Вихревые расходомеры, устройство и принцип действия вихревых расходомеров

В 1911 г. Теодор фон Карман опубликовал работу, посвященную математическому анализу перемежающегося двойного ряда вихрей, образующегося после тела обтекания в турбулентном потоке жидкости. Важными чертами этого явления являются стабильность и высокая периодичность вихрей. Сейчас эта структура именуетсядорожкой Кармана и является одним из наиболее известных и хорошо изученных явлений в гидродинамике.

Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит поочередно на противоположных ребрах тела обтекания. При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока:f = St *(v/d),где f частота образования вихрей Кармана; St число Струхаля; v скорость потока среды; d ширина тела обтекания. Число Струхаля эмпирическая величина, определенная геометрией расходомера и свойствами среды. Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей. Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога (рис. 1). Рис. 1. Режимы течения потокаИзвестная величина в гидродинамике число Рейнольдса позволяет привести все среды к одному безразмерному параметру, который характеризует турбулентность течения потока:Re=(r*n/m)/D,где n скорость среды; m ее вязкость; r плотность среды; D диаметр трубопровода.

При малом Re, порядка нескольких десятков, течение ламинарно, при Re больше нескольких тысяч устанавливается развитый турбулентный режим.

В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля St практически постоянно (рис. 2), благодаря чему получается, что коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится не зависящим ни от плотности, ни от вязкости измеряемой среды и одинаков для всех типов сред.

Рис. 2. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса При этом следует отметить, что в силу природы эффекта при числах Рейнольдса ниже 20000 вихревые расходомеры не гарантируют точность измерений, так как число Струхаля в этом диапазоне значительно варьируется, хотя некоторые расходомеры, такие как digital YEWFLO имеют специальный инструмент для индивидуальной калибровки в диапазоне 5000Re20000, чтобы измерять с хорошей точностью и здесь.

Также следует отметить, что в реальности число Струхаля не строго постоянно с изменением Re. Естественно, оно меняется в определенных границах, ширина которых зависит от геометрии тела обтекания. Соответственно, этой геометрией и определяется точность, которую можно достичь конкретным расходомером.

Рис. 3. Принципиальная схема вихревого расходомера Метран 335 Притом, что все вихревые расходомеры используют в своей основе одно и то же физическое явление, расходомеры разных производителей имеют отличающиеся как технические характеристики, так и надежность и требования по установке. В основе этих отличий лежат в первую очередь разные принципы детектирования вихрей. Наиболее популярные из них:манометрический (Метран 335, рис. 3; FOXBORO) итермальный (YOKOGAWA). Изменяющееся давление,приложенное к телу обтекания, измеряется встроенным датчиком давления. Датчики давления имеют непосредственный контакт с технологической средой, что увеличивает вероятность его выхода из строя.

Термальный преобразователь (рис. 4) имеет встроенный термодатчик. Давление, приложенного к телу обтекания, отводится через сквозной канал, проходящий от одной грани тела обтекания к другой. В результате генерируются колебания среды внутри этого канала. Термодатчик используется для измерений колебаний среды. Рис. 4. Устройство термального детектирования вихрейВ вариантах конструкции датчик расположен внутри тела обтекания для измерений изменения скорости благодаря образованию вихрей. Этот принцип измерений имеет два существенных недостатка: с одной стороны, канал может засоряться, с другой стороны полости внутри вихреобразователя не позволяют применить достаточно твердый материал и сами по себе ослабляют вихреобразователь.

Это может приводить к частым поломкам вихреобразователей при гидроударах, газовых или жидкостных пробках. Осциллирующий диск. Образование вихрей вызывает возникновение переменного давления, приложенного с той же частотой к телу обтекания. Давление передается через канал внутри завихрителя к чувствительному диску или диафрагме. Таким образом, диск осциллирует частотой изменения локального давления. Осцилляции диска измеряются магнитным датчиком положения, расположенным непосредственно вблизи диска. Недостатком данного метода является возможность закупоривания канала, а также возможность выхода из строя как диска, так и магнитного датчика.

Электромагнитный (ВЭПС). В электромагнитных вихревых расходомерах детектирование вихрей осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции: жидкость, движущаяся в постоянном магнитном поле, создает ЭДС, частота которой прямо пропорциональна частоте вихреобразования.

Недостатками данного метода является возможность измерения расхода только жидкостей, подверженность электродов загрязнению магнитными примесями, чувствительность к электромагнитным помехам. Вихреакустический. Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока. Частота образования вихрей пропорциональна объемному расходу (Метран 300 ПР). Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока (рис.

5). В корпусе проточной части расположены тело обтекания - призма трапецеидальной формы1, пьезоизлучатели ПИ2, пьезоприемники ПП3 и термодатчик 7. Электронный блок включает в себя генератор4, фазовый детектор5, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов6, собранные на двух печатных платах: приемника и цифровой обработки. Рис. 5. Устройство вихреакустического преобразователя расходаНа плате цифровой обработки расположены два светодиода - зеленый и красный, выполняющие функцию индикаторов состояния преобразователя. Зеленый светодиод сигнализирует о нормальной работе преобразователя, причем частота мигания соответствует частоте следования импульсов выходного сигнала преобразователя. Красный светодиод загорается при расходе меньшем 0,8 Qmin, либо хаотичном характере процесса вихреобразования, в частности, при попадании посторонних предметов на тело обтекания и т.

п. Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу. За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диаметрально противоположно друг другу стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП. В зависимости от типа преобразователь имеет два конструктивных исполнения : двухлучевой преобразователь - две пары ПИ-ПП (Ду 250; 300 мм). На ПИ от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания.

Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор. На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с ПП и опорного генератора - для однолучевого преобразователя, или разность фаз между ПП первой и второй пары - для двухлучевого преобразователя. На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода.

Фирма YOKOGAWA вот уже более 30 лет применяет в своих вихревых расходомерах метод изгибных напряжений (серия YEWFLO). Суть этого принципа заключается в том, что формирование вихрей на теле обтекания приводит к возникновению переменного давления, приложенного к телу обтекания, что приводит к возникновению переменной силы, которая приводит к возникновению малых изгибных напряжений в теле обтекания с той же самой частотой, что и частота образования вихрей. Эти изгибные напряжения регистрируются пьезодатчиками, расположенными в теле обтекания. Изгибающая сила, возникающая в момент срыва, регистрируется пьезодатчиками, расположенными внутри него (рис. 6). Рис. 6. Вихревой расходомер YOKOGAWA, детектирующий вихри методом изгибных напряженийвозможность применения ультрастойких материалов в качестве вихреобразователя.

.