6.4. Вихревые расходомеры
Принцип действия современных вихревых расходомеров основан на измерении частоты следования вихрей так называемой дорожки Кармана, образующейся при огибании потоком тела обтекания, неподвижно расположенного поперек контролируемого потока среды в его центре. В качестве тела обтекания обычно используется цилиндр или призма трапециевидного или треугольного сечения. Образование вихрей за телом обтекания вызвано, с одной стороны, резким изменением кривизны его поверхности, приводящим к изменению давления в среде, а с другой стороны - разностью скоростей соседних слоев среды вблизи этой поверхности. В результате тормозящего и ускоряющего действий этих слоев возникают сдвиговые напряжения или вращающие моменты сил, которые формируют вокруг некоторых мгновенных осей самосвертывающиеся вихри и обеспечивают их срыв с острых кормовых кромок тела обтекания. В 1911 году американский аэродинамик Карман определил условия устойчивого симметричного вихреобразования, при котором вихри разного направления (по и против часовой стрелки) поочередно сбегают справа и слева с поверхности тела обтекания и следуют по потоку в шахмат ном порядке в виде вихревой дорожки. Схема работы вихревого расходомера приведена на Рисунке 9.
Рисунок
9 – Схема работы вихревого расходомера
Каждый вихрь представляет собой локальный элемент среды, в котором потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую, что приводит к снижению статического давления. Это местное снижение давление может быть зафиксировано чувствительным элементом (сенсором). При этом сенсор преобразует перепады (пульсации) давления в электрические им пульсы, частота которых при Re>3800 (то есть при установившемся турбулентном потоке) пропорционально зависит от скорости среды. Зная сечение трубы по средней скорости можно определить объемный расход среды. На практике обычно используют уравнение Gv = f/К, где К – градуировочный или калибровочный коэффициент (количество импульсов на единицу объема среды), определяемый только параметрами обтекаемого тела и трубопровода и не зависящий от плотности, вязкости, температуры и давления среды. Поэтому каждый расходомер калибруется изготовителем индивидуально для обеспечения высокой точности и повторяемости измерений. В качестве сенсоров обычно применяют пьезоэлементы, механические элементы (мембраны), встроенные тензорезисторы или ультразвуковые преобразователи скорости (излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, обнаруживающие вихревые колебания потока).
К достоинствам вихревых расходомеров можно отнести:
относительно небольших прямолинейных участков (обычно 5Dy до и 3Dy после места установки);
отсутствие в потоке подвижных изнашивающихся частей;
независимость показаний от плотности, вязкости, температуры и давления среды;
широкий динамический диапазон (30:1);
линейность шкалы;
высокая точность;
высокое быстродействие;
простота установки.
К недостаткам отнесем:
вносимое гидравлическое сопротивление;
чувствительность к механическим включениям;
чувствительность к акустическим и вибрационным помехам.
Среди предприятий, выпускающих вихревые расходомеры для жидкости следует выделить челябинский концерн «Метран» («Метран 300-ПР») и завод «Старорусприбор» (ДРВ, РСВ). В г.Тюмени «Сибнефтеавтоматика» выпускает вихревые датчики расхода газа (ДРГ) и расхода пара (ДРП). Следует отметить, что ДРП рассчитаны на измерение расхода пара, температура которого не превышает 250°С, так как пьзоэлектрические элементы, применяемые в при боре в качестве сенсора, перестают работать при температуре, превышающей точку Кюри.