Вихревые расходомеры

 

Принцип действия прибора основан на определение частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы, установленным в проточной части преобразователя расхода. При введении в трубопровод перпендикулярно потоку неподвижного тела - поочередно, то с одной, то с другой стороны происходит срыв вихрей, которые образуют позади тела обтекания двойную цепочку постепенно рассеивающихся вихрей, создавая так называемую, "дорожку Кармана" (рис. 7) [3] .

Рис. 7. Вихревая дорожка Кармана

 

Частота вихрей f в первом приближении пропорциональна скорости потока (объёмному расходу) и зависит от безразмерного критерия S_h (число Струхаля – эмпирическая величина, определённая геометрией расходомера и свойствами среды) и ширины тела обтекания d и определяется при помощи чувствительных элементов (двух пьезодатчиков), которые фиксируют пульсации давления в зоне вихреобразования (3):

f=S_h·v/d, (3)

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. 8). Характер течения потока (ламинарный, переходной или турбулентный) зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса (4):

R_a=(r∙n/m)D, (4)

где n – скорость среды;

m – ее вязкость;

r – плотность среды;

D – диаметр трубопровода.

Ламинарный поток при малых значениях числа Рейнольдса (Re≤1000)

 

Переходной поток при 1000≤Re≤2300

 

Турбулентный поток при Re≥2300

 

Рис. 8. Режимы течения потока

 

В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля S_h практически постоянно (рис. 9), 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. 9. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса (Sh = 0.2175 – 5.1064/Re)

 

Конструктивно прибор представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры. На входе в проточную часть датчика установлено тело обтекания 1 (рис. 10). За телом обтекания, по направлению потока газа, симметрично расположены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2. Преобразователь избыточного давления 3 тензорезисторного принципа действия размещен перед телом обтекания вблизи его крепления. Термопреобразователь сопротивления платиновый 4 размещен внутри тела обтекания. Для обеспечения непостредственного контакта измеряемой среды и ТСП в теле обтекания выполнены отверстия 5. Плата цифровой обработки 6 производит обработку сигналов и передает на вычислитель 7.

Рис. 10. Схема вихревого расходомера

 

В диапазоне чисел Рейнольдса от 2х10⁴ до 7х10⁶ коэффициент пропорциональности между частотой образования вихрей и скоростью потока практически не зависит от числа Рейнольдса. Это позволяет вихревым расходомерам с хорошей точностью измерять скорость потока независимо от типа среды.

Достоинством вихревых расходомеров является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода, достаточно низкая нелинейность (<1,0 %) в широком диапазоне измерений (>1:10…1:40), частотный выходной сигнал, а также инвариантность метода относительно электрических свойств и агрегатного состояния движущейся среды.

Недостатки: чувствительность к влиянию внешних помех (вибрации), ненулевая шкала [1].