Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

В заключение рассмотрения вопроса об обобщенных характери­ стиках ротаметров остановимся еще на одной возможности упроще­ ния выражения (X I.19). В показывающих ротаметрах со стеклян­ ными коническими трубками малой конусности (порядка 1 : 1 0 0 ) второе слагаемое в круглой скобке (XI. 19) при наибольшем подъеме поплавка не превышает величины 0,08—0,10. При паспортной по­ грешности прибора примерно 1 —2 % полностью пренебрегать этой величиной нельзя, но учитывая ее небольшое абсолютное значение,

Рис. 144. Обобщенная статическая характеристика

выражение х (1 + x/d tg 0 /2 ) можно аппроксимировать степенной за­ висимостью х1+к, где величину k с достаточной для практики точ­ ностью допустимо считать постоянной. Как показывают расчеты, среднее значение k имеет порядок 0,10. В работе [17] приведена методика обработки сглаженных опытных кривых для ротаметров типа РС-5 и РС-7, полученных автором работы [106]. График обоб­ щенной характеристики, рассчитанный по формуле

Yi+k

А ~ ~ ]/х р = ф (Re) (k — — 0,08, А = const),

приведен на рис. 144. Величины отклонений точек от кривой, не превышающие ± ( 1 —2 )%, свидетельствуют о практической приемле­ мости принятой формы зависимости. Как видно на графике, при малых числах Re обобщенная характеристика в логарифмическом

346

масштабе близка к прямой линии, что позволяет найти простую ап­ проксимацию функции cp (Re) в данном диапазоне чисел Re.

Для практического использования обобщенные характеристики в форме (XI. 18) неудобны, так как в расчетные выражения обеих координат графика входит неизвестная измеряемая величина Q. Более удобная на практике форма критериальной связи получается при использовании в качестве аргумента графика определяющего критерия, не содержащего Q. Такой критерий или, точнее, комбина­ ция определяющих критериев, получается путем перемножения ле­

Следовательно, безразмерная обобщенная характеристика может быть представлена в виде зависимости

4 У 71 я х^ ~ я 3У я3 — 1 ( l + ni ^ ) = /(я 6, с3).

Для конкретного ротаметра постоянные сомножители в крите­ риальных выражениях могут быть опущены, и обобщенная характе­ ристика в размерной форме принимает вид

Выпускаемые промышленностью ротаметры отличаются большим разнообразием конструктивных элементов. На рис. 145 изображены конструктивные схемы некоторых ротаметров. Стеклянные кониче­ ские трубки имеют ограниченную прочность, поэтому такие рота­ метры (рис. 145, а, б, в) применяются только при относительно не­ высоких давлениях (6-ъ10) 105 Па. Для измерений при больших давлениях (до 32 • 10е Па) предназначаются ротаметры с металли­ ческой трубкой и хвостовиком-указателем, перемещающимся в ка­ мере со смотровой щелью, прикрытой стеклом с делениями (рис. 145, д). Кольцевые поплавки рекомендуется использовать для измерений в потоках малопрозрачных жидкостей. В ротаметрах с цен­ тральным коноидом (рис. 145, г) к погрешностям изготовления вну­ треннего диаметра трубки и наружного диаметра центрального тела добавляются погрешности несоосности сборки. У приборов с поплав­ ками тарельчатой формы (рис. 145, в) достигается автомодельность [3 по числу Re, что объясняется малой поверхностью трения о жидкость.

Из элементарной теории обобщенных характеристик следует, что все практические трудности построения и использования этих харак­ теристик вызваны сложностью зависимости S = f (К). Линейность статической характеристики, простота построения обобщенной ха-

347

рактериСтиНи, повышение точности и ряд других преимуществ дости­ гаются при использовании специально спрофилированных трубок, обладающих линейной конструктивной характеристикой

Sx = bx.

При этом коноидальная трубка изготавливается таким образом, что ее внутренний диаметр D изменяется с высотой подъема поплавка по закону

D = V ^ b* + d‘ -

Вошедший в эти формулы коэффициент b пред­ ставляет собой чувствительность конструктивной характеристики и выбирается с учетом требований, предъявляемых к свойствам статической характе­ ристики. Из выражения конструктивной харак­ теристики и формулы (XI. 15) следует, что

р* V ZglnKp

Отсюда видно, что наилучшая линейность стати­ ческой характеристики ротаметра (при заданной постоянной чувствительности xlQ) достигается при изменении b по закону

b = const -р- = const У Сх.

Зависимость Сх = ср (Re) для данного поплавка легко может быть найдена опытным путем обыч­ ными аэродинамическими методами, а затем по этой зависимости должна быть спрофилирована трубка. Таким образом, для каждой конкретной формы поплавка существует единственная опти­ мальная форма коноидальной трубки, рассчиты­ ваемая по приведенным выше формулам.

Профилирование трубки связано с целым рядом технологических трудностей, значительно проще обеспечить требуемый закон профилирования в ро­ таметрах с центральным коноидом (рис. 145, г).

Еще легче осуществить требуемый закон изменения Sx = <р {х) в при­ боре, занимающем промежуточное положение между ротаметром и поршневым расходомером, принципиальная схема которого приве­ дена на рис. 146. Прибор состоит из двух расположенных соосно цилиндрических прозрачных трубок, внутренняя из которых имеет вертикальные прорези. Поток подается во внутреннюю трубку, про­ ходит через прорези и из кольцевого канала между трубками вы­ ходит в трубопровод. Поплавок выполнен в виде шара, при подъеме которого под действием потока открывается все увеличивающееся

349

проходное сечение Sx прорезей. Очевидно, что не сложно спрофили­ ровать прорези по любому требуемому закону и даже скорректиро­ вать (путем подпилки краев прорезей) этот закон по результатам опытных проливок. Диапазон работы ротаметра может быть изменен в несколько раз за счет добавления дополнительных шариков, один из которых изображен на рисунке штриховой линией. В [178] ука­ зывается, что такой ротаметр не теряет работоспособности при на­ клоне до 45° от вертикали, однако следует предположить, что при этом требуется переградуировка прибора, так как с наклоном из­ меняется уравновешивающая сила — составляющая силы веса по­ плавка, направленная потив потока.

Ротаметры обладают длительным успокоением, и поэтому не ре­ комендуется их применение в быстропеременных потоках. Динами­ ческие свойства поплавка в невязкой среде соответствуют свойствам линейного колебательного элемента

(Т2р2 -f 1) х = kQ.

Реальное демпфирование происходит как за счет вязкого взаимо­ действия с потоком, так и за счет нелинейности реального коэффи­ циента усиления' kp = f (Q). В реальных вязких средах свойства поплавка близки к свойствам апериодического элемента второго рода

как больших, так и очень малых расходов (порядка 30 см3/ч). Ниж­ ний предел измерения ротаметра обычно составляет 1 0 —2 0 % от верхнего. Кроме показывающих ротаметров типа PM (PC) отечествен­ ной промышленностью производятся ротаметры с электрической (тип РЭ) и пневматической (тип РП) дистанционной передачей по­ казаний. Приборы выпускаются классов точности 1,0; 1,5; 2,5.

Прочие типы расходомеров обтекания имеют несколько меньшее применение в исследовательской практике, чем ротаметры. Все они должны проходить индивидуальное градуирование на рабочих жидкостях; погрешности измерения в нормальных условиях работы могут доходить до ±(2—5)%. Поплавковые, поршневые, поплавково­ пружинные, с поворотной лопастью и некоторые другие расходо­ меры обтекания подробно описаны в [72].

В последнее время внимание исследователей и конструкторов в области измерительной техники привлекают датчики с частотным выходом. Интересный вариант расходомера обтекания с частотномодулированным сигналом описан в [167]. Принцип действия та­ кого прибора состоит в том, что направленный соответствующий обра­ зом поток вызывает колебания некоторого обтекаемого тела, сво­ бодно подвешенного в потоке. Частота / этих колебаний связана с объемным расходом Q и плотностью потока р соотношением вида

f = kQ V p,

350

где k — коэффициент пропорциональности, расчет которого (с опре­ деленной степенью точности, достаточной для проектирования при­ бора) приводится в [167]. Принципиальная схема подобной си­ стемы приведена на рис. 147. Поток жидкости, вошедший в датчик, делится на два потока и попадает в каналы прямоугольного профиля, выходя из которых в точке а, встречает обтекаемое тело (вибратор). На поверхности вибратора в области Ь возникает некоторый подпор, благодаря которому вибратору передается энергия от потока и воз­ никает сила, перемещающая вибратор. Чем больше смещение вибра­ тора от положения равновесия,

ходным сигналом первичного преобразователя служит частота коле­ баний вибратора.

Вторичное преобразование (колебаний вибратора в электриче­ ский сигнал) легко осуществляется с помощью датчиков перемеще­ ния, например индуктивного, емкостного, индукционного или опти­ ческого принципа действия. Большим преимуществом такого метода измерения расхода кроме частотной модуляции выходного электри­ ческого сигнала является теоретически линейная зависимость ча­ стоты от расхода. К сожалению, частотные расходомеры обтекания сегодня еще мало изучены, и поэтому не ясны их метрологические характеристики и области применения.

3. Скоростные тахометрические расходомеры

Тахометрические расходомеры составляют широкий класс при­ боров, включающий в числе прочих и скоростные расходомеры. В тахометрических первичных преобразователях движущийся поток жидкости или газа приводит во вращение первичный элемент — ротор, скорость вращения которого является мерой скорости потока. Таким образом, схема расходомера состоит из первичного (прием­ ного) преобразователя-ротора, вторичного тахометрического пре­ образователя и измерительного прибора с индикаторным или реги­ стрирующим устройством. Конструктивное объединение ротора с тахометрическим преобразователем иногда в литературе именуется датчиком расходомера. Широкое применение тахометр ических рас­

351