Диафрагма и ротаметр

Два способа связать расход с перепадом

Диафрагма создаёт сужение постоянной площади, а расход определяется по возникающему перепаду давления. В ротаметре поплавок перемещается в расширяющейся трубке: изменяется площадь кольцевого прохода, пока гидродинамическая сила и выталкивание не уравновесят вес. Поэтому давление и положение поплавка относятся к разным измерительным моделям. Одинаковая среда и диапазон расхода не делают приборы взаимозаменяемыми.

Диафрагма: геометрия входит в формулу

Для установившегося однофазного несжимаемого потока расчёт объёмного расхода в рабочих условиях записывают Q=C A₀√(2Δp/ρ)/√(1−β⁴), где A₀=πd²/4, β=d/D, d — диаметр отверстия, D — внутренний диаметр трубы, C — коэффициент истечения. Формула без множителя 1/√(1−β⁴) теряет поправку на скорость в трубе. C не является универсальной постоянной: он связан с геометрией, отбором давления и числом Рейнольдса.

Для сжимаемых сред дополнительно учитывают коэффициент расширения и согласованные параметры состояния; объёмный расход в трубе отличается от расхода, приведённого к опорным условиям. Перепад между отборами также не равен необратимой потере давления после восстановления потока. Точки отбора, состояние входной кромки и нарушения профиля скорости являются частью измерительной конструкции.

Признак	Диафрагма	Ротаметр
Измеряемая реакция	Перепад давления при заданном сужении	Положение поплавка
Нужные параметры	Диаметры, C, плотность и свойства потока	Градуировка, плотность, вязкость и конструкция поплавка
Монтаж	Геометрия отборов и участков трубы	Ориентация и направление потока по модели
Изменение среды	Пересчёт и проверка области применимости	Новая характеристика либо подтверждённая поправка

Условный пример диафрагмы

Зададим D=0,100 м, d=0,050 м, C=0,61, ρ=1000 кг/м³ и Δp=10000 Па. Это условный расчёт, а не подбор C по стандарту. Получаем β=0,5, A₀=0,00196350 м² и поправку скорости 1/√(1−0,5⁴)=1,03280. Расход Q≈0,00553209 м³/с, или 19,9155 м³/ч; массовый расход ρQ≈5,53209 кг/с. При динамической вязкости 0,001 Па·с средняя скорость в трубе составляет примерно 0,704367 м/с, а Re_D≈70437.

ISO 5167-2:2022 относится к определённым диафрагмам с угловыми, фланцевыми либо D и D/2 отборами, полным заполнением круглой трубы, однофазным дозвуковым потоком без пульсаций. Публичная область стандарта исключает D меньше 50 или больше 1000 мм и Re_D ниже 5000. Попадание в эти общие границы ещё не доказывает соответствие: ограничения β, конкретного отбора, числа Рейнольдса, кромки, шероховатости и прямых участков проверяют совместно с ISO 5167-1.

Ротаметр: шкала относится к среде

Большинство обычных ротаметров требуют вертикального положения и потока снизу вверх. Специальные конструкции могут работать горизонтально или при нисходящем потоке; разрешение относится к определённой модели. Положение поплавка считывают по указанной изготовителем кромке или метке, поскольку форма поплавка влияет на отсчёт.

Условная плотностная оценка для одинакового положения поплавка, неизменного коэффициента сопротивления и пренебрежимо малого влияния вязкости: Q₂/Q₁=√[((ρп−ρ₂)/ρ₂)/((ρп−ρ₁)/ρ₁)]. Если ρп=8000 кг/м³, исходная жидкость имеет ρ₁=1000 кг/м³, новая — ρ₂=800 кг/м³, множитель равен 1,13389. Показанию 10 л/мин исходной шкалы соответствует оценка 11,3389 л/мин новой жидкости. Это иллюстрация силового баланса, не универсальная перекалибровка: вязкость и реальная характеристика могут изменить результат.

Для газовой шкалы существенны давление и температура градуировки, состав газа и условия приведения объёма. Замена среды, загрязнение или заедание поплавка требуют проверки характеристики. Исправить эти влияния одним масштабным коэффициентом без документации прибора нельзя. Для отчёта сохраняют маркировку шкалы и её среду градуировки вместе с рабочими параметрами. Результат в литрах за минуту должен явно означать либо объём при рабочих условиях, либо объём при заданных опорных условиях. У диафрагменного канала дополнительно проверяют, где выполнено извлечение квадратного корня: повторный пересчёт уже линеаризованного сигнала искажает расход. У ротаметра электрический выход также может иметь собственное масштабирование, которое согласуют с механической шкалой.

Первичные источники

ISO 5167-2:2022 — область применения стандартных диафрагм
Emerson, Flow Manual — уравнения диафрагменного расходомера и геометрические коэффициенты
KROHNE, Variable area flowmeters — силовой баланс, свойства среды и варианты установки
KROHNE H250 technical data — пересчёт сред и рабочих условий по процедуре изготовителя