Рассмотрим ротаметрическую пару первого типа. Поплавок в потоке обтекающей его жидкости находится под действием системы сил (рис. 3.2).
На поплавок действуют:
а) сила тяжести поплавка
(3.1)
где W - объем поплавка; g - ускорение свободного падения; r, r n - плотность жидкости и плотность материала, из которого изготовлен поплавок;
б) сила давления на верхнюю часть поплавка
(3.2)
где p 2 - давление жидкости над поплавком; w n - площадь поплавка;
в) сила давления на нижнюю часть поплавка
(3.3)
где p 1 - давление жидкости под поплавком;
г) сила трения потока о поплавок
(3.4)
где К - коэффициент сопротивления поплавка; vK - скорость движения жидкости в кольцевом канале между поплавком и стенкой; w б - площадь боковой части поплавка.
д) сила динамического давления
, (3.5)
где j - коэффициент сопротивления (обтекания) поплавка; r - плотность жидкости; v1 - скорость движения жидкости в сечении 1-1 (рис. 3.2).
Перепад давления на поплавок определится из условия равновесия поплавка
(3.6)
(3.7)
(3.8)
(3.9)
|
|
Для вывода основного уравнения расхода жидкости, протекающей через ротаметр, составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рис. 3.2):
(3.10)
Решая совместно уравнения (3.9) и (3.10), получим зависимость для определения скорости движения жидкости в кольцевом канале
, (3.11)
тогда расход определится как
, (3.12)
где k 1 - коэффициент расхода ротаметра; w к - площадь кольцевого зазора между поплавком и стенкой.
Коэффициент расхода ротаметра зависит от угла конусности, формы и веса поплавка, плотности и вязкости жидкости и установить его, даже для каких-либо эталонных условий, практически невозможно. Поэтому при изготовлении ротаметров прибегают к их экспериментальной градуировке.
- Конструкции ротаметров
По конструктивному исполнению ротаметры подразделяют на стеклянные с местным отсчетом (РМ) и металлические с электрическим (РЭ) или пневматическим (РП) выходным сигналом.
Ротаметры типа РМ со стеклянной трубкой (рис. 3.3) заменяют ранее выпускавшиеся типа РС.
Поплавок у ротаметров типа РМ в зависимости от пределов измерения изготавливают из стали, анодированного дюралюминия, эбонита или титана. Ротаметры этого типа могут работать при температуре измеряемой среды в пределах от 5 до 50 0С.,Они находят широкое применение в научных исследованиях, а также в промышленности для измерения небольших расходов жидкости и газов (например в хлораторах ЛОНИИСТО). Основная наибольшая приведенная погрешность составляет ± 2,5%.
К достоинствам ротаметров следует отнести сравнительно небольшие потери напора (D h? 1 м), которые мало зависят от расхода: например, при изменении расхода в 5 раз потери напора увеличиваются в 1,5..2 раза.
|
|
Контрольные вопросы
1. К какой группе расходомеров относятся ротаметры?
2. Какие силы действуют на поплавок?
3. Как изменится перепад давления, если вес поплавка увеличить?
4. Как изменится перепад давления, если вес поплавка уменьшить?
- Как изменится положение поплавка, если его вес уменьшить, а расход оставить постоянным?
Рис. 3.4. Металлические ротаметры РЭ:
а) для малых расходов; б, в) для больших и средних расходов
- Как изменится положение поплавка, если его вес увеличить, а расход оставить постоянным?
- Чем объясняется горизонтальный участок на тарировочном графике?
- Как изменится горизонтальный участок на тарировочном графике, если увеличить вес поплавка?
- Как изменится угол между тарировочным графиком и горизонтальной линией при увеличении веса поплавка?
- В каких единицах отградуирована шкала стеклянного ротаметра?