6. POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU CIECZY.

ROTAMETR

6.1. Temat ćwiczenia

Ćwiczenie ma na celu poznanie zasady działania przyrządów służących do pomiaru natężenia przepływu wody oparte na stałym spadku ciśnienia, oraz pomiar natężenia przepływu wody za pomocą rotametru.

6.2. Wprowadzenie teoretyczne

Najbardziej rozpowszechnionymi przyrządami grupy przepływomierzy o stałym spadku ciśnienia są rotametry. Mają one wiele zalet, w porównaniu z poprzednio opisanymi przepływomierzami, których praca powoduje zmienny spadek ciśnienia w rurociągu. Straty ciśnienia w rotametrach są nieznaczne, nie zależą od natężenia przepływu. Rotametry charakteryzuje duży zakres pomiarowy
.

Schemat rotametru przedstawiony jest na rys. 6.1. Strumień cieczy lub gazu przepływający od dołu przez rotametr podnosi pływak do momentu, gdy rosnąca pierścieniowa szczelina między ścianką rurki i korpusem pływaka osiągnie wielkość, przy której działające na pływak siły zrównoważą się.

Na ustabilizowany pływak rotametru działają z góry siły:

siła ciężkości G

(6.1)

siła parcia P₂

(6.2)

gdzie:

V - objętość pływaka,

ρ_n - gęstość materiału pływaka,

g - przyspieszenie ziemskie,

F - powierzchnia największego przekroju poprzecznego pływaka,

p₂ - średnie ciśnienie na górnej powierzchni pływaka.

Rys. 6.1. Budowa rotametru

Od dołu na pływak również działają dwie siły:

siła parcia P₁

(6.3)

siła tarcia T

(6.4)

gdzie:

p₁ - średnie ciśnienie pod pływakiem,

f - współczynnik tarcia zależny od siły Reynoldsa i szorstkości powierzchni,

v_k - średnia prędkość płynu w pierścieniowym kanale otaczającym boczną powierzchnię pływaka,

F_b - pole powierzchni bocznej pływaka,

n - wykładnik potęgi zależny od wartości prędkości.

Położenie pływaka ustala się wówczas, gdy nastąpi stan równowagi określony równaniem

(6.5)

albo

(6.6)

Jeżeli przyjąć, że v_k dla wszystkich prędkości przepływu jest stałe (ze wzrostem przepływu wzrasta powierzchnia pierścieniowej szczeliny), to prawa strona równania (6.6) dla danego przyrządu będzie stała.

Z powyższego równania wynika, że rotametr jest przyrządem o stałym spadku ciśnienia, ponieważ różnica ciśnień pod i nad pływakiem (p₁-p₂) jest stała.

Różnica ciśnień statycznych p_s1-p_s2 nie będzie stała, ze względu na wpływ sił parcia wynikającej z dynamicznego ciśnienia strumienia

(6.7)

gdzie:

ϕ₁ - współczynnik oporu pływaka zależny od jego kształtu.

Natężenie przepływu dla płynu nieściśliwego (ρ=const) oblicza się ze wzoru

(6.8)

gdzie:

α₁ - liczba przepływu wyznaczona doświadczalnie,

F_k - pole powierzchni pierścieniowej szczeliny określone konstrukcją rurki i pływaka, pozostałe oznaczenia jak we wzorze (6.7).

Liczba przepływu dla rotametrów α₁ zależy od wielu stałych, których nie można z góry określić; z tego względu konieczne jest wzorcowanie każdego rotametru. Zmiana temperatury płynu powoduje zmianę gęstości i lepkości, a w konsekwencji zmianę liczby przepływu α₁. W jeszcze większym stopniu zmienia się liczba przepływu, jeżeli rotametr zostanie użyty do innej substancji niż ta, dla której był wzorcowany. Dlatego należy pamiętać, aby w trakcie pracy przyrządu panowały takie warunki, w jakich określono liczbę przepływu α₁. W celu obliczania natężenia przepływu gazów należałoby do równania (6.8) wprowadzić współczynnik ekspansji ε. Jednakże, przy uwzględnieniu, że w rota metrach straty ciśnienia nie przekraczają 0,005 MN/m² (0,05kg/cm²), można przyjąć, że ε=1.

Rotametr przedstawiony na rysunku składa się z rurki przezroczystej umocowanej w dwóch metalowych głowicach, zaopatrzonych w króćce do połączenia z przewodem. Wewnątrz rurki pomiarowej jest umieszczony pływak.

W dolnej głowicy znajduje się gniazdo, w którym zatrzymuje się pływak w przypadku ustania przepływu.

W górnej głowicy jest umieszczony ogranicznik ruchu pływaka. Gniazdo i ogranicznik uniemożliwiają ucieczkę pływaka z rurki pomiarowej. Podziałka jest naniesiona na zewnętrzną powierzchnię rurki i odnosi się do górnej krawędzi pływaka.

Rotametry szklane stosuje się do cieczy i gazów o ciśnieniu nie większymi niż 1 MN/m² (10 kg/cm²). W przypadku wyższych ciśnień cieczy stosuje się rotametry metalowe, zaopatrzone we wziernik.

6.3. Opis modelu

Model zainstalowany w laboratorium jest to układ przewodów ciśnieniowych z zamontowanym rotametrem. Po przejściu przez przewody woda wypływa do naczynia pojemnościowego. Ten sam przepływ rejestrowany jest wobec tego przez dwa urządzenia mierzące natężenie przepływu.

6.4. Sposób wykonania ćwiczenia

Na omawianym stanowisku można

1. obliczyć natężenie przepływu mierzone za pomocą rotametru

2. wyskalować wskazany przyrząd, przyjmując za dokładne natężenie przepływu - mierzone naczyniem pomiarowym.

Należy pamiętać o odpowietrzeniu modelu.

Odczyty rozpocząć dla maksymalnego możliwego przepływu, a następnie stopniowo zmniejszać przepływ. Należy pamiętać, że pomiary należy przeprowadzać po ustaleniu się ruchu cieczy. Parametry podane w temacie ćwiczenia należy obliczyć, korzystając ze wzorów podanych w punkcie 6.2.

6.5. Uwagi końcowe

Warunkiem poprawnego wykonania ćwiczenia jest

1. w zależności od liczby serii pomiarowych takie regulowanie poszczególnych przepływów, aby w możliwie równomierny sposób wypełnić cały zakres pomiarowy urządzeń,

2. pomiar przeprowadzać po ustaleniu przepływu.

6. Pomiar natężenia przepływu cieczy w przewodach. Rotametr

- 5 -

---