Расходомеры переменного уровня основаны на измерении высоты уровня жидкости в сосуде при свободном вытекании ее через отверстие в дне или боковой стенке сосуда.
Эти приборы в химической промышленности применяются для измерения расхода особо активных жидкостей. Они могут также применяться для измерения расхода в пульсирующих потоках и жидкостей, смешанных с газом.
Во всех случаях расход жидкости расходомерами переменного уровня измеряется при атмосферном давлении, что в значительной степени ограничивает их применение.
Расходомер переменного уровня включает в себя приемную емкость (сосуд) с отверстием истечения той или иной формы и измеритель уровня жидкости.
В качестве измерителей уровня могут применяться любые стандартные приборы. Приемными емкостями служат цилиндрические или прямоугольные сосуды с круглым (диафрагма) или щелевым отверстием истечения.
Рисунок 1 - Схема расходомера переменного уровня с нормальной диафрагмой:
1 – уровнемерное стекло; 2 – патрубок; 3 – сетчатые перегородки; 4 – сосуд; 5 – нормальная диафрагма
Диафрагма может быть расположена как в дне сосуда, так и в боковой стенке, причем уровень жидкости в сосуде должен быть выше отверстия истечения. Щелевые отверстия располагаются только в боковой стенке приемного сосуда; в этом случае уровень жидкости в сосуде должен быть не выше верхнего края щелевого отверстия.
Расходомеры с круглым отверстием истечения. На рис. 1 показана схема расходомера переменного уровня с нормальной диафрагмой, установленной в дне цилиндрического сосуда.
Расходомер состоит из цилиндрического сосуда с подводящим жидкость патрубком 2. Внутри сосуда установлены сетчатые перегородки 3, которые выполняют роль фильтра, предотвращающего засорение диафрагмы, а также роль успокоителя потока жидкости.
В дне сосуда 4 установлена нормальная диафрагма 5, через которую жидкость может свободно вытекать в отводящий трубопровод.
По уровнемерному стеклу 1 определяют уровень жидкости в сосуде (могут быть применены и другие уровнемерные устройства). Заменяя диафрагму можно менять пределы измерения (в широком диапазоне).
Величина расхода при свободном истечении определяется по формуле
;
В данном случае
,
следовательно, уравнение расхода примет вид
, (1)
где a – коэффициент расхода диафрагмы;
– сечение отверстия диафрагмы в 
;
H – высота столба жидкости над отверстием диафрагмы в м.
Из уравнения (1) следует, что объемный расход жидкости определяется высотой уровня жидкости Н, а изменение плотности жидкости не влияет на показания прибора.
Расходомеры переменного уровня применяются для измерения небольших расходов. При больших расходах велика высота приемных емкостей (сосудов), которая обычно не должна превышать 1000-1500 мм. Это обстоятельство приводит к небольшим скоростям истечения.
Диаметр отверстия истечения у расходомеров переменного уровня обычно небольшой, поэтому влияние неостроты входной кромки диафрагмы здесь весьма существенно.
Если диафрагма устанавливается в боковой стенке сосуда, то в формулу (1) следует подставлять высоту уровня Н, считая от центра отверстия диафрагмы.
Расходомеры со щелевым отверстием истечения. В сосуде со щелевым отверстием истечения расход определяется по высоте уровня жидкости над нижней кромкой отверстия.
На рис. 2 показана принципиальная схема расходомера (типа РМ) со щелевым отверстием истечения.
Рисунок 2 - Схема расходомера с щелевым отверстием истечения:
1 – пьезометрическая трубка; 2 – корпус; 3 – дифманометр; 4 – контрольный стаканчик; 5 – манометр; 6 – редуктор; 7 – фильтр
Датчик расходомера представляет собой прямоугольный корпус 2 с двумя штуцерами: боковым – для ввода измеряемой жидкости и нижним – для слива жидкости в открытый приемник. Внутри корпус датчика разделен глухой перегородкой, к которой герметично прикреплен щит с профилированной щелью.
В зависимости от измеряемой жидкости корпус датчика изготавливается из различных материалов: стали Х18Н9Т, футерованной свинцом стали, из фаолита и т.д.
Уровень жидкости измеряется пьезометрическим методом.
В сосуд перед сливной щелью в защитном чехле погружена пьезометрическая трубка 1, через которую непрерывно продувается воздух. Количество продуваемого воздуха контролируется с помощью контрольного стаканчика 4, а давление воздуха поддерживается постоянным с помощью редуктора 6.
Для очистки воздуха служит фильтр 7. Аппаратура регулирования и дозирования сжатого воздуха монтируется на специальной панели, называемой блоком питания воздуха (типа БПВщ).
Давление в пьезометрической трубке однозначно связано с плотностью и высотой столба жидкости перед щелью, следовательно, и с массовым расходом жидкости. Величина гидростатического напора в пьезометрической трубке измеряется вторичным прибором – дифманометром 3.
Характерной особенностью расходомера, показанного на рис. 6, является равномерная шкала вторичного прибора.
Выведем зависимость между Q и H для отверстия произвольной формы (рис.3).
Рисунок 3 - Отверстие истечения типа водослива
Для элементарной площадки ds, имеющей ширину х и высоту dy, можно применить основное уравнение расхода, взятое в дифференциальной форме. Будем иметь
. (2)
Интегрируя уравнение (2) в пределах от 0 до Н, получим полную величину расхода:
. (3)
Для решения (3) необходимо знать зависимость между х и у.
Для получения равномерной шкалы прибора между Q и H должна быть линейная зависимость, т.е.
, (4)
где 
- коэффициент пропорциональности, определяемый из условия
.
Подставляя значение Q из уравнения (4) в уравнение (3), получим
. (5)
Это уравнение и определяет искомую зависимость профиля отверстия x = f (y).
Величина х должна убывать с ростом у, поэтому уравнение (5) удовлетворяется гиперболической зависимостью между х и у вида
,
где С – некоторая постоянная величина.
Если коэффициент расхода a постоянный, то уравнение (5) можно переписать в следующем виде:
.
Таким образом, гиперболическая зависимость вида
(6)
действительно удовлетворять уравнению (5) и обеспечивает равномерную шкалу.
Значение постоянной определяется выражением
.
Форма отверстия истечения, построенная по уравнению (6), показана на рис. 1.
Как следует из уравнения (6), при у 
0 ширина отверстия х ?. Следовательно, нельзя получить равномерную шкалу на всем диапазоне высоты от 0 до 
. Поэтому практически начальная часть отверстия истечения выполняется прямоугольной формы с шириной 
(рис.4). Этот начальный участок с неравномерной шкалой составляет небольшую величину, порядка 5-10 % 
.
Рисунок 4 - Форма отверстия истечения, обеспечивающая пропорциональность между расходом и высотой уровня жидкости в приемном сосуде: а – симметричного отверстия; б – несимметричного отверстия
Коэффициент расхода щелевого расходомера зависит от геометрической формы щели и, особенно от остроты входной кромки щелевого отверстия. При ориентировочных расчетах коэффициент расхода a принимается равным 0,6. Точное значение коэффициента расхода определяется индивидуальной градуировкой прибора.
В щелевых расходомерах измерителями давления обычно служат дифманометры с вялой мембраной и дифманометры типа ДМПК с соответствующими вторичными приборами. Длина пневматических линий до дифманометра не должна превышать 35 м; длина соединительных проводов между дифманометром и вторичным прибором не должна превышать 500 м.
