Массовый расходомер воздуха

В состоянии равновесия приближенно  можно считать, что момент от груза относительно оси вращения равен моменту силы, действующей на перегородку:

                                                                                      (1.2)

где - вес груза;

- расстояние от центра  тяжести груза до оси вращения;

- средний радиус кольца;

 – площадь перегородки;

 – угол поворота  кольца.

Отсюда 

                                                                                             (1.3)

Величины F, R, G, а постоянны для конкретного прибора, поэтому при жестком соединении стрелки прибора с кольцом шкала будет неравномерной. Для получения равномерной шкалы применяют параболические лекала (выпрямляющие устройства).

Из формулы (1.3) следует, что показания прибора не зависят от удельного веса измеряемого вещества над затворной жидкостью. Это существенно, так как изменение условий измерения, например, окружающей температуры, не отражается   на показаниях прибора.

Изменение предела измерения  кольцевого дифманометра достигается сменой груза или изменением величины а, что позволяет, не меняя установленного сужающего устройства, менять пределы измерения всей измерительной установки.

Дифманометры колокольные.

Чувствительным элементом  колокольного дифманометра является колокол (рис. 1.2,в), помещенный в сосуд, заполненный затворной жидкостью (обычно трансформаторным маслом). Большее давление подводится в пространство под колоколом, меньшее — в пространство над колоколом. Под действием измеряемой разности давлений колокол выходит из состояния равновесия и перемещается до тех пор, пока сумма выталкивающей силы и разности давлений на дно колокола, умноженной на его площадь, не станет равной весу колокола.

Высота перемещения колокола пропорциональна измеряемой разности давлений и служит ее мерой, а следовательно, и мерой расхода. Зависимость высоты перемещения колокола от измеряемой разности давлений выражается соотношением

                                                                                   (1.4)

где  – площадь поверхности затворной жидкости под колоколом;

 – площадь поперечного  сечения стенок колокола;

- удельный вес затворной  жидкости;

- удельный вес над затворной  жидкостью.

Основным достоинством колокольных  дифманометров является высокая чувствительность, что определило их широкое применение для измерения расходов газа, находящегося при малом статическом давлении,

Мембранные дифманометры.

Чувствительным элементом  этих дифманометров служат мембраны, представляющие собой эластичные пластины, заделанные по периметру в измерительную коробку. Мембранные дифманометры выпускаются с упругой и с вялой мембраной.

Материалом для изготовления упругих мембран служат нержавеющие стали, бронза, латунь, томпак, нейзильбер. Для уменьшения жесткости мембраны гофрируют.

На рис.1. 2,д показана схема дифманометра с упругой мембраной. Между крышкой и основанием измерительной коробки стянуты болтами две металлические гофрированные мембраны и расположенная между ними профилированная подушка, имеющая ряд сквозных отверстий, которые соединяют полости, между мембранами. Пространство между мембранами заполняется дистиллированной водой.

Большее давление подводится под мембрану, а меньшее—в полость над мембраной. Под действием измеряемой разности давлений нижняя мембрана прогибается вверх, выдавливая воду через отверстия в подушке и воздействуя таким образом на верхнюю мембрану, прогиб которой служит мерой разности давлений.

Для более стабильной характеристики мембраны необходимо делать ее более мягкой, а противодействующее усилие создавать при помощи добавочного упругого элемента, например винтовой пружины.

Материалом для изготовления вялых мембран служат пропитанные бензо-масло-керосиностойкой синтетической резиной ткани (капрон, шелк), резина, пластмассы.

Схема дифманометра с вялой мембраной показана на рис. 1.2,е. Для соблюдения постоянства рабочей площади мембраны центр ее выполнен жестким (металлический диск).

Сильфонные дифманометры.

Чувствительным элементом этих дифманометров (рис. 1.2,г) являются размещаемый в измерительной коробке прибора тонкостенный гофрированный стакан (сильфом) и упирающаяся в него винтовая пружина.

Большее давление подводится в пространство, окружающее сильфон, меньшее — внутрь сильфона. Под  действием измеряемой разности давлений сильфон сжимается, величина деформации сильфона служит мерой разности давлений, а следовательно, и расхода.

Характеристика сильфона (зависимость хода от усилия) линейна в значительном диапазоне воздействующих на него усилий.

Как мембранные, так и  сильфонные дифманометры характерны тем, что величина деформации, служащая мерой расхода, не зависит от удельного веса вещества, заполняющего пространства снаружи и внутри чувствительных элементов.

Рис 1.2 Схемы дифманометров.

а - поплавкового дифманометра; б – кольцевого дифманометра; в – колокольного дифманометра; г – сильфонного дифманометра; д – дифманометра с упругой мембраной; е – дифманометра с вялой мембраной

Расходомеры обтекания

Ротаметры

Ротаметры, как и поршневые  расходомеры, часто называют расходомерами постоянного перепада давления, поскольку перепад давления измеряемого вещества на чувствительном элементе этих приборов (поплавке, поршне) на всем диапазоне измерений с некоторым приближением может считаться постоянным.

Схема ротаметра представлена на рис. 1.3. Он состоит из вертикальной конусной трубы, расширяющейся кверху, внутри которой помещается поплавок, свободно плавающий в потоке измеряемого вещества. Этими элементами исчерпывается минимум деталей, принципиально необходимых для работы ротаметра.

Рис 1.3 Схема ротаметра.

Наиболее часто применяемая  форма поплавка показана на рис. 1.3. Нижняя, коническая, часть переходит в среднюю, цилиндрическую, и заканчивается бортиком, на котором вырезаны косые канавки, вызывающие непрерывное вращение поплавка. Это необходимо для центрирования поплавка во время измерения для предохранения от соприкосновения поплавка с трубой, для снижения порога чувствительности прибора и, наконец, для сигнализации засоренности трубки (прекращением вращения поплавка). В последнее время от этого отказываются и центровку поплавка производят при помощи направляющих.

Значение расхода связывается  с параметрами потока и характеристиками прибора следующим выражением:

                                                                                   (1.5)                                                            

где – коэффициент расхода;

- площадь кольцевого  зазора между трубкой и бортиком  поплавка;

 – площадь лобового  сечения поплавка;

 – удельные веса  собственно поплавка и измеряемого  вещества.

При измерении расходов газов  в формулу (1.5) необходимо было бы ввести поправочный коэффициент на изменение удельного веса вещества при протекании через суженное сечение. Но поскольку в ротаметрах перепады давлений на поплавке малы (порядка 0,05 кГ/см²), с большой степенью точности можно считать =1.

Из формулы (1.5) вытекает_, что показания ротаметра будут справедливы до тех пор, пока все входящие в формулу параметры имеют градуировочные значения.

При изменении параметров измеряемого вещества (давления, температуры, вязкости) определение действительной величины расхода пo показаниям ротаметра может быть выполнено по формуле:

                                                                                    (1.6)

где  ,, - значения расхода, коэффициента расхода и удельного веса вещества для рабочих условий измерения.

При конструировании ротаметров стремятся свести к минимуму влияние  изменения удельного веса измеряемого  вещества. Это достигается   выдерживанием   соотношения = 2.

Конструктивные формы  ротаметров отличаются большим разнообразием. Труба выполняется из стекла или металла. Ротаметры со стеклянной трубой применяются для измерения расхода веществ, имеющих умеренные параметры (, =100°С). Ротаметры с металлической трубой применяются при более высоких параметрах (до 64). Стеклянные ротаметры бывают обычно показывающие, металлические с дистанционной электрической или пневматической передачей показаний. Показания ротаметров с формой поплавка, показанной на рис. 1.3, зависят от вязкости и удельного веса измеряемого вещества, поэтому отыскивались такие формы поплавка (дисковые, тарельчатые, катушечные), при которых изменение вязкости и удельного веса вещества мало влияет на показания прибора.

Во многих случаях возникла необходимость снабдить поплавок длинным хвостовиком. Хвостовик может служить указателем расхода в металлических ротаметрах, грузодержателем для легких поплавков или нести сердечник электрического датчика.

В последнее время в  ротаметрах используются радиоактивные  датчики перемещения. Для этого  в поплавок или его хвостовик  заделывается небольшое количество радиоактивного вещества (кобальт-60), снаружи трубы помещается дифференциальная ионизационная камера.

Поршневые и поплавковые расходомеры

Устройство поршневого расходомера показано на рис.1.4. В корпусе прибора 1запрессована цилиндрическая бронзовая втулка 2, имеющая круглое входное отверстие и  прямоугольное выходное. Внутри втулки перемещается поршень 3, причем положение поршня определяется величиной расхода вещества и служит его мерой.

При изменении расхода изменяется сила, действующая на поршень снизу, и он опускается или поднимается, открывая или прикрывая выходное отверстие до тех пор,  пока сила, создаваемая разностью давлений на поршень снизу и сверху, не станет равной действующему весу поршня. Так как вес поршня вместе с грузами и его площадь — величины постоянные, то и перепад давления в состоянии равновесия остается практически постоянным.

Конструктивно корпус, втулка и поршень  выполнены таким образом, что при крайнем нижнем положении поршня входное отверстие остается полностью открытым, а выходное полностью закрытым.

Изменение максимального предела  измерения прибора достигается  изменением ширины выходного отверстия и веса грузов.

При измерении расхода веществ с высокой температурой крышка прибора снабжается ребристым охладителем 6; при измерении расхода веществ с низкой температурой и большой вязкостью крышка прибора снабжается полостью, через которую пропускают пар или другое греющее вещество.

Поплавковые расходомеры по своему принципу действия аналогичны описанным  выше ротаметрам и поршневым расходомерам с той лишь разницей,   что   разность давлений, возникающих при протекании измеряемого вещества через прибор, действует на поплавок, относительно седла, находящегося в корпусе вентильного типа.

 

 

Рис 1.4 Расходомер постоянного перепада типа ППЭ.

1 – корпус; 2 – втулка с двумя  отверстиями; 3 – поршень; 4 – сердечник; 5 – индукционная катушка; 6 –  ребристый охладитель; 7 – коробка  с зажимами для электропроводки.

 

 

Поплавковые расходомеры бывают с  дисковым или дисково-цилиндрическим поплавком и с коническим поплавком. В первом случае поплавок перемещается внутри седла, выполненного в виде конуса или сопла (рис.1.5), во втором случае — внутри седла, выполненного в виде диска.

При дисковых поплавках вязкость измеряемого вещества мало влияет на показания прибора. Проведенные на масле, воде и паре опыты показали, что при числах Рейнольдса, отнесенных к диаметру поплавка, больших 1000, показания поплавковых расходомеров с дисковым поплавком не зависят от вязкости. Это является преимуществом этого типа по сравнению с расходомерами переменного перепада давления.

 

 

 

 

 

 

Рис 1.5 Расходомер постоянного перепада с погруженным поплавком.

1 – поплавок; 2 – измерительное  сопло; 3 – шток; 4 – втулка с  уплотнительной набивкой; 5 – диск, предохраняющий измерительный механизм  от нагрева; 6 – диаграмма; 7 –  механизм счетчика; 8 – уравновешивающий  груз; 9 – поршень для обеспечения  плавного хода поплавка.

 

 

 

 

 

 

 

 

Расходомеры гидродинамические

На рис. 1.6 приведены схемы различных типов гидродинамических расходомеров, отличающихся друг от друга лишь формой тела, воспринимающего гидродинамическое усилие потока измеряемого вещества. В первом случае это поворотная заслонка, во втором— поворотный диск (может быть тело другой формы) и, наконец, буек в форме обтекаемого тела.

Рис 1.6 Расходомеры гидродинамические.

а -  с поворотным крылом; б –  с эксцентричным диском; в – с гидродинамической трубой.

Если известна средняя  скорость потока измеряемого вещества и, то усилие, воспринимаемое погруженным  в поток телом, будет определяться выражением

                                                                                                    (1.7)

где С — коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела и числа Рейнольдса;

  - удельный вес измеряемого вещества;

  - ускорение земного тяготения;

- площадь наибольшего поперечного сечения тела;

- угол между направлением потока и направлением перемещения тела. Для расходомеров с поворотным крылом и поворотным диском этот угол равен углу поворота крыла или диска.

Для расходомеров первых двух типов мерой расхода служит положение  крыла или диска. В самом деле, если записать уравнение моментов действующих  сил относительно оси вращения

,

то

                                                                                                               (1.8)

где -  расстояние от центра тяжести крыла или диска до оси вращения;

- площадь поперечного  сечения трубопровода.

Расходомер, схема которого приведена на рис. 1.6,в, разработан А. С. Сафаряном в НИИ Автоматика для измерения расхода пульпы на горнообогатительных фабриках. В отличие от рассмотренных расходомер с гидродинамическим буйком измеряет усилие как меру расхода.