отверстие и прямоугольное выход­ное. Внутри втулки под действием динамического давления потока из­меряемой среды перемещается поршень 3 с грузами 8, открывая или пе­рекрывая выходное отверстие. Положение поршня, являющееся мерой расхода вещества, передается с помощью штока 7 и фиксируется индук­ционной системой 4, 5, 6.

Конструктивно корпус, втулка и поршень выполняются таким обра­зом, что в крайнем нижнем положении поршня выходное отверстие оста­ется полностью открытым, а входное полностью закрытым.

Предел измерений прибора регулируется изменением ширины вы­ходного отверстия.

Если у измеряемого вещества высокая температура, крышка прибо­ра снабжается ребристым охладителем, если низкая температура и боль­шая вязкость, то крышка обогревается паром или горячей водой.

Поршневой расходомер следует устанавливать на горизонтальном участке трубопровода длиной не менее 10D до прибора и не менее &D по­сле прибора. В случае измерения расхода загрязненных жидкостей перед прибором монтируют фильтр.

Принцип действия поплавковых расходомеров (рис. 66) аналогичен принципу действия ротаметров и поршневых расходомеров. В данном

Рис.   65.  Поршневой  расходомер

случае динамическое давление потока измеряемой среды воздействует на поплавок, занимающий в зависимости от величины расхода определен­ное положение относительно седла, находящегося в корпусе вентильного типа.

Основные недостатки ротаметров (необходимость индивидуальной градуировки и существенное влияние свойств измеряемых сред на точ­ность измерений) сохраняются и у этих расходомеров.

Метрологические характеристики и область применения расходоме­ров постоянного перепада давления. В настоящее время нормируются по­грешности лишь тех расходомеров постоянного перепада, которые были индивидуально градуированы на реальной измеряемой среде. В этом слу­чае при постоянных (и не отличающихся от условий градуировки) уело-

	ill ‘!	1 l! 14
я	и;	i !|	laooaoj’
	!!

Рис. 66. Поплавковый расходомер: 1 — поплавок; 2 — измерительное сопло; 3 — шток; 4 — диск, предохраняющий меха­низм от нагрева; 5 — втулка с уплотнитель-ной набивкой; 6 — диафрагма для записи по­казаний; 7 — счетный указатель; 8 — урав­новешивающий груз; 9 — поршень дле обеспечения плавного движения поплавка

виях измерений погрешность приборов будет определяться погрешнос­тями их градуировки (бгр), отсчета показаний (8Н) и нелинейности шкалы (6нел).

Существующие установки для градуировки промышленных ротамет­ров позволяют градуировать их с погрешностью, не превосходящей 0,2-0,3 %. Следовательно, среднее квадратическое значение погрешности гра­дуировки (при равновероятном ее распределении в пределах допусков) может оцениваться величиной а^ = агр/-\/Х= 0,18 %.

Среднее квадратическое значение погрешности 6Н определяется ошибкой отсчета, равной половине целения шкапы (при визуальном от­счете, например, у стеклянных ротаметров), и у применяемых приборов данного типа достигает 1,5-2,0 % (при Q г= 0,lGmin) •

Погрешность вследствие нелинейности шкалы 6нел
связана, в основ­ном, с непостоянством коэффициента расхода Ор при изменении положе­ния поплавка и связанных с этим изменений структуры потока. Обычно среднее квадратическое значение этой погрешности 6нея по аналогии с су­жающими устройствами принимают равным 0,5—0,6 %.

К контрольному вопросу № 11

Вы правы. Как следует из схемы соединительных линий в случае, показанном на рис. 38, измеряется расход газа. Поэтому ■ при диаметре трубопровода, меньшем 300 мм, по причинам, ука­занным в разд. 7. ^целесообразнее применять нормальное сопло.

Если Вы рассуждали аналогичным образом, то в материале учебника, относящемся в расходомерам переменного перепада давления, Вы разобрались достаточно хорошо.

Просуммировав все составляющие, получим наибольшую по шкале (при Q = 0,lQmax) относительную среднюю квадратическую погреш­ность расходомеров постоянного перепада давления

°р = ■/«,£ +8i +a^  =1,6-2,2%.

Максимальная (с доверительной вероятностью Р = 0,9973) приведен­ная к верхнему пределу измерений расхода погрешность данного типа расходомеров составит 8„р = 3/10 • ар
= 0,5 — 0,7 %.

При колебаниях плотности измеряемой среды, характеризуемых средним квадратическим значением ар, к рассмотренным выше состав­ляющим добавляется дополнительная погрешность вследствие колеба­ний плотности среды, равная на основании формулы (7.14)

Таким образом, при индивидуальной градуировке, проведенной на реальной измеряемой среде, расходомеры постоянного перепада давле­ния могут применяться как приборы с нормированной точностью для из­мерения расхода жидкостей, газов или пара. При этом, в случае измере­ния однофазных чистых-сред с незначительными изменениями их вязкос­ти и плотности точность измерения расхода данными приборами выше, чем точность измерения расходомерами переменного перепада давления. Нормальные (не влияющие на точность) условия их эксплуатации опре­деляются лишь наличием достаточно длинных вертикальных (для рота­метров) или горизонтальных (для поршневых и поплавковых расходо­меров) участков трубопровода.

Без индивидуальной градуировки или при градуировке на средах, от­личных от измеряемой, расходомеры постоянного перепада в настоящее время (до разработки и внедрения правил пересчета результатов градуи­ровок) можно применять лишь как устройства индикаторного типа, ка­чественно характеризующие изменения расхода (больше — меньше, есть расход — нет расхода). Устройства такого типа используют в системах автоматического регулирования и контроля за ходом различных техно­логических процессов в химической, газовой, топливной промышленнос­ти и др. Простота, хорошие динамические характеристики (постоянная времени 0,5—1 с), устойчивость к агрессивным средам — эти свойства ротаметров способствовали их наибольшему распространению в упомя­нутых системах.

В настоящее время серийно выпускают ротаметры показывающие со стеклянной трубкой типа PC, ротаметры с электрической дистанцион-

ной передачей типа РЭ и ротаметры с пневматической дистанционной пе­редачей типа РП.

л*

Контрольный вопрос № 12

Определите знак дополнительной ошибки, вызванной тер­мическим расширением поплавка ротаметра.

Если Вы решите, что ошибка положительна, загляните на с. 157; если    отрицательна, обратитесь к с. 159.

К контрольному вопросу № 11

Вы неправильно ответили на вопрос, поэтому Вам необхо­димо заново повторить разд. 7.1.