Ротаметрите
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 4, 2010
Класически разходомери с широка област на приложение
Съвременната автоматизация е сред най-бързо развиващите се сфери на техниката. Наред с модерните технологии като мултипроцесорни системи за управление, безжични комуникации, мрежови технологии и т.н. в областта на автоматизацията, успешно се прилагат и методи, доказали се в практиката от много години. Например, дюзи на Вентури и диафрагми при измерване разхода на флуиди или термодвойки при измерване на температура успешно се използват дори и в най-модерните производства. Сред уредите, които могат да се приемат за "класически", са и ротаметрите.
Добре известно е, че разходомерите за течности и газове, използващи пада на налягането като принцип на работа, се разделят на две големи групи - с променлив и с постоянен пад. Към първия вид разходомери се отнасят диафрагмите, дюзите и тръбите на Вентури. Типични представители на разходомерите с постоянен пад на налягане са ротаметрите.
Принцип на действие
Ротаметрите са устройства, предназначени за пряко измерване разхода на флуиди. Принципът им на работа се основава на силовото взаимодействие на потока и намиращото се в него тяло, наричано още поплавък. Основните елементи, принципно необходими за работа на ротаметрите, са два - поплавък и тръба с формата на пресечен конус
(фиг. 1).
Главният измервателен елемент на ротаметрите е поплавъкът и представлява ротационно тяло, което се премества вертикално в коничната тръба, като резултат от въздействието на протичащия през нея флуид. По този начин стойността на разхода на измервания флуид се определя от височината, на която е разположен поплавъкът. Въпреки наименованието си, той в действителност не плава във флуида, поради по-голямото си относително тегло. Това негово свойство осигурява "падането" му в най-ниското, нулево положение при отсъствието на разход.
На фиг. 1 е показана принципната конструкция на ротаметър. С (1) е означена провеждащата тръба с конично сечение, която задължително е разположена вертикално. В нея е поместен поплавъкът. Трите основни части на тялото му са: конусовиден връх (2), цилиндрична част (3) и основа (4). Провеждащата тръба в този случай е прозрачна (обикновено се изработва от стъкло), а с (5) е показана скалата, която е нанесена директно върху нея.
Формата на поплавъка е от съществено значение за точното измерване и е обект на изследвания и подобрения. В примера, показан на фиг. 1, се вижда, че в основата (4) са изрязани специални канали по периферията, които осигуряват устойчиво и непрекъснато въртене на поплавъка около оста му. По този начин поплъвъкът се позиционира в средата на потока и не се трие по вътрешната повърхност на коничната тръба, което би довело до допълнителна грешка. Именно с непрекъснатото въртеливо движение (ротацията) на поплавъка е свързано и наименованието на измервателния прибор.
История на ротаметъра
Първият ротаметър е бил изобретен от немския инженер Карл Кюперс (Karl Kueppers) в Аахен, Германия. През 1908 г. Кюперс регистрира патент No 215225, в който описва разходомер с постоянен пад на налягане и въртящ се поплавък. Оценявайки огромното значение на това откритие, Феликс Мейер (Felix Meyer) основава в Аахен промишлената компания Deutsche Rotawerke. Нейното име (Rota) произлиза от ротация и ще се пренесе в названието на широко разпространените днес уреди - ротаметри. Понастоящем компанията е собственост на корпорацията Yokogawa Electric.
Теоретична база на ротаметрите
На фиг. 2 са показани трите сили, въздействащи върху поплавъка на един ротаметър. Силата A е с посока отдолу нагоре и представлява архимедовата сила. Тя е равна по големина на теглото на обема флуид, който е изместен от поплавъка. Тази сила е константна, когато плътността на флуида е постоянна. Силата G е силата на тежестта и е с посока отгоре надолу. Тя зависи от масата на поплавъка и също е константна. Силата S се създава от потока и зависи от разхода на флуида, преминаващ през измервателния уред. Когато се увеличи потокът флуид, силата S също нараства. Това води до изместване на поплавъка нагоре по измервателната тръба в посока, в която сечението й се увеличава. Резултатът е намаляване на силата S, докато отново настъпи равновесие.
Следователно: S + A = G (векторна сума). Силите A и G са константи при непроменяща се плътност на течността или на газа. След като поплавъкът е останал на нова, по-висока позиция в измервателната тръба, актуалният разход на флуида може да бъде отчетен по скалата.
За да се опише математически обемният разход Q (m3/s) на флуида, протичащ през коничната тръба, се използва уравнението за непрекъснатост на потока и уравнението на Бернули, приложено за сеченията a-a и b-b, дадени на фиг.1: Q = aSHЦ(2gLfKr); m3/s. Във формулата SH [m2] е най-малката повърхнина на пръстеновидния отвор, през който протича флуидът. SH съответства на височината H по отношение на първоначалното сечение на коничната тръба. Съответно: g [m/s2] е ускорението на масата на поплавъка, а Lf [m] - височината на поплавъка. За Kr важи зависимостта: Kr = rf/r - 1, rf е плътността на материала, от който е изработен поплавъкът, а r плътността на флуида. a е коефициент, зависещ от формата и от съпротивлението, което оказва поплавъкът на флуида. За него е в сила зависимостта: a = Ц(b/ЦcH). Във формулата b = Vf / (Sf Lf), като Vf [m3] е обемът на поплавъка, а Sf = pD2/4 [m2] е повърхнината на напречното сечение на основата на поплавъка с диаметър D. Тя е равна на вътрешния диаметър на конусовидната тръба в началната позиция на поплавъка при H = 0. cH е коефициент, зависещ от формата на поплавъка и от критерия на Рейнолдс. cH се дава чрез израза: cH = (2gVf / Sf w2 ) Kr.
В зависимостта: w2 е скоростта на потока флуид. Тя би могла да се представи като w = Q/SH, [m/s]. Чрез заместване се получава: SH = QЦ[cH /(2g Lf b Kr)].
Изразът представлява базовата функционална зависимост, описваща работата на ротаметъра. Тази формула показва, че в установената равновесна позиция на поплавъка, повърхността на най-малкия пръстеновиден отвор между него и стената на коничната тръба е право пропорционална на обемния разход на преминаващия флуид.
От друга страна геометричната зависимост между повърхността на дроселиращата секция SH и височината H, на която е повдигнат поплавъка, съгласно фиг. 1, би могла да се представи с израза: SH = p(DtgqH + tg2qH2). С q е означен ъгълът между образуващата линия на конуса и оста на тръбопровода. Чрез заместване се получава връзката между височината H и обемния разход Q. Q = (Ka Ц Kr)(aH + bH2), [m3/s]. В израза константните величини са заменени със спомагателни коефициенти. K = pЦ(2g Lf ), a = Dtgq, b = tg2q.
Както е видно, стойността на протичащия през ротаметъра поток от флуида се дава чрез известни, в смисъла на определими, параметри на коничната тръба и поплавъка. Коефициентът a е аналогичен на коефициента на разхода при дроселиращи устройства.
Следващият важен извод, който се прави от формулата е, че връзката между разхода Q и височината H на повдигане на поплавъка не е пропорционална. От това следва, че скалата на ротаметъра няма да бъде равномерна. В случай че коничната тръба е с малък ъгъл на образуващата (от порядъка на 1:100) и неголямо преместване на поплавъка, тогава членът bH2 става пренебрежимо малък и би могъл да бъде игнориран. В този случай грешката ще бъде в допустимата за практиката стойност от под 2%. Следователно изразът ще придобие удобният за използване вид: Q = KaaЦKrH, [m3/s]. Ако и двете страни на зависимостта бъдат умножени с плътността на флуида r, ще се получи формула за масовия разход, или: G = KaaЦ[r(rf - r]H, [kg/m3].
Евтини и надеждни в широка област от приложения
Днес ротаметри произвеждат много компании в световен мащаб, включително и най-големите доставчици на контролно-измервателни прибори. Пазарните продажби на ротаметри с всичките им модификации се изчисляват на над стотици милиони долара годишно. Причините за широкото им използване са различни. На първо място това е елементарната им конструкция и устройство, което ги правят много надеждни и сигурни. Ако ротаметърът е бил коректно избран за конкретното приложение той ще запази за дълъг период от време безотказната си работа. Следващата причина за пазарния успех на ротаметрите е, че те са едни от най-евтините разходомери. В повечето случаи техният монтаж е много лесен. Друго тяхно предимство е, че не изискват почти никаква поддръжка. За голяма част от измерванията точността на ротаметрите е напълно задоволителна. Максималната им грешка обикновено е в границите от 5% до 2% от пълната скала, а при някои специални модели и до 1,6%. Важно е да се отбележи, че измерването е с много висока повторяемост.
Друго полезно качество е линейната характеристика. Освен това те притежават свойството да бъдат устойчиви на различни агресивни среди, благодарение на факта, че се предлагат изработени от специални материали като PTFE, титан, голям набор от неръждаеми стомани и др. А това е много важно за химическата индустрия, която използва голямо разнообразие от разходомери. Не бива да се подценява и фактът, че ротаметрите са нечувствителни към наличието на прави участъци на инсталационния тръбопровод. Известно е, че това понякога е сериозен проблем за електромагнитните и вихровите разходомери, както и за разходомерите с променлив пад на налягане. Друго предимство на ротаметрите е, че за своята работа те не изискват външен източник на енергия.
Измерват малки разходи
Сред най-големите предимства на ротаметрите е способността им да измерват малки разходи. Използването на повечето от другите типове разходомери при много ниски налягания (съответно ниски скорости на флуида и следователно малки разходи) е силно затруднено или невъзможно. Съществува долна граница, под която грешката им на измерване започва рязко да нараства. За този тип приложения, ротаметрите са много добра алтернатива - съществуват модели с измервателен обхват от 0,002 l/h вода или 0,008 m3/h въздух. Измерването на много малки дебити е свързано с още една полезна характеристика - ротаметрите предизвикват много малки загуби (пад) на налягане. На фиг. 3 са показани различни конструктивни форми на поплавъка, някои от които са специално проектирани допълнително да намалят загубите на налягане.
Ограничения при използването на ротаметрите
Наред с предимствата си, ротаметрите имат и редица съществени недостатъци. Затова е добре специалистите да познават и плюсовете, и минусите им, за да могат правилно да подберат подходящия метод на измерване.
Ротаметрите са чувствителни към промяна на температурата и/или плътността на протичащия флуид. Възможното отклонение на тези параметри трябва предварително да бъде уточнена, тъй като може да доведе до сериозна грешка в показанието на уредите. По отношение на максимално допустимите стойности на налягането и температурата, ротаметрите отстъпват в известна степен на другите типове разходомери (индукционни, вихрови и с променлив пад на налягане), но все пак на пазара се предлагат модели за работно налягане 100 бар и максимална температура 300 градуса Целзий.
Когато се използват за измерване разхода на течности, освен към температурата и плътността им, ротаметрите са чувствителни и към промяна на вискозитета. Необходимо е да се знае, че ротаметричният принцип на измерване е неприложим за високо вискозни течности.
Съществуват ограничения и по отношение размера на тръбопровода - ротаметрите се предлагат за размери от 1,5 mm до 100 mm като най-използвани са от 3 до 50 mm. Изразено във вид на максимално възможни дебити това означава до около 150 m3/h за течности и до около 3600 m3/h за газове.
Използването на ротаметри не е желателно за флуиди, съдържащи абразивни компоненти, защото това може да доведе до бързо влошаване на характеристиките им и дори до повреда. Следствие от принципа на действие на ротаметрите са следващите два недостатъка. Първият е, че те трябва да имат строго вертикален монтаж, а вторият е, че не са подходящи за пулсиращ поток на флуида.
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 9/2024
