Расходомеры обтекания
Расходомеры обтекания относятся к большой группе расходомеров, называемых также расходомерами постоянного перепада давления. В этих расходомерах обтекаемое тело (поплавок, поршень, клапан, поворачивающаяся пластинка, шарик и др.) воспринимает со стороны набегающего потока силовое воздействие, которое при возрастании расхода увеличивается и перемещает обтекаемое тело, в результате чего перемещающая сила уменьшается и вновь уравновешивается противодействующей силой. В качестве противодействующей силы служит вес обтекаемого тела при движении потока вертикально снизу вверх или сила противодействующей пружины в случае произвольного направления потока. Выходным сигналом рассматриваемых преобразователей расхода служит перемещение обтекаемого тела. На рис.16.7 приведены принципиальные схемы преобразовательных элементов расходомеров обтекания, получившие наибольшее распространение.
В соответствии со схемой рис.16.7,а в конической трубке 1 размещен поплавок 2, при подъеме которого вверх под действием возросшего потока увеличивается площадь проходного кольца между поплавком и стенкой конической трубки, что приводит к уменьшению силы, создаваемой потоком, действующей на поплавок.
Аналогично увеличивается кольцевое сечение между коническим клапаном 2 и цилиндрическим седлом 1 (рис.16.7, б).
В схеме рис.16.7,в при подъеме поршня 1 увеличивается площадь выходного бокового отверстия 3 в стенке цилиндра 2.
Рис. 16.7. Схемы преобразовательных элементов расходомеров обтекания
Рассмотрим подробнее принцип работы преобразователя расходомера с поплавком (рис.16.7,а). Во избежание трения и удара поплавка о стенку трубки в его верхнем ободе 3 выполнены наклоненные к вертикали прорези. Вещество, протекая через прорези, придает поплавку вращение, и он центрируется в середине потока. При равновесии сил, действующих на поплавок, он устанавливается на высоте, соответствующей измеряемому значению расхода.
На нижнюю часть поплавка снизу вверх действует сила Sп= Pп f и сила трения SТ = kWКnf потока о боковую поверхность f поплавка.
В последних формулах f – площадь наибольшего поперечного сечения поплавка; РП – полное давление потока; k – коэффициент сопротивления, зависящий от степени шероховатости поплавка и числа Рейнольдса; WK – средняя скорость потока в кольцевом пространстве; n – показатель степени, зависящий от WK.
На поплавок сверху вниз действует сила SC статического давления Р2 непосредственно за поплавком; SC=Р2 f, а также сила веса поплавка GG =VηПg (V – объем поплавка; ηП – плотность материала поплавка; g – ускорение свободного падения).
Расходомеры обтекания, применяемые для измерения расхода жидкостей и газов, имеют несколько разновидностей. Наиболее распространенные из них приведены на рис.16.8.
В ротаметрах со стеклянной конической трубкой 1 (рис.16.8, а), предназначенных для измерения газов или прозрачных жидкостей, шкала 4 нанесена на внешней поверхности стекла. Указателем служит верхняя горизонтальная плоскость вращающегося поплавка 2. На нижнем патрубке имеется седло, на которое опускается поплавок при нулевом расходе вещества. На верхнем патрубке имеется ограничитель хода поплавка 3.
Для измерения расхода непрозрачных жидкостей (рис.16.8, б) применяют цилиндрическую стеклянную трубку 3 и цилиндрический поплавок 1 с отверстием посредине, через которое проходит неподвижный стержень 2 конического сечения. При перемещении вдоль трубки 1 поплавок одновременно вращается, а кольцевое переменное отверстие для потока создается между поплавком и стержнем 2. Ротаметры со стеклянными трубками изготавливают на максимальное давление 0,6 МПа.
Рис. 16.8. Схемы расходомеров обтекания
Для измерения расхода газов и жидкостей на технологических потоках применяются ротаметры, снабженные передающими преобразовательными элементами с электрическим (рис.16.8, в) или пневматическим (рис.16.8, г) выходным сигналом.
Ротаметр, показанный на рис.16.8,в, состоит из металлического корпуса 3, внутри которого при изменении расхода перемещается обтекаемое тело — клапан 1 конического профиля. Между рабочей поверхностью клапана 1 и кольцевой диафрагмой 2 создается переменное проходное отверстие. С клапаном 1 с помощью штока 4 связан сердечник 5 дифференциально-трансформаторного преобразовательного элемента 7, катушка которого надета на трубку 6 из немагнитной стали. Класс точности этих ротаметров в комплекте со вторичным прибором — 2,5.
В ротаметре, представленном на рис.16.8,г, сердечник 5, связанный с клапаном 6, выполнен из двух магнитов, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Снаружи немагнитной трубки 4 на шарнире расположен магнит 3, являющийся одновременно заслонкой пневматического сопла 2. Внутренний 5 и наружный 3 магниты устанавливаются разноименными полюсами один против другого и образуют уравновешенную систему. Поэтому незначительное перемещение сердечника вверх (при увеличении расхода) вызывает поворот магнита 3, который прикрывает сопло 2, и давление PВЫХ между пневмодросселем 1 и соплом 2 увеличивается. Это приводит к сжатию сильфона отрицательной обратной связи 7 и к перемещению сопла 2 с магнитом 3 вверх. При перемещении магнит 3 несколько отходит от сопла 2. Равновесие системы наступает тогда, когда магнит 3 займет по высоте такое же положение, какое занимает сердечник 5. Таким образом, внешний магнит все время следит за положением внутреннего магнита.
В поршневом расходомере постоянного перепада давления (рис.16.8, д) масса поршня 2 с грузами 1 и штока с сердечником 3 уравновешивается перепадом давления до и после выходного прямоугольного отверстия б в боковой стенке цилиндра. Передающий преобразователь здесь выполнен в виде сердечника 3 из мягкой стали. Сердечник перемещается внутри немагнитной трубки, на которой установлена индукционная катушка 4.
Чем больше расход вещества, тем выше поднимается поршень и приоткрывается проходное сечение в боковой стенке. Давление за отверстием 6 через канал 5 передается в верхнюю часть поршня. Таким образом, перепад давления на отверстии и на поршне один и тот же. Этот перепад создает подъемную силу поршня, уравновешиваемую весом подвижной системы. Изменяя вес подвижной системы с помощью сменных грузов 1, изменяют предел измерения расходомера.
В поршневом расходомере сила трения потока о поршень и динамическое давление направлены перпендикулярно подъемной силе поршня, т. е. вес поршня уравновешивается только перепадом давления на проходном отверстии. Поэтому перемещение поршня происходит при изменении расхода и мало зависит от вязкости потока.