2.2. 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].

Вихревой расходомер DY

Фирма Yokogawa 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. 11) [10, 11] .

Рис. 11. Вихревой расходомер Yokogawa, детектирующий вихри методом изгибных напряжений

Достоинствами такого метода измерений являются: усреднение потока по сечению трубопровода, исключение контакта датчиков с процессом и т.д.

Преобразователь DY представляет собой вихревой расходомер, использующий вихреобразователь digitalYEWFLO (рис. 12). Расходомер монтируется на трубопровод с соблюдением прямолинейных участков до и после расходомера.

Характеристики измерения расхода:

- Номинальный диапазон расхода - 0 ÷ 6 т/час;

- Точность - ±0,75 %;

- Повторяемость - ± 0,2 %.

Рис. 12. Внешний вид вихревого расходомера DY

Источник питания:

- 16,4 ÷ 30 В постоянного тока.

Маркировка датчика имеет следующую расшифровку:

- DY015 - вихревой расходомер интегрального типа, размер 15 мм;

- Е - выходной сигнал 4 ÷ 20 мА с HART протоколом;

- В - материал корпуса CF8M;

- L - материал вихреобразователя DCS1;

- BD1 - подсоединение к процессу фланцевое DIN PN10;

- 4 - кабельный ввод М20х1,5;

- D – дисплей;

- QR - свидетельство о первичной поверке.