Витратоміри постійного перепаду тиску або ротаметри

Застосовуються для вимірювання витрати чистих та малозабруднених рідин і газів, що протікають у трубопроводах без значних коливань витрати, особливо широко в спиртовому, виноробному, пиво-безалкогольному та інших виробництвах.

У ПВП перетворювачах витрати постійного перепаду тиску (ротаметрах,

їх ще називають приладами обтікання) в середині конічної трубки, що розширюється до гори, знаходиться поплавок, який має особливу форму: знизу – конус, угорі – невеликий обідок зі скісними пазами, і який знаходиться під дією динамічного тиск потоку вимірюваного середовища. Конічна трубка такого первинного вимірювального перетворювача розташовується в місці вимірювання витрати завжди вертикально. Скісні пази на поплавку приводять до його обертання під час проходження речовини трубкою, щоб він не торкався її стінок і знаходився в центрі потоку. Слово ротаметр походить від латинського «roto» – обертаюсь, а весь прилад називають ротаметр.

У місці розташування поплавка поперечний переріз трубки зменшується на значення площі поперечного перерізу поплавка (в найбільшому по діаметрі його місці).

Якщо витрата зростає, то згідно з законом Бернуллі для стаціонарного руху речовини, в разі зменшення поперечного перерізу трубки, швидкість рідини чи газу в цьому місці зростає, а тиск зменшується. Тому тиск Р над поплавком (рис. 7.6) стає меншим, ніж тиск Р під ним. Збільшується (із-за збільшення тиску Р напору рідини знизу) і поплавок починає підніматись вгору, але при цьому розширюється кільцеподібний зазор між ним та стінками трубки, в наслідок чого зменшується дросельний ефект від присутності поплавка, тобто, зменшується швидкість рідини в зазорі, що приводить до зростання тиску Р та відновлення перепаду тиску до початкового значення, яке залежить від сили тяжіння поплавка. Піднімання поплавка припиняється. При зменшенні витрати має місце обернений ефект. Таким чином, кожному значенню витрати

відповідає певна висота підйому поплавка. У відповідності із визначенням

- основу ротаметру складає трубка 1 (рис. 7.6), як правило, скляна, з внутрішньою конічною поверхнею, в середині якої розміщують поплавок 2. Переміщення поплавка відбувається до тих пір, поки перепад тиску не зрівняється з масою поплавка, що приходиться на одиницю площини його поперечного перерізу.

а) б)

Рис.7.6 Рис. 7.7. Ротаметри з ДТП а) та Sitrans FVA Trogflux

Зверху вниз діє сила G тяжіння поплавця:

G = V_n ( - ) g, (7.10 )

де g – прискорення вільного падіння; V_n та - об'єм ігустина поплавка; - густина рідини, що проходить крізь ротаметр.

Знизу вверх на поплавець діють сила тертя середовища об поплавок, якою можна нехтувати, та сила F, яку утворює середовище, яке протікає через ротаметр, і яка визначається різницею статичних тисків (Р - Р ), які виникли внаслідок прискорення потоку в кільцевому зазорі між стінкою і поплавцем:
F = ( Р - Р ) f_n; ( 7.11)

де f_n — площина поперечного перерізу поплавка у місці його найбільшого діаметру.

Поплавок буде нерухомим у потоці рідини або газу, якщо виконуватиметься умова рівноваги сил, що діють знизу і зверху:

G =( Р - Р ) . ( 7.12 )

З іншого боку можемо записати:

Р - Р = G/ = . ( 7.13 )

А це означає, що при постійній густині речовини, права частина формули є незмінною і не залежить від витрати речовини. Відповідно незмінним є перепад тискуР - Р . Звідси і інша назва ротаметрів як приладів постійного перепаду тиску.

Швидкість обтікання речовиною поплавка у кільцеподібному зазорі між ним і стінками трубки дорівнює:

= . ( 7.14 )

Звідси Р - Р = Р = . ( 7.15 )

Прирівнюючи залежності 7.13 та 7.15, можемо визначити швидкість речовини в кільцеподібному зазорі:

= . ( 7.16 )

Ця швидкість визначає об’ємну витрату вимірюваної речовини, що проходить через кільцеподібний зазор поперечного перерізу :

= * = . ( 7.17 )

Із наведеного рівняння випливає, що за коефіцієнта витрати =соnst, існує лінійна залежність між величинами Q і Fk, який в свою чергу пропорційний висоті зависання поплавка. Проте за конічної форми трубки лінійна залежність між значенням Q і переміщенням поплавця порушується через нелінійну залежність Fk по висоті трубки. Крім того, в реальних умовах дещо змінюється величина . Тому використання рівномірної шкали для ротаметрів зумовлює частку загальної похибки вимірювань.

Із останнього рівняння випливає також, що положення поплавця залежить не тільки від витрати, а і від густини контрольованого середовища. З цього боку ротаметри розділяються на дві групи: для рідин які градуюють на воді, і для газів, які градуюються на повітрі.

Корпус ротаметра являє собою скляну конічну трубку, на зовнішній поверхні якої нанесена шкала. Покажчиком є верхня горизонтальна площина поплавця. Матеріал поплавка — сталь, алюміній, бронза, ебоніт, пластмаси — не повинен піддаватися корозії в контрольованому середовищі і повинен мати добру здатність виділятися в потоці контрольованого середовища. Відхилення густини, тиску та температури вимірюваної за витратами речовини проводить до додаткових похибок вимірювання.

В деяких типах ротаметрів (рис.7.7, а) конічним роблять поплавок 3, який переміщується в середині діафрагми постійного поперечного перерізу 2. Але принципової різниці між такими ротаметрами не має. На цьому ж рисунку приведена схема ротаметра з диференціально-трансформаторним перетворювачем, який дозволяє передавати сигнал вимірювальної інформації на відстань.

Вимірювальна частина витратоміра з диференціально-трансформаторним перетво­рювачем складається з циліндричного металевого корпусу 1 з діафрагмою 2. Усередині діафрагми переміщується конусний поплавок 3, насаджений на шток 4. Під дією потоку рідини поплавок може переміщуватися в отворі діафрагми. На верхньому кінці штоку закріплено осердя 5 диференційно-трансформаторного перетворювача. Осердя переміщується усередині трубки 6, зовні якої знаходиться котушка перетворювача.

Витратомір постійного перепаду тиску типу Sitrans FVA Trogflux фірми «Siemens» (рис. 7.7, б) призначений для вимірювання об’ємів прозорих протоків рідин та газів в закритих трубопроводах. Прилад проградуйований для рідин з питомою вагою 1 кг/л. Для всіх інших речовин шкалу необхідно перераховувати. Основні технічні характеристикиTrogflux:

1. Температурний діапазон: 60⁰С (для води 50⁰С).

2. Клас точності: 2, 5.

3. Межа вимірювань при тиках до 10 бар: для рідин – від 12, 5 л/год до 25 м³/год; для газів – від 200 л/год до 430 м³/год.