Вихревой расходомер

Вихревая дорожка Кармана

Устройство вихревого расходомера.
1 — Участок трубопровода
2 — Фланцы
3 — Генератор вихрей
4 — Корпус расходомера
5 — Датчики вихрей

В вихревых расходомерах для создания вихревого движения на пути движущего потока жидкости, газа или пара устанавливается тело обтекания, обычно в виде трапеции в сечении. Образовавшаяся за ним система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Частота вихрей ${\displaystyle f}$ в первом приближении пропорциональна скорости потока ${\displaystyle v}$ и зависит от безразмерного критерия ${\displaystyle \mathrm {Sh} }$ (число Струхаля) и ширины тела обтекания ${\displaystyle d}$[2][3][4][5]:

${\displaystyle f=\mathrm {Sh} \cdot v/d.}$

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.

Первые вихревые расходомеры жидкости появились в 1960-х годах в США, Японии и СССР. Первые разработки вихревых расходомеров газа и пара в России относятся к 1990-м годам. Несмотря на довольно продолжительное время освоения этих приборов в измерительной технике, теория и практика вихревых расходомеров непрерывно развивается и совершенствуется. Идут поиски лучших схемных решений, более эффективных и технологичных конструкций первичных преобразователей расхода[4][5].

Типовая схема вихревого расходомера с пьезоэлектрическими датчиками давления в качестве преобразователей энергии потока в частоту электрического сигнала включает проточную часть расходомера, установленную с помощью фланцев в трубопроводе и содержит тело обтекания, за которым попарно установлены датчики давления. Пульсации давления, возникающие в потоке в результате вихреобразования, регистрируются датчиками, а частота процесса пропорциональна скорости потока. Парное размещение датчиков позволяет усилить полезный сигнал и минимизировать вибрационные и акустические помехи, так как сигнал одного из них инвертируется и суммируется с сигналом другого датчика в согласующем устройстве, а сигнал помехи вычитается на сумматоре. Расходомер также содержит нормирующий преобразователь, формирующий импульсный сигнал нормированный, например, к 1 л/с и вычислитель, размещенный в отдельном корпусе. Вычислитель обеспечивает оцифровку информационного сигнала, расчёт суммарного количества жидкости или газа, прошедших через напорную трубу за промежуток времени, индикацию мгновенного и суммарного расхода, самодиагностику прибора, хранение информации в энергонезависимой памяти и передачу её на компьютер верхнего уровня измерительной или управляющей системы[4].

Одними из важнейших элементов вихревых расходомеров являются преобразователи энергии потока в электрический сигнал, во многом определяющие эксплуатационные возможности и технический уровень приборов. В технической документации вихревых расходомеров как отечественных, так и ведущих зарубежных фирм содержится крайне скупая информации относительно принципа действия и устройства преобразователей вида энергии. Так, компания EMCO (США) сообщает лишь, что сенсором является полупроводниковая тензорезистивная матрица. В документации немецких фирм информация о принципе работы сенсора вообще отсутствует, хотя в одном из патентов компании Endress+Hauser описан вихревой расходомер с унифицированным ёмкостным датчиком в виде крыла, установленным за телом обтекания. Лишь Yokogawa Electric (Япония) подробно описывает виброкомпенсированный пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из набора пьезоэлементов в виде шайб, установленный в торце тела обтекания. Известны также индуктивные, анемометрические, оптоэлектронные и другие преобразователи энергии потока[1][2].

Следует отметить, что физические процессы, происходящие в трубопроводе за телом обтекания, весьма сложны. В потоке возникают пульсации давления, температуры, скорости звука и других физических параметров. Несмотря на бурное развитие численных методов описания сложных объектов, до сих пор нет удовлетворительных математических моделей гидродинамических процессов, происходящих в вихревых расходомерах. Пространственно-временное распределение физических характеристик в движущейся среде в зависимости от скорости, агрегатного состояния, вязкости среды, до конца не ясно. Тело обтекания при вихреобразовании испытывает сложное напряжённо-деформированное состояние, где присутствуют и колебания кручения, и изгиба, и другие. Всё это обеспечивает простор для творчества разработчиков и большой объём экспериментальных работ для поиска оптимальных решений[5].

Вихревой расходомер на производстве этилена

В настоящее время вихревые расходомеры с пьезоэлектрическими датчиками используются для измерения расхода жидкости, газа и пара на трубах диаметром от 15 до 500 мм с динамическим диапазоном 1:40 и выше и относительной погрешностью (1…1,5 %) при температурах контролируемой среды от -60 до 500 °C и давлениях до 30 МПа, обеспечивая на мировом рынке более 5 % средств учёта жидких и газообразных энергоносителей.