Принцип хорошо просматривается в ротаметре – расходомере, состоящем из конической трубки и поплавка, перемещающемся вверх под действием потока. Принцип рассмотрен на рис. 16.2. По мере подъема поплавка кольцевой зазор между расходомером и внутренней поверхностью трубки увеличивается до тех пор, пока подъемная сила, действующая на поплавок, не уравновешивает его вес:
Vпgρп = Vпgρс + cSпρсν2 /2, (14)
где Vп – объем поплавка;
ρп и ρс – соответственно плотность поплавка и среды;
ν – скорость потока на поверхности поплавка;
Sп – максимальная площадь сечения поплавка;
с – коэффициент сопротивления, зависящий от геометрических размеров измерительного устройства и числа Рейнольдса [3].
Рис. 16.2. Схема ротаметра
Поплавок имеет спиральную нарезку, благодаря которой он вращается в потоке жидкости, что уменьшает трение и центрирует поплавок по оси конической трубы.
Достоинствами являются простота конструкции, дешевизна, не возникают потери давления в трубопроводе. В приборах возникают погрешности градуировки и возможность изменения свойств вещества – плотности, вязкости. Суммарная погрешность 1 - 1,65 %.
Другой разновидностью является тахометрический принцип, основанный на преобразовании расхода жидкости или газа в скорость вращательного или возвратно-поступательного движения различных тел (турбинка, поршень, шарик). Обычно турбинный расходомер состоит из турбинки, установленной в поток, и индукционного или индуктивного, ионизационного, оптоэлектронного преобразователя частоты вращения турбинки в электрический сигнал. Основные погрешности возникают от нестабильности трения в подшипниках и изменения вязкости среды.
При измерении малых расходов возникает погрешность за счет тормозного момента, который имеет место в случае использования электромагнитных (индукционных, индуктивных) преобразователей скорости. Тормозной момент исключается применением радиоактивных, фотоэлектрических или емкостных преобразователей.
Существует также вибрационный принцип, основанный на зависимости параметров (частота и амплитуда колебаний, коэффициент успокоения) механического трубчатого резонатора от массового расхода проходящего через резонатор потока. Трубчатый резонатор работает в режиме свободных колебаний или в режиме автоколебаний.
Кинематические принципы
Принципы основаны на измерении собственно вектора скорости и его составляющих.
Принцип меток потока
Принципоснован на измерении скорости искусственно создаваемых или естественных образований (меток), отличающихся каким-то свойством от остального вещества. При использовании этого принципа измерение расхода жидкостей или газов сводится к измерению средней скорости меток при прохождении ими участка трубопровода известной длины (базы).
Метки могут быть тепловые, химические, радиоактивные, магнитные. Они отличаются по соответствующим свойствам от общего потока, но по остальным они должны быть идентичными ему.
Основной погрешностью является несоответствие между скоростью меток и средней скоростью потока. Метки различной природы в зависимости от формы и свойств подвержены действию различных тормозящих и ускоряющих сил. При малых скоростях потока источником погрешности может быть броуновское движение частиц.
Расходомер состоит из поляризатора I, источника меток II, анализатора III и измерительного устройства IV (рис. 16.3). Жидкость, атомные ядра которой обладают магнитным моментом, сначала поступает в сильное поляризующее постоянное магнитное поле N1 – S1, где в результате ядерной намагниченности происходит поляризация ядер. Участок трубопровода с катушкой 3 образует датчик ЯМР, подключенный к устройству обнаружения сигналов ЯМР 4. Катушку 2 подключают ключом 6 к высокочастотному генератору 5. В участке трубопровода с катушкой 2 происходит изменение ядерной намагниченности (образуются метки) и при подходе этой жидкости к катушке датчика ЯМР изменяется интенсивность или знак сигнала. При периодическом подключении генератора 5 к катушке 2 в потоке будут создаваться участки жидкости с деполяризованными ядрами (метками), которые, проходя через датчик ЯМР, будут вызывать периодическое изменение (или инверсию) сигнала ЯМР, который идет на измеряемый прибор 7. Расчет приводится в [3].
Основной погрешностью является погрешность определения времени прохождения меткой базы. Погрешность определения момента зависит от размытости фронтов метки, шумов, релаксационных изменений ядерной намагниченности и др.
Рис. 16.3. Структурная схема времяимпульсного расходомера
Ультразвуковые принципы
Эти принципы основаны на измерении скорости ультразвуковых колебаний в подвижной среде, которая равна геометрической сумме скорости среды и скорости звука в данной неподвижной среде, которая известна.
Рис. 16.4. Структурная схема фазового ультразвукового расходомера
Разновидности: времяимпульсный, частотно-импульсный, доплеровский, фазовый и принцип на основе измерения интенсивности сноса ультразвуковых колебаний движущимся потоком. Ультразвуковые принципы в основном применяются для измерений расходов жидких сред.
На рис. 16.4 ультразвуковые колебания, создаваемые генератором 1, модулируются с помощью модулятора 2 и генератора 11. Модулированные колебания поступают на возбудители 3 двухканального датчика, установленного на трубопроводе 4. Сигналы с приемников ультразвуковых колебаний 10 через усилители 5 и 9, демодуляторы 6 и 8 подаются на фазо-метр 7, показания которого пропорциональны расходу.
Недостатками являются возникающая методическая погрешность, обусловленная отличием измеряемой этими методами скорости движения среды, осредненной по пути от излучателя до приемника ультразвуковых колебаний, от скорости движения среды; шероховатость трубопровода; физико-химические свойства перемещающейся среды.