Измерение расхода методом постоянного перепада давления

Наиболее распространёнными приборами этой группы являются ротаметры – расходомеры со свободно перемещающимся в корпусе поплавком (рисунок 3).

1 – коническая трубка, 2 – поплавок

Рисунок 3 – Принцип измерения расхода ротаметрами

Проходящий снизу через ротаметр поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющийся кольцевой зазор между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет такого значения, при котором действующие на поплавок силы уравновешиваются, и останавливают поплавок на высоте, которая зависит от величины расхода. При постоянном расходе поплавок неподвижен. В работающем ротаметре поплавок полностью погружен в измеряемую среду. Вес погруженного поплавка G₁ определяется уравнением (3):

(3)

где – объем поплавка;

– плотности материала поплавка и измеряемой среды соответственно;

g – ускорение свободного падения.

Сила G₂, действующая на поплавок со стороны измеряемого потока, рассчитывается, как:

(4)

где P₁ и Р₂ – давления среды перед поплавком и за ним;

F₀ – наибольшее поперечное сечение поплавка.

В состоянии равновесия (поплавок неподвижен), уравнения примут вид:

(5)

(6)

. (7)

Из приведённого уравнения видно, что независимо от положения поплавка перепад давлений на нём постоянен и от измеряемого расхода не зависит.

Это объясняется постоянством скорости измеряемой среды при изменении ее расхода и обусловлено изменением площади кольцевого зазора между поплавком и трубкой.

Уравнение для объемного расхода можно представить в виде выражения:

(8)

где α - коэффициент расхода, учитывающий особенности потока;

S_k - площадь кольцевого зазора между трубкой и боковой поверхностью поплавка.

Так как величины под корнем в предыдущем уравнении практически постоянны, то их можно заменить коэффициентом k, тогда видно, что эта зависимость линейна, а шкала ротаметра равномерная. Ротаметры выполняют со стеклянной или металлической трубкой.

На рисунке 4 показан ротаметр со стеклянной конической трубкой, закрепленной в двух металлических головках, снабженных сальниками и фланцами для включения в вертикальный участок трубопровода. Внутри трубки свободно перемещается поплавок, имеющий форму волчка. В нижней головке ротаметра находится седло, на которое опускается поплавок при отсутствии потока. Верхняя – снабжена ограничителем хода поплавка.

Рисунок 4 – Ротаметр

Седло и ограничитель хода не позволяют поплавку выйти за пределы стеклянной трубки. Шкала прибора вытравлена на самой стеклянной трубке, отсчет ведётся по верхней горизонтальной плоскости поплавка.

В верхней части поплавка делают косые пропилы или прорези, которые позволяют поплавку, вращаясь вокруг вертикальной оси, центрироваться, не касаясь стенок, что повышает его чувствительность. Ротаметры со стеклянной трубкой изготавливают на давление, не более 600 кПа.

При измерении более высоких значений давлений измеряемой среды, а также при измерениях расхода пара применяют ротаметры с металлической трубкой.

Бесшкальные ротаметры работают в комплекте с вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы. Ротаметры изготавливают на рабочее давление 6,2 МПа. Основная погрешность комплекта (преобразователь + вторичный прибор) составляет 3% от верхнего предела измерения.