Теоретические основы измерения расхода при помощи ротамеров
Уравнение движения поплавка в ротаметре выводится из условий его обтекания потоком жидкости или газа. Предполагается, что поток одномерный, начало координат помещается в плоскости теоретического нуля ротаметра, расход жидкости постоянен.
Применительно к ротаметрической паре первого (основного) типа можно утверждать, что на поплавок действуют:
Сила тяжести (17.2.10)
, (17.2.10)
где W - объем поплавка;
- плотность жидкости и материала поплавка соответственно;
m - масса поплавка;
Сила гидродинамического напора (17.2.11)
, (17.2.11)
где υ - средняя скорость потока в кольцевом зазоре;
υх - скорость поплавка относительно неподвижной трубки (начала отсчета);
Сх - коэффициент сопротивления поплавка.
Средняя скорость в кольцевом зазоре вычисляют по (17.2.12)
, (17.2.12)
где - площадь кольцевого зазора.
При установившемся режиме х = h, а Р-G = 0. Тогда получим формулу (17.2.13)
, (17.2.13)
Путем преобразований из уравнения (17.2.13) можно получить формулу (17.2.14) для вычисления расхода
, (17.2.14)
Формула расхода для расходомеров с ротаметрической парой второго типа имеет вид (17.2.15)
, (17.2.15)
а с ротаметрической парой третьего типа – (17.2.16)
, (17.2.16)
Теория ротаметров основана и на зависимостях, описывающих движение жидкости или газа в кольцевом зазоре между трубкой и поплавком. Перепад давления до и после поплавка находят из (17.2.17)
, (17.2.17)
Расход через кольцевой зазор можно определить по формуле (17.2.18)
, (17.2.18)
где - коэффициент расхода ротаметра;
- площадь сечения кольцевого зазора.
Подставляя в формулу (17.2.18) значения перепада давления и площади кольцевого зазора, получим уравнение расхода (17.2.19)
, (17.2.19)
Из сравнения формул (17.2.14) и (17.2.19) следует (17.2.20)
, (17.2.20)
Таким образом, можно установить связь между приведенными выше двумя теоретическими основами движения жидкости и поплавка в ротаметре.
Градуировочные характеристики ротамеров и способы их пересчета.
Ротаметры относятся к расходомерам, требующим их обязательной градуировки на образцовой расходомерной установке, так как явления, возникающие в ротаметрах при протекании измеряемой среды, сложны и не могут быть исчерпывающе описаны математическими зависимостями. Кроме того, малейшее отклонение размеров рабочих органов ротаметров от заданных приводит к изменению зависимости подъема поплавка от расхода измеряемой среды.
При изготовлении на заводах ротаметры обычно градуируют на воде или воздухе при стандартных условиях (I = 20 оС, атмосферное давление 760 мм рт. ст.). На практике ротаметрами измеряют расход жидкостей или газов со свойствами, отличающимися от свойств воды или воздуха, а также при иных температурах и давлениях. Для получения при этом значений расхода с заданной погрешностью необходимо либо повторить градуировку на измеряемой среде, что часто бывает сложно, а иногда и невозможно (например, при измерении расхода токсичных сред), либо провести градуировку на. средах-заменителях, имитирующих вязкость и плотность измеряемой среды. Имитирующими жидкостями могут служить водоглицериновые смеси, масла и т. п. Но применение имитирующих жидкостей не всегда возможно, так как подобрать идентичную по плотности и вязкости среду бывает трудно, а отличие в этих параметрах приводит к дополнительной погрешности. Поэтому для получения показаний ротаметров на различных средах часто прибегают к пересчету заводских градуировочных характеристик. Существует несколько методов пересчета градуировочных характеристик. Нормативным документом по пересчету показаний ротаметров являются «Методические указания по пересчету градуировочных характеристик расходомеров постоянного перепада давления» (МУ 44-75). Кроме того, имеется ряд работ в этой области.
Все современные методики пересчета градуировочных характеристик ротаметров основаны на законах гидродинамического подобия и использования ряда безразмерных параметров, к которым относятся. - параметр, аналогичный числу Рейнольдса, устанавливающий подобие сил жидкостного трения и сил инерции (d - диаметр поплавка в миделевом сечении); - параметр, характерный для расходомеров постоянного перепада и устанавливающий подобие сил трения и сил тяжести; - безразмерная высота, устанавливающая геометрическое и гидравлическое подобие (Dг гидравлический диаметр); параметр, аналогичный числу Эйлера и характеризующий подобие сил давления и сил инерции.
Из сопоставления основных формул расхода для ротаметров с поплавками одинаковой плотности, измеряющих среды с различной плотностью, можно получить формулу (17.2.21) для пересчета расхода
, (17.2.21)
где СХ1 , СХ2 - соответственно коэффициенты сопротивления поплавка при градуировке и в реальных условиях измерения;
ρ — плотность поплавка;
ρ 1— плотность градуировочной жидкости или газа;
ρ2 — плотность измеряемой среды.
Значения коэффициентов СХ1 и СХ2 можно определить из специально составленных таблиц или вычислить по формулам(17.2.22) и (17.2.23), используя безразмерные параметры.
Для ротаметрической пары первого типа
, (17.2.22)
для второго типа
, (17.2.23)
Использовать аналитические зависимости при пересчете градуировочных характеристик ротаметров сложно, поэтому были предложены графоаналитические методы, упрощающие процесс пересчета. Одним из распространенных методов является метод, основанный на использовании теории размерностей зависимости
h=f(Q,ρ,υ,dп,Gп), (17.2.24)
По результатам градуировки геометрически подобных ротаметров (на различных средах) строят номограмму, которая представляет собой семейство кривых .
Пример такой номограммы показан на рисунке 17.2.6. При ее использовании сначала вычисляют безразмерные величины П2, hd-1, а затем по номограмме находят величину П.
Объемный расход рабочей жидкости вычисляют по формуле (17.2.25)
, (17.2.25)
Недостатком этого метода является то, что в его основу положено постоянство угла конусности, т. е. предполагается высокоточное изготовление трубок ротаметров. На практике это трудно осуществимо, а различие в углах конусности приводит к погрешностям при пересчете.
Рисунок 17.2.6 - Номограмма для пересчета показаний ротаметров
Рисунок 17.2.7 - Номограмма для определения коэффициента Сх по безразмерным величинам П2 и П3.
Для определения коэффициентов сопротивления поплавков общепромышленных ротаметров построен график (рисунок 17.2.7). График дает возможность определить Сх в зависимости от параметров П2 и Пз.
Как видно из соотношений (17.2.21) ¸ (17.2.23), проводить по ним пересчет достаточно сложно и не всегда доступно в практических условиях. Иногда встречаются случаи, в которых вязкость рабочей и градуировочной жидкостей практически одинакова, а плотность их различна. В этих случаях пересчет можно вести по формуле (17.2.26)
, (17.2.26)
При измерении расхода газа, когда плотность поплавка р значительно больше плотности газа, можно пользоваться приближенной пересчетной формулой (17.2.27)
, (17.2.27)
При этом погрешность пересчета составит, %
, (17.2.28)
Более точно
, (17.2.29)
погрешность при этом составит
, (17.2.30)
Для использования газовых ротаметров, градуированных на воздухе, для измерения других газов применяют способ изменения массы поплавка. Массу нового поплавка вычисляют по формуле (17.2.31)
, (17.2.31)
где V – объем
1 - трубка ротаметра; 2 – корпус поплавка; 3 – сменные грузики; 4 – крышка; 5 – пружинка.
Рисунок 17.2.8 - Схема поплавка переменной массы
При использовании той же шкалы ротаметра расход новой среды (газа) вычисляют по соотношению (17.2.32)
, (17.2.32)
Конструктивно поплавки переменной массы можно изготовить по схеме, представленной на рисунке (17.2.8).
Дата добавления: 2016-10-07; просмотров: 3463;