Витратомірами обтікання називаються прилади, чутливий елемент яких сприймає динамічний тиск потоку і переміщається під його впливом, причому величина переміщення залежить від витрати.
Все витратоміри обтікання можна розділити на три групи
- Витратоміри постійного перепаду тиску;
- Витратоміри із змінним перепадом тиску;
- Витратоміри з поворотною лопатою.
Особливості першої групи витратомірів: обтічне тіло переміщається вертикально, а сила опору потоку виникає за рахунок ваги рухомого тіла. У другій групі протидіє сила створюється пружиною, а обтічної тіло може переміщатися в різних площинах. У витратомірах з поворотною лопатою протидіє сила створюється вагою тіла і пружиною, а іноді і додатковим джерелом енергії.
Як тіла обтікання в таких витратомірах може застосовуватися:
Обтічне тіло може рухатися по прямій (зазвичай вздовж своєї вертикальної осі) або повертатися навколо осі підвісу.
У всіх витратомірах між рухомим тілом і стінками труби залишається прохідний перетин. Тому потрібно враховувати, що на тіло буде діяти не тільки тиск потоку, але і сила в'язкого тертя, остання залежить від в'язкості речовини і форми тіла.
Переваги витратомірів обтікання:
- Висока надійність;
- Великий діапазон вимірювань;
- Щодо маленька похибка;
- Простота конструкції;
- Простота в експлуатації.
Широке поширення отримали витратоміри постійного перепаду тиску. Їх ділять на:
- поплавкові витратоміри;
- поршневі витратоміри (золотникові витратоміри);
- ротаметри.
З усіх перерахованих вище приладів найбільше застосування отримали ротаметри.
Ротаметр складається з двох основних елементів: поплавка спеціальної форми і скляній конічної трубки. Довжина останньої може бути від 70 до 600 мм, а діаметр 1,5-100 мм. На трубку наноситься шкала (відповідно до вимірюваним середовищем). Такі витратоміри застосовують для середовищ з максимальною температурою 150 ° С і тиском не вище 0,5-0,6 МПа.
Ротаметри мають ряд переваг:
- Зручність при вимірюванні малих витратах газів і рідин;
- Досить висока надійність в роботі;
- Рівномірність шкали і широкий діапазон вимірювань;
- Для виготовлення не потрібні складні технології або дорогі матеріали.
У той же час ротаметри мають ряд суттєвих недоліків:
- неможливість вимірювання витрати при великому тиску;
- відсутність дистанційної передачі даних вимірювань;
- прив'язка ротаметра до точки вимірювання витрати (потоку);
- неможливість застосування при відносно великих витратах речовини;
- неможливість записи свідчень;
- ротаметр повинен розташовуватися вертикально;
- в більшості випадків протікає речовина має бути прозорим.
Принцип дії ротаметра
- постійна сила гравітації G;
- виштовхуюча сила А (постійна, якщо щільність рідини теж постійна величина, відповідно до закону Архімеда);
- сила S, динамічний напір потоку, що впливає на поплавок.
Сума цих трьох милий врівноважується вагою поплавка.
На малюнку показана стандартна форма поплавця. Можна виділити три його основні частини: дисковий верх, циліндр і конусна нижня частина. Недолік такого поплавця - сильна залежність градуювальної характеристики від в'язкості речовини. Для того щоб зменшити цю залежність циліндричну частину роблять діаметром 0,6-0,7 від діаметра верхнього диска, а так само зменшують висоту останнього. На сьогоднішній день, частіше застосовують поплавці катушечной форми (рис. 2 в), так як у них градуировочная шкала більш рівномірна і менш залежна від в'язкості речовини. Ще сильніше вплив в'язкості усувається, якщо форма поплавця дискова або тарілчаста. Але, звичайно, вага таких поплавців дуже малий. Щоб прибрати цей недолік можна збільшити циліндричну частину поплавка або підвісити додатковий вантаж до стрижня.
Ротаметри оснащують напрямними стержнями (штоками, кільцями), що б запобігти перекосу поплавка і тертя об стінку ротаметричний трубки. Застосування напрямних будь-якого типу ускладнюють конструкцію. При малих витратах в ротаметром іноді використовують кулькові поплавці.
Якщо в вимірюваному речовині знаходяться механічні домішки, кормову частину поплавка роблять з ухилом 10-15 °.
Поплавці ротаметрів роблять з титану, алюмінієвих сплавів, нержавіючої сталі, фторопласту, пластмас і т.д.
Вимірювальна конічна трубка виготовляється з хімічно стійких і термостійких речовин (боросиликатное скло).
Іноді застосовується ротаметри з металевої конусної трубкою. В цьому випадку поплавок пов'язаний з хвостиком-покажчиком або передає дані дистанційно. Ротаметри з дистанційним передаванням зустрічаються рідко, таку передачу зручніше застосовувати в поплавцевих витратомірах постійного перепаду.
(1 верхній патрубок, 2 нижній патрубок, 3 болтові стрижні, 4-накидні гайки, 5-сальний ущільнювач, 6 скляна трубка, 7 - поплавок, 8- верхній упор, 9-нижній упор)
Конічна скляна трубка, за допомогою сальників і накидних гайок, укріплена в патрубках, з'єднаних один з одним болтовими стрижнями. Щоб обмежити хід поплавця на підстави конічної трубки встановлюють спеціальні опори.
При підвищеному тиску іноді використовують ротаметри в металевому кожусі. Їх поплавок забезпечений хвостиком-покажчиком, який рухається в кишені, що має проріз, закриту товстостінним склом. Іноді скляну трубку маленького ротаметра поміщають всередину циліндричної трубки з товстими стінками з органічного скла, а простір між трубками з'єднують з вимірюваним середовищем. Тоді можна вимірювати витрату при високому тиску (до 6 МПа).
Ротаметри зі скляними трубками можуть вимірювати витрати води від 3 см3 / год і повітря - від 120 см3 / год, а металеві ротаметри з дистанційним передаванням витрати води від 30 см3 / год і повітря - від 1,8 л / год. Граничні тиску 35 МПа, граничні температури 450 ° С.
Для вимірювання малих витрат можна застосовувати ротаметр з конічною трубкою розширюється вниз, а не вгору. Потік надходить зверху і тисне на поплавок, щільність матерія якого менше щільності рідини. Сила Архімеда врівноважує тиск потоку і вага поплавка.
При установці і експлуатації ротаметрів необхідно дотримуватися певних умов:
- забезпечити строго вертикальне положення конусної трубки ротаметра, при нахилі осі до вертикалі зростає неточність у вимірі витрати речовини, нахил кута в 3 ° збільшує похибку на 1,5-3,5%;
- необхідно також враховувати, що щільність газу змінюється при зміні тиску, а при зміні температури змінюється щільність і газу, і рідини;
- слід мати прямі ділянки трубопроводу до ротаметра (> 10D) і після ротаметра (1 \ 2 - 5D) ротаметра;
- при експлуатації ротаметрів можливе виникнення пульсацій поплавка під впливом сил інерції і сил пружності. Такі коливання поплавка сильно ускладнюють об'єктивне вимірювання витрати за шкалою ротаметра;
- для контролю точності вимірювання великі підприємства мають перевірочні витратомірного установки.
Принцип дії цих витратомірів такий же, як у ротаметрів. Відмінності є тільки в конструктивному виконанні. У них немає скляної конічної трубки, хід поплавця невеликий, і зовнішня форма інша.
Поршневі (золотникові) витратоміри - третя група витратомірів постійного перепаду тиску, в яких роль поплавця виконує переміщається у втулці поршень. Вимірюється речовина надходить в витратомір, піднімає поршень і виходить через проріз або вікно у втулці. Поршень піднімається в залежності від величини витрати речовини, відкриваючи у втулці все більшу частину вікна. Чим більше витрата, тим вище піднімається поршень. Перепад тиску на поршні залишається постійним. Можна вибрати форму прорізи таким чином, щоб отримати потрібну залежність між переміщенням поршня і витратою вимірюваного середовища (наприклад, лінійну).
Переваги поршневих витратомірів:
- здатність вимірювання середовища, що має механічні домішки
- можливість зміни меж вимірювання через зміну діючої на поршень маси вантажу
Витратоміри обтікання із змінним перепадом тиску
У таких витратомірах, як і в витратомірах постійного перепаду, теж є поплавок. На нього діє потік вимірюваного речовини, а мірою витрати буде величина переміщення поплавка. Такі витратоміри поділяються на:
- Поплавковий-архімедовим;
- Поплавковий-пружинні (найбільш поширені);
- витратоміри з електромагнітним уравновешиванием;
- кулькові, в яких речовина рухається по криволінійній трубці.
Поплавковий-пружинні витратоміри - це витратоміри, в яких поплавок (поршень) з'єднаний з пружиною. У таких витратомірах тиск потоку середовища долає не тільки вага поршня (поплавка), але ще і пружність пружини.
У поплавковими-пружинному витратомірі з верхньої пружиною роль поплавця виконує дзвін напівсферичної форми. Рідина притікає по трубі і піднімає дзвін, останній пов'язаний з пружиною, яка переміщує осердя диференційно-трансформаторної передачі. Такі прилади встановлюються в трубах діаметром 10-260 мм з температурою речовини до 120 ° С і при тиску до 2МПа.
Поплавковий-пружинні витратоміри мають ряд переваг:
- значно підвищується межа вимірювання;
- можна вибрати іншого межі (діапазону) вимірювання (якщо замінити пружину).
Для вимірювання витрати масла в гідравлічних системах при тиску до 20 МПа іноді використовується поплавковими-пружинний витратомір, в якому рухливий елемент - поршень, навантажений пружиною. В середині поплавковими-пружинного витратоміра є нерухомий стрижень з профілем, що дозволяє розрахункову залежність витрати і переміщення поршня. Усередині поршня є циліндричний магніт, який спільно з нижньої пружиною впливає на переміщення циліндричного покажчика витрати, розташованого зовні діамагнітної труби. На трубці з акрилу наноситься шкала. Такий витратомір досить компактний і простий, але похибка вимірювання знаходиться в межах ± 4%.
Використовується й інша конструкція поплавкові-пружинного витратоміра, в якій поплавок сконструйований у формі подпружиненной діафрагми з конічною зовнішньою поверхнею. Такий поплавок в витратомірі переміщається всередині нерухомого сідла вертикально. Вимірюване середовище проходить через отвір діафрагми і кільцевої зазор, розташований між сідлом і діафрагмою. У діафрагмі знаходиться постійний магніт, який взаємодіє з розташованими зовні герконами (контактними перетворювачами). Похибка вимірювання в таких витратомірах становить приблизно 5% при витраті більш 0,1 л / хв в'язкості і від 1 до 760 мм / с. Тиск від 1,2 до 40 МПа, область вимірювання в межах від 0,01 до 80 л / хв.
Кулькові витратоміри обтікання. в них кульку переміщається по дузі кола. У цьому головна відмінність від витратомірів, в яких кулька рухається вертикально в циліндричній трубці і при переміщенні вгору відкриває отвір для проходу вимірюваного речовини.
В неробочому стані кулька знаходиться в нижньому положенні. Зі збільшенням витрати кулька піднімається по має форму неповного кільця скляній трубці. Між кулькою і трубкою є проток для проходу рідини.
Поплавковий-архімедовим витратоміри використовуються досить рідко, у них гідростатичний тиск на тіло виконує роль пружини. Гідростатичний тиск взаємодіє з поплавком, зануреним в більш важку рідину.
Витратоміри обтікання з електромагнітним уравновешиванием, в них електромагнітним способом відбувається урівноваження сили динамічного тиску на поплавок. В поле зовнішнього соленоїда знаходиться залізний сердечник, який пов'язаний з поплавком. На переміщення поплавка реагує пристрій (фотосопротівленіе, освітлювач і т.д.), що змінює силу струму в соленоїді і забезпечує повернення поплавка до вихідного положення. Витратоміри з електромагнітним уравновешиванием (витратоміри з магнітною підвіскою) використовуються при вимірюванні невеликих витрат.
Моделей подібних витратомірів розроблено досить багато, в деяких положення поплавця фіксується електромагнітним способом.
Витратоміри з поворотною лопатою
У трубопроводі встановлюється лопать, в процесі протікання речовини по трубопроводу гідродинамічний тиск потоку впливає на лопать. За величиною протидіє сили (куту повороту лопаті) визначається витрата.
Витратоміри з поворотною лопатою діляться на:
- витратоміри з пружинним і з вантажним уравновешиванием
- витратоміри компенсаційні з електричним або пневматичним уравновешиванием
Переваги таких вимірювальних приладів:
- великий діапазон виміру, який доходить до 15-20;
- можливість 2-х сторонньої дії;
- простота вимірювання великих витрат рідини і газів;
- можливість вимірювання витрат агресивних рідин і газів, що мають високу температуру;
- хороші динамічні характеристики (1,5-2 с загасання коливального процесу).
Поворотна лопата (основна частина витратоміра) постійно вібрує навіть при рівномірному витраті через зрив вихрів з тильного боку лопаті. Легка вібрація не позначається на роботі витратоміра при невеликих кутах повороту лопаті, але при повороті лопаті до кута 60-65 ° і більше при вимірюванні витрати газу вібрація часто різко зростає. При вимірюванні витрати рідини вібрація не спостерігається (внаслідок більшої в'язкості). Таким чином, кут повороту буде оптимальний: для газів - 60 °, рідин - 80 °.
Витратоміри з вантажним уравновешиванием застосовують в горизонтальному трубопроводі. Простота конструкції витратомірів дає можливість самими їх створювати на підприємствах і використовувати для своїх практичних потреб виміру (витрата стічних вод з великими механічними домішками) або використовувати їх в якості індикаторів або сигналізаторів витрати. Наприклад, такий прилад з поворотною лопатою може використовуватися для замикання сигнального ланцюга при заданій швидкості потоку повітря (близько 4-10 м / с) шляхом повороту важеля ртутного вимикача.
Витратоміри з пружинним уравновешиванием застосовуються і в вертикальних, і в горизонтальних трубопроводах. Поворотна лопата може бути з'єднана з кінцем торсіонної трубки, яка створює момент протидії або з'єднана зі спіральної (гвинтовий або інший) пружиною.
До окремої групи витратомірів з поворотною лопатою можна віднести прилади, у яких кінець лопаті жорстко закріплений і працює на вигин під впливом динамічного тиску, тобто сила пружності лопаті створює протидіючий момент. На платівці укріплений тензорезистор, що перетворює механічну напругу в вихідний сигнал. В даному випадку похибка становить ± 1%.
Витратоміри з поворотною лопатою і пневматичної компенсацією використовують для вимірювання витрати суспензій з великою концентрацією твердої фази, відпрацьованої сірчаної кислоти, водного розчину карбаміду і т.д.
Облік витрати рідини здійснюється за допомогою різних лічильників і витратомірів. Асортимент на сайті.