ПОПЛАВОК ДЛЯ РОТАМЕТРА Российский патент 1999 года по МПК G01F1/22 

Изобретение относится к области работы промышленных приборов, преимущественно газовых сред. Предлагаемое изобретение используется в ротаметрах при организации промышленных измерений, а также при автоматизации технологических процессов.

Известен поплавок [1] для ротаметра. Он состоит из нижней конической части, цилиндрической части и верхнего буртика, на котором навстречу потоку вырезаны косые канавки, благодаря которым обеспечивается непрерывное вращение поплавка, за счет чего и осуществляется центрирование поплавка в потоке. Недостатком этого поплавка является то, что с увеличением вязкости измерительной среды замедляется вращение поплавка, и, как следствие, ухудшается его центрирование в потоке, что приводит к увеличению погрешности измерения. С увеличением вязкости ухудшается вращение поплавка и может ухудшаться центрирование.

Известен поплавок [2] для ротаметра. Он состоит из нижней части усеченного конуса, средней цилиндрической части и верхнего буртика, состоящего из конической усредненной части, при этом верхний конус переходит в цилиндр d, с высотой 0,02d, диаметр цилиндрической части 0,7d, а высота стороны цилиндра 0,65d, длина поплавка 1,5d, нижний торцевой диаметр усеченного конуса 0,5d, угол раскрытия конуса 40^o, нижний усеченный конус переходит в цилиндрический буртик диаметром 0,9d. Недостатком такой конструкции поплавка является довольно сложная технология изготовления и контроля размеров, а также переход в неустойчивый режим работы поплавка при больших скоростях потока в кольцевом зазоре, и как следствие, увеличение погрешности измерения, (например, PM-VI при расходе 4 м/час).

Известен поплавок [3]. Корпус поплавка выполнен в форме цилиндра, оканчивающегося в нижней части конусом, либо конусом, или комбинацией нескольких цилиндров разного диаметра и усеченного конуса. В корпусе поплавка выполнен осевой канал различной формы. Осевой канал может оканчиваться в нижней части двумя или несколькими ответвлениями различной формы, расположенными радиально или наклонно к оси поплавка. В верхней части осевых каналов выполняются гнезда для закрепления сопел с калиброванными отверстиями для прохода жидкости. Этот поплавок предназначен для расширения диапазона измерений ротаметров и для уменьшения потерь давления, особенно при больших расходах. Недостатком данного поплавка является достаточно сложная технология его изготовления. Известен поплавок [4], представляющий собой тело вращения, состоящее из нижней конической части, средней цилиндрической части и верхнего усеченного конуса, переходящего в цилиндрический буртик, при этом верхний торец цилиндрической части соединен с меньшим основанием усеченного конуса, а нижний торец является основанием конуса, при этом конусность составляет 0,765, а верхнего усеченного конуса - 0,536. Недостатком этого поплавка является то, что его достаточно сложно изготовить и проконтролировать его размеры. Разная конусность обоих конусов, даже при обработке на станках с ЧПУ предполагает составление двух программ. Также обстоит дело и с контрольными операциями. Конфигурация данного поплавка рассчитана на определенные пределы расходов, а также велика площадь эффективной поверхности, вызывающей неустойчивость течения среды при измерении расхода [5].

Изобретением решаются следующие задачи:
а) расширение диапазонов расходов (на одной и той же стандартной конической трубке при применении предлагаемой конструкции поплавка увеличивается верхний диапазон измеряемого расхода),
б) упрощение технологии обработки поплавка,
в) увеличение точности (за счет уменьшения эффективной поверхности, вызывающей неустойчивость течения среды).

Для достижения этого технического результата в поплавке для ротаметра, представляющем собой тело вращения, состоящее из нижней конической части, средней цилиндрической части и верхнего усеченного конуса, переходящего в цилиндрический буртик, при этом верхний торец цилиндрической части соединен с меньшим основанием усеченного конуса, в нижний торец цилиндрической части является основанием нижнего конуса, диаметр средней цилиндрической части составляет (0,6...0,7)D_n, длина усеченного конуса составляет (0,3...0,4)D_n, высота буртика составляет (0,015. . .0,15)D_n, где D_n - диаметр буртика, а вершина конуса, частью которого является усеченный конус, совпадает с вершиной нижнего конуса и угол при вершине обоих конических поверхностей поплавка составляет 27^o...33^o. Отличительными признаками предлагаемого поплавка от прототипа является: наличие одинаковых углов при вершине обеих конических поверхностей, что упрощает технологию обработки и контроля, а также позволяет уменьшить боковую площадь как цилиндрической поверхности, так и нормальной к нему нижней торцевой плоскости усеченного конуса поплавка, вызывающих неустойчивый характер течения жидкостей. Это показано на фиг. 1. Отличительными признаками является величина угла при вершине обеих конических поверхностей поплавка (27^o...33^o), т.к. ранее в работе [6] было указано, что значения угла при вершине усеченных конусов в верхней части поплавка лежат в пределах 180^o (Q₁, Q₂) 60^o не влияют на статические характеристики. Было изготовлено восемь базовых экспериментальных моделей поплавков с углами 26^o... 34^o по три модификации каждой модели из различных материалов. Наиболее предпочтительным по стабильности коэффициента расхода является угол 27^o...33^o. Отличительным признаком заявляемого поплавка от прототипа является размер диаметра цилиндрической части 0,6...0,7D_n, а также высота буртика 0,015... 0,15D_n. В [7] указывается на то, что если величина не превосходит 0,6...0,7, то изменения d₁ не сказываются на статической характеристике, где d₁ - диаметра цилиндрической части. Автор считает, что в сумме с другими отличительными признаками этот признак позволяет достичь сверхсуммарного эффекта и расширить диапазон применения поплавка, например в ротаметре типа РМ-0,63 ГУЗ с верхним пределом измерения по воздуху 0,63 м³/час (со стандартным поплавком) до 1 м³/час. Преимущества предлагаемого поплавка состоят в том, что поплавок не вращается в потоке, центрирование идет за счет статического давления, поле статического давления в зазоре равномерно, нет внутренних сверлений в поплавке, т.е. исключены загрязнения, за счет уменьшения боковых поверхностей обеспечивается меньшая зависимость от измерения сред. За счет выбора таких значений углов конусов поплавка при вершинах уменьшен коэффициент лобового сопротивления, и как следствие, увеличение коэффициента расхода.

Предлагаемый поплавок изображен на фиг. 2. Поплавок представляет тело вращения и состоит из нижней конической части 1, средней цилиндрической части 2, верхнего усеченного конуса 3 и цилиндрического буртика 4 диаметром D_n. При этом высота усеченного конуса 3 составляет (0,3...0,4)D_n, высота буртика 4 - (0,015...0,15)D_n, диаметр цилиндра 2 составляет (0,6...0,7)D_n, а угол при вершинах обоих конусов 1 и 3 составляет 27^o...33^o. Для установления эффективности и устойчивости работы поплавка было изготовлено более 30 поплавков различной длины, конфигурации, конусов в пределах 26^o...34^o. Эксперименты проводились с материалами: 12Х18Н9Т, сплав Д1Т, ЭБОНИТ. Данные по размерам и материалам представлены в таблице 1.

Для градуировки использовался корпус ротаметра РМ-1,63 ГУЗ. Замеры велись на 3-х точках Q₁₀₀, Q₅₀, Q₀, где Q - расход среды. Были произведены замеры на более чем 110 точках. В результате экспериментов была подтверждена эффективность вхождения в поток газа поплавка с конусом 27^o...33^o и были определены размеры, указанные выше. Для предлагаемой конструкции поплавка (фиг. 2) основные характеристики сведены в таблицу 2.

В таблице 3 приведены основные характеристики поплавка (фиг. 2), приведенные к нормальным условиям.

Поплавок при этих испытаниях был устойчив во всех точках диапазона измерения. Следовательно, данная конструкция поплавка позволила расширить диапазон измерения воздуха с 0,63 м³/час до 1 м³/час при уменьшении погрешности.

Литература
1. П.П.Кремлевский Расходомеры, изд. 2, М., 1963, с. 378, 396.

2. П.П.Кремлевский Расходомеры, изд. 2, М., 1963, с. 390, фиг. 208.

3. Патент СССР, кл. G 01 F 1/00, N 65319, публ. 30.09.78.

4. А.А.Балдин и др. Ротаметры. Л., 1983, с. 22, табл. 3.

5. Р.М.Каратаев, М.А.Копырин Расходомеры постоянного перепада давления. М.: Машиностроение, 1980, с. 16 - 27.

6. Маки Х, Мори Я. Экспериментальное исследование характеристик расхода поплавковых диафрагменных расходомеров в зоне турбулентности, перевод A-30293, М., 1977, ВЦП.

7. А.А.Балдин и др. Ротаметры. Л.: Машиностроение, 1983, с. 50.

Изобретение используется в ротаметрах, предназначенных для измерения расхода газа (например, воздуха). Поплавок в виде тела вращения состоит из нижней конической части, средней цилиндрической части и верхнего усеченного конуса, переходящего в цилиндрический буртик. Верхний торец цилиндрической части соединен с меньшим основанием усеченного конуса, а нижний торец цилиндрической поверхности является основанием нижнего конуса, вершина которого совпадает с вершиной усеченного конуса. Выбор размеров поплавка - диаметра цилиндрической части, высот усеченного конуса и буртика, угла при вершине конусов - обеспечивает расширение диапазона и увеличение точности измерения. Наличие одинаковых углов при вершинах конических поверхностей упрощает технологию обработки поплавка. 2 ил., 3 табл.

Поплавок для ротаметра, представляющий собой тело вращения, состоящее из нижней конической части, средней цилиндрической части и верхнего усеченного конуса, переходящего в цилиндрический буртик, при этом верхний торец цилиндрической части соединен с меньшим основанием усеченного конуса, а нижний торец цилиндрической части является основанием нижнего конуса, отличающийся тем, что диаметр средней цилиндрической части составляет (0,6 - 0,7) Дп, высота усеченного конуса составляет (0,3 - 0,4) Дп, высота буртика составляет (0,015 - 0,15) Дп, где Дп - диаметр буртика, а вершина конуса, частью которого является усеченный конус, совпадает с вершиной нижнего конуса и угол при вершине обеих конических поверхностей поплавка составляет 27 - 33^o.