Материал: Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

плавка с и с'г, отнесенные к скорости vKв кольцевом сечении (с =

= а-2; сг = а,:2 ).

Значения с' и с'гдля отдельных точек шкалы ротаметра берут­ ся из пересчетных таблиц, составленных для каждой разновид­ ности прибора на основе экспериментальных данных. Входными величинами в этих таблицах служат два безразмерных параметра

2Htgfi/d = (D -d )/ d и lg(v2p /G K),

где Р — угол конусности трубки, равный половине центрального угла трубки.

В дальнейшем взамен МУ 44-75 вышли методические указа­ ния МИ 1420-86, в которых был изменен лишь способ определе­ ния погрешности пересчета расхода 6Q. Согласно МИ 1420-86, 8Q = = 0,58р + 6т, где 6р— погрешность измерения плотности р; 8Т — погрешность таблиц пересчета. В примере, приведенном в МИ 1420-86, погрешность бт = 3,9 % , а общая погрешность 8Q = 4 % .

Недостаток всех рассмотренных выше методов пересчета — необходимость строгой идентичности однотипных ротаметров друг другу. Но для этого требуется очень точное изготовление поплав­ ков и конусных трубок, что трудно достижимо на практике. В связи с этим предложен в работе [2] метод пересчета, при кото­ ром определяются осредненные значения коэффициентов расхо­ да а по результатам испытаний нескольких ротаметров данного типоразмера.

Имеется еще один своеобразный метод пересчета градуировок, основанный на сохранении неизменным критерия vzp/GK путем изменения массы поплавка. Последняя должна быть такой, что­ бы для среды с вязкостью v и плотностью р вес поплавка GKудов­ летворял условию

GK =GKr(v2p/v2pr).

При этом форма поплавка должна остаться неизменной. Тогда для каждой высоты подъема поплавка сохраняется постоянным и число Re и новый расход определяется по формуле

Q o = Q r ( v / v г) -

Этот метод редко применяется на практике из-за трудности изготовления идентичного поплавка (особенно при значительном отличии вязкости V от вязкости Vr).

Вопросы теории и расчета ротаметров рассматриваются также в работах [25, 27, 33].

Поплавки и трубки ротаметров. Основные элементы ротамет­ ра — коническая трубка и поплавок — образуют его проточную часть. Формы поплавка могут быть весьма разнообразны. Клас­ сическая его форма показана на рис. 4, а. Поплавок имеет конус­

12

конической трубки и пред­ отвращало трение между ними. В дальнейшем выяснилось, что

поплавок и без вращательного движения занимает соосные поло­ жения с трубкой при тех малых зазорах, которые имеются меж­ ду ними. В связи с этим теперь косых каналов на поплавке обыч­ но не делают. Существенный недостаток рассмотренной формы поплавка — сильная зависимость градуировочной характеристи­ ки от вязкости измеряемого вещества. Для снижения этой зави­ симости полезно уменьшать высоту верхней дисковой части по­ плавка и диаметр цилиндрической его части с тем, чтобы он был не более 0,6-0,7 от диаметра верхнего диска (рис. 4, б). В мень­ шей степени влияние вязкости сказывается при катушечной фор­ ме поплавка, показанной на рис. 4, в, которая находит теперь основное применение. Еще сильнее влияние вязкости устраняет­ ся при дисковой и тарельчатой форме поплавков, когда основное трение потока происходит на очень небольшой боковой поверхно­ сти диска. Но вес таких поплавков очень мал и необходимо или увеличивать длину цилиндрического тела поплавка в одну или обе стороны от диска, или же подвешивать на стержне дополни­ тельный груз. Кроме того, такие поплавки неустойчивы и во из­ бежание перекоса и трения о стенку трубки их необходимо снаб­ жать направляющими. Последние могут быть трех видов: направ­ ляющие, связанные с поплавком и перемещающиеся вместе с ним (рис. 4, г); неподвижные центральные штоки, проходящие через осевые отверстия поплавков (рис. 4, д); направляющие кольца (два или одно), укрепляемые обычно в верхней или нижней части поплавков (рис. 4, е, ж). Но для таких колец требуется примене­ ние конусных трубок с направляющими ребрами или гранями. Зато они имеют два дополнительных достоинства: обеспечение турбулизации потока, способствующего уменьшению влияния вязкости, и возможность имерения расхода непрозрачных жид­ костей (благодаря малости зазора между направляющими ребра­ ми и кольцами).

Применение направляющих любого типа (особенно направля­ ющих колец) осложняет конструкцию ротаметров и вызывает

13

трение поплавка о неподвижный шток, подвижного штока о на­ правляющие втулки или направляющих колец о ребра или грани трубки. Но эти недостатки компенсируются резким снижением зависимости градуировочной характеристики от вязкости. Кроме того, в этих случаях легче достигать больших значений макси­ мального расхода путем увеличения угла конусности трубки или же уменьшения диаметра поплавка, так как направляющие обеспе­ чивают центрирование поплавка. При неподвижном направляю­ щем штоке (рис. 4, д) поплавок имеет центральное отверстие и че­ рез зазор, образованный между отверстием и штоком, будет про­ текать измеряемая жидкость или газ. Это сказывается на градуи­ ровочной характеристике, которая с увеличением зазора будет перемещаться параллельно самой себе. В результате будет увели­ чиваться Qmin и возрастать Qmax. Если в измеряемом веществе содержатся механические примеси, то во избежание их оседания на кормовой части поплавка рекомендуется делать последнюю хотя бы с небольшим 5-10° уклоном.

Для ротаметров на очень малые расходы иногда применяют шариковые поплавки.

Поплавки изготовляются из различных материалов: нержаве­ ющей стали, титана, алюминиевых сплавов, фторопласта-4 и раз­ личных пластмасс (в зависимости от диапазона измерения и аг­ рессивности измеряемого вещества). При необходимости для сни­ жения массы поплавка его делают пустотелым.

Заметим, что от соотношения плотностей материала поплавка рп и измеряемого вещества р зависит погрешность, возникающая при изменении плотности, которое вызвано измерением темпера­ туры или давления вещества. Наименьшая погрешность будет при рп/р = 2. В этом случае при изменении р на ±10 % дополнитель­ ная погрешность будет всего лишь ±0,4 % . Такое соотношение нетрудно обеспечить при измерении расхода жидкости.

Второй основной элемент ротаметра — измерительная кони­ ческая трубка (с конусностью 0,001-0,01). Она изготовляется из химически устойчивого или термостойкого боросиликатного стек­ ла. Чувствительность прибора возрастает с уменьшением угла конусности трубки.

С помощью своеобразного производственного процесса обеспе­ чивается требуемая идентичность при изготовлении конусных трубок. Стеклянная цилиндрическая заготовка надевается на металлическую конусную оправку, наружная поверхность кото­ рой соответствует будущей внутренней поверхности конической трубки. В зазоре между заготовкой и оправкой создается неболь­ шой вакуум посредством откачки воздуха. После этого заготовка с оправкой нагревается до температуры размягчения стекла (600800 °С) с помощью электронагревателя кольцевой формы, мед­ ленно перемещающегося вдоль заготовки. Под воздействием ат­ мосферного давления заготовка обжимается и плотно облегает коническую оправку. Разница температурных коэффициентов

14

стекла и стали позволяет легко снять холодную трубку с оправ­ ки. Трубки получаются взаимозаменяемыми с допуском по диа­ метру около 0,1 % .

Предложены ротаметры с цилиндрической стеклянной труб­ кой, внутри которой размещен конус. Кольцевой поплавок дви­ жется между конусом и цилиндрической трубкой.

Иногда применяются ротаметры с металлической конусной трубкой. В этом случае поплавок связан с хвостовиком-указате­ лем или же с дистанционной передачей. В последнем случае ход поплавка, а следовательно, и высота конусной трубки обычно бывают очень малыми, созмеримыми с диаметром трубки. По­ добные приборы относятся к группе поплавковых расходомеров и рассматриваются далее.

Конструкция и технические характеристики ротаметров. Се­ рийно выпускаемые ротаметры со стеклянной конической труб­ кой соответствуют ГОСТ 13045-81. В зависимости от пределов измерения поплавки изготовляются из стали 12Х18Н9Т, аноди­ рованного дюралюминия, эбонита или титана. Каждый ротаметр двукратно градуируется на отметках шкалы: 0, 20, 40, 60, 80, 100.

Всего разработано семь базовых моделей: PM-I на D = 3 мм, высотой 280 мм; РМ-П на D = 6 мм, высотой 360 мм; FM-III на D = 10 мм, высотой 410 мм; PM-IV на D = 15 мм, высотой 455 мм; PM-V на Dy = 25 мм, высотой 590 мм; PM-VI на D = 40 мм, высо­ той 690 мм и РМ-А-1 на Dy = 3 мм, высотой 1о0 мм. Каждая базовая модель в зависимости от материала поплавка (сталь 12Х18Н9Т, дюралюминий, эбонит и другие), верхнего предела измерения и измеряемого вещества имеет разновидности, приве­ денные ниже:

PM-I: РМ-0,0025ЖУЗ; РМ-0,004ЖУЗ; РМ-0,0063ЖУЗ; РМ -0,01Ж УЗ; РМ -0,04ГУЗ; РМ -0,063ГУЗ; РМ -0ДГУЗ; РМ-0Д6ГУЗ. РМ-П: РМ-0,016ЖУЗ; РМ-0,025ЖУЗ; РМ-0,04ЖУЗ; РМ-0,25ГУЗ; РМ-0ДГУЗ; РМ-0,63ГУЗ. РМ-Ш: РМ-0,063ЖУЗ; РМ-0ДЖУЗ; РМ-1ГУЗ; РМ-1,6ГУЗ. PM-IV: РМ-0Д6ЖУЗ; РМ-0,25ЖУЗ; РМ-ОДЖУЗ; РМ-2,5ГУЗ; РМ-4ГУЗ; РМ-6,ЗГУЗ. PM-V: РМ-0,63ЖУЗ; РМ-ОДЖУЗ; РМ-ЮГУЗ; РМ-16ГУЗ. PM-VI: РМ-1,6ЖУЗ; РМ-2,5ЖУЗ; РМ-4ЖУЗ; РМ-25ГУЗ; РМ-40ГУЗ. РМ-А-1: РМ-А-0,0025ЖУЗ; РМ-А-0,004ЖУЗ; РМ-А-0,0063ЖУЗ; РМ-А-0,063ГУЗ; РМ-А-0ДГУЗ; РМ-А-0Д6ГУЗ; РМ-А-0,063ГУЗ.

Ротаметры с шифром ЖУЗ предназначены для жидкостей и гра­ дуируются на воде, а с шифром ГУЗ — для газов и градуируются на воздухе. Цифры в обозначении указывают верхний предел из­ мерения в кубических метрах в час воды для жидкостных и воз­ духа для газовых ротаметров. Фактические верхние пределы мо­ гут превышать эти цифры, но не более чем на 20 % , а нижние пределы должны составлять 20 % от фактических верхних пре­ делов измерения.

В обозначении ротаметров, поплавок которых футерован фторопластом-4 (для измерения агрессивных сред), добавляет­

15

ниях иногда применяются ротаметры в металлическом кожухе. Их поплавок снабжен хвостовиком-указателем, который движет­ ся в кармане, имеющем прорезь, закрытую толстостенным стек­ лом. Иногда стеклянную трубку маленького ротаметра помеща­ ют внутрь толстостенной защитной цилиндрической трубки из органического стекла, а пространство между трубками соединя­ ют с измеряемой средой. Тогда можно измерять расход при высо­ ких давлениях (вплоть до 6 МПа).

Ротаметры с дистанционной передачей встречаются редко, по­ тому что последнюю гораздо удобнее применять в поплавковых расходомерах постоянного перепада типов РЭ и РП, рассматрива­ емых далее. Тем не менее имеются разработки ротаметров с аку­ стической, ионизационной и магнитной передачами. В последней снаружи конусной металлической диамагнитной трубки (с маг­ нитным поплавком внутри) находится вертикальная ось с длин­ ной магнитной полоской, изогнутой винтообразно [23]. Поплавок при своем перемещении будет вызывать поворот магнитной по­ лоски. При этом связанный с ней ферромагнитный сердечник, который изогнут по дуге, перемещается в индуктивной катушке, служащей для передачи показаний вторичному прибору.

В работе [6] рассматривается акустическая передача положе­ ния поплавка ротаметра, в частности типа РС-5. Внизу ротамет­

16