1. Ротаметры

Ротаметры используются в промышленных и лабораторных условиях для измерения небольших объемных расходов жидкостей (верхние пределы измерения ротаметров по воде находятся в пределах от 0,04 до 16 м³/ч) или газов (верхние пределы измерения ротаметров по воздуху находятся в пределах от 0,063 до 40 м³/ч) в вертикальных трубопроводах диаметром 4—100 мм.

В простейшем виде ротаметр представляет собой вертикальную коническую (расходящуюся вверх) стеклянную трубку 1 (рис. 1), внутри которой располагается поплавок 2, Поплавки могут иметь различную форму. Одной из форм является цилиндрическая с нижней конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нем косыми канавками. Контролируемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по оси трубки и устраняется его трение о стенки.

Рис. 1. Схема ротаметра

Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор , при прохождении через который жидкость сужается и, таким образом, возникает разность между давлениемв сеченииАА до начала сужения и давлением Р₂ в самом узком сечении ВВ кольцевой струи. С подъемом поплавка площадь увеличивается, что в случае неизменного расхода приведет к уменьшению разностиПринцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стороны жидкости. При этом вертикальное положение поплавка будет однозначно связано с расходом.

Рассмотрим подробнее силы, действующие на поплавок. На поплавок, имеющий объем , наибольшее сечение, среднюю плотность, сверху вниз действует сила тяжести

Снизу вверх на поплавок действует:

1. сила, обусловленная разностью статических давлений , возникающая вследствие ускорения потока в кольцевом зазоре между стенкой и поплавком,;

2. динамический напор, где— коэффициент сопротивления поплавка, зависящий от его формы;— плотность среды;— ее скорость в сечении;

3. сила трения потока о боковую поверхность поплавка , где - коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса и степени шероховатости поплавка;—средняя скорость потока в кольцевом зазоре;— показатель степени, зависящий от скорости;— площадь боковой поверхности поплавка.

Поплавок будет неподвижно висеть ; потоке жидкости или газа, если будут соблюдаться равенство сил, действующих на него сверху и снизу:

(1)

Отсюда можно получить уравнение

(2)

если пренебречь силами W и N, то можно записать

(3)

т. е. перепад давления на поплавке оказывается не зависящим от расхода (в действительности из-за увеличения и N перепад с увеличением расхода несколько уменьшается). Поэтому ротаметры относятся к группе расходомеров постоянного перепада. Действие ротаметра можно пояснить, используя выражение (3).

Предположим, что при исходном расходе поплавок занимает исходное положение, характеризующееся площадью кольцевого зазора. При этом на поплавок действует перепад, при котором выполняется равенство (3). При увеличении расхода в первый момент положение поплавка инеизменны, в силу чегоначнет увеличиваться. При этом нарушается равенство (3) и поплавок начнет подниматься вверх. При этом будет увеличиваться (из-за конусного профиля трубки), что приведет к уменьшению . Подъем поплавка будет осуществляться до тех пор, пока вновь не восстановится равенство (3). Очевидно, что любому расходу будет соответствовать определенная площадькольцевого зазора, т. е. определенное положение поплавка. Уравнение, связывающееи, обычно записывается в виде, аналогичном уравнению расхода для расходомеров переменного перепада:

(4)

Из (4) следует, что при=const существует линейная зависимость между и. Однако при конической форме трубки линейной зависимости междуи перемещением поплавка не будет из-за нелинейной зависимости . Кроме того, в реальных условиях при перемещении поплавка несколько изменяется. Поэтому использование равномерной шкалы для ротаметров обусловливает определенную долю в общей погрешности измерения.

Из (3) следует также, что положение поплавка зависит не только от расхода, но и от плотности контролируемой среды, т. е. градуировка ротаметра должна производиться с учетом ее. Из-за большого разнообразия контролируемых сред ротаметры подразделяются на две группы: для жидкостей, которые градуируются на воде, и для газов, которые градуируются на воздухе.

Если такие ротаметры используются для измерения расхода .других сред, то их показания нужно умножать на поправочный множитель . Если вязкости измеряемой и градуировочной сред близки, то

где и—градуировочная и действительная плотность среды.

Обычно для газов , и в этомслучае .·Переградуировкаротаметра в соответствии с (4) может быть осуществлена изменением р_и, например путем изготовления поплавка из другого материала или пустотелым. Погрешность измерения расхода ротаметром может быть определена через погрешности величин, составляющих формулу (4). Наибольшее влияние на погрешность оказывает изменение α (например, из-за изменения структуры потока вследствие турбулентности), погрешность определения плотности среды, отличие действительных размеров трубки и поплавка от расчетных, отличие массы поплавка от расчетного. Эти погрешности имеют достаточно высокие значения, причем некоторые из них возрастают к началу шкалы. Это обусловливает, во-первых, невысокий класс ротаметров общепромышленного назначения (обычный класс 2,5), во-вторых, минимальный измеряемый расход , равный обычно 0,2 [т.е. диапазон измерения равен (0,21) ]. Погрешность ротаметров может быть уменьшена в 2—3 раза индивидуальной градуировкой.

Обычно в ротаметрах используются стеклянные конические трубки, на наружной поверхности которых нанесена шкала. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость поплавка. Ротаметры со стеклянной конусной трубкой применяются для измерения расхода газов или прозрачных жидкостей, находящихся под давлением не более 0,6 МПа (6 кгс/см²).

Для измерения расхода сред под избыточным давлением до 6,4 МПа (64 кгс/см²) используются ротаметры с металлической конической трубкой. Обычно такие ротаметры снабжаются дифференциально - трансформаторными или пневматическими преобразователями для дистанционной передачи показаний. Класс ротаметров с дифференциально - трансформаторным преобразователем в комплекте с вторичным прибором равен 2,5.

Ротаметры с выходным пневматическим сигналом 0,2—1 кгс/см² выпускаются классов 1,5 и 2,5.

Материал поплавков: сталь, алюминий, бронза, эбонит, пластмассы — не должен подвергаться коррозии в контролируемой среде. Ротаметры обладают рядом достоинств: простота устройства; возможность измерения малых расходов и на трубопроводах малых диаметров; практически равномерная шкала.

Недостатками ротаметров являются необходимость установки только на вертикальных участках трубопроводов; трудности дистанционной передачи показаний и записи; непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой.