Вихрові витратоміри - студопедія

Вихровими називаються витратоміри, витрата яких залежить від частоти коливання тиску. Коливання тиску виникають в потоці в процесі вихреобразования або коливання струменя або після перешкоди певної форми, встановленого в трубопроводі, якого спеціального закручування потока.К достоїнств вихрових витратомірів слід віднести: Простоту і надійність перетворювача витрати; Відсутність рухомих частин; Великий діапазон вимірювань; Лінійний вимірювальний сигнал ; Досить високу точність вимірювання; Стабільність показань; Незалежність показань від тиску і температури; Порівняльна простоту вимірювач ой схеми;

Можливість отримань універсальної градуіровкі.Недостаткі вихрових расходомеровНевозможно використовувати при малих швидкостях потоку (важко вимірювати сигнали з маленькою частотою коливань); Значна втрата тиску (може досягти 30-50 кПа); Виготовляють для труб мають діаметр від 25 до 150-300 мм (застосування в трубах більшого діаметру важко, а в трубах меншого діаметра - вихреобразование нерегулярно); Роботу вихрових витратомірів можуть порушувати акустичні та вібраційні пульсації (такі перешкоди створюються різними істо чники: насосами, компресорами, вібруючими трубами і т. д.).

Усунути перешкоди можна: Встановивши електричні фільтри (якщо частоти шкідливих пульсацій і вимірювального сигналу різні); За допомогою струевипрямітеля (його встановлюють на виході перетворювача); Встановивши додатковий перетворювач, який підключають зустрічно першому.

Сфери застосування вихрових витратомірів: Хімічна; Нафта і газ; Водопостачання і водоотведеніе.Нефтехіміческая; Харчові продукти та напої: Електростанції: Повітря; Поглинання тепла; Обігрів; Охолодження.

За типом перетворювача вихрові витратоміри можна розділити на три групи: Витратоміри, первинним перетворювачем витрати яких є нерухоме тіло. У них, після обтікання нерухомого тіла, по обидва боки по черзі виникають зриваються вихори, які і створюють пульсацію.Расходомери, в первинному перетворювачі яких потік закручується і, потрапляючи в розширену частину труби, приймаючи лійкоподібну форму (прецессирует) створює пульсації давленія.Расходомери, в яких в якості первинного перетворювача виступає струмінь. Пульсації тиску в цьому випадку створюються автоколиваннями струменя, при витіканні її з отвору.

Строго кажучи, термін вихровий витратомір застосовується лише до приладів перших двох груп. Але так як у витратомірів третьої групи рух потоку визначається коливальним характером зміни параметрів, їх теж можна віднести до вихровим витратомірам. У першій і третій групах витратомірів характери протікання процесів будуть найбільш схожими.

Вихрові витратоміри з обтічним тілом

Малюнок 1 - Доріжка Кармана (схема утворення вихорів), де 1 трубопровід, 2 тіло обтікання, 3 вихори.

Потік, огинаючи тіло, змінює напрямок руху обтекающих струменів і збільшує їх швидкість, при цьому відповідно зменшується тиск. Далі за миделевого перетином тіла відбувається зменшення швидкості і збільшення тиску. Одночасно на передній стороні тіла утворюється підвищений тиск, а на задній стороні тіла - знижений тиск. Прикордонний шар, пройшовши миделевого перетин тіла, відривається від нього і під впливом зниженого тиску, яке утворюється за тілом, змінює напрямок руху, створюючи вихор. Це відбувається і в верхніх, і в нижніх частинах обтічного тіла. Освіта вихорів з обох сторін відбувається по черзі, так як вихор з одного боку перешкоджає утворенню вихору з іншого. При цьому за обтічним тілом утворюється вихрова доріжка Кармана (по імені фон Кармана, який описав це явище в 1912 році).

Робочі кромки тіла обтікання є самоочищаються за рахунок утворення вихорів, і залишаються чистими в умовах сильно забруднених середовищ. Забруднення датчика вихорів не веде до зміни метрологічних характеристик вихрового витратоміра, так як корисну інформацію несе частота, а не амплітуда сигналу.

Частота зриву вихорів пропорційна відношенню швидкості потоку до розмірів тіла обтікання. При постійному характерному розмірі тіла частота пропорційна швидкості, а значить і об'ємному расходу.Еслі при мінімальній витраті речовини швидкість в трубі буде достатньою для стійкого утворення вихорів, то витратомір з циліндричним обтічним тілом може мати діапазон вимірювання 20.Чаще всього в вихрових витратомірах застосовують призматичні тіла прямокутної, трикутної або трапецеїдальної (дельтоподібної) форм. У останніх підставу звернено назустріч потоку. Такі тіла, незважаючи на невелику втрату тиску, утворюють сильні і регулярні вихрові коливання. Крім того, вони зручні для перетворення частоти в вихідний сигнал.

У деяких вихрових витратомірів для збільшення вихідного сигналу застосовують два обтічних тіла, розташованих на певній відстані один від одного. У ряду приладів тіла обтікання - прямокутні призми. На бічних гранях другий призми по потоку встановлюються захищені плоскими гнучкими мембранами п'єзоелементи, що виключає вплив шумових помех.В таких витратомірах використовується кілька варіантів перетворення вихрових коливань потоку в вихідний сигнал. В основному використовуються періодичні коливання тиску або швидкості струменів з двох сторін обтічного тіла. Один або два напівпровідникових термоанемометра є чутливим елементом перетворювача. У вихрових витратомірах різних фірм застосовують такі типи перетворювачів витрати: індуктивний, ємнісний, струнний, інтегруючий, ультразвукової і т.д.

Малюнок 2 - Перетворювач вихрового витратоміра з п'єзоелементами (1,2-електроди; 3,4 п'єзоелементи; 5 обтічне тіло) На малюнку 2 показана схема перетворювача з тілом обтікання трикутної форми, яке вібрує в напрямку, перпендикулярному до потоку, під впливом пульсації тисків на його бічних сторонах. Згинальні напруги сприймаються п'єзоелементами. Електроди п'езодатчіков включають назустріч один одному, для того, щоб шкідливі вібрації тіла обтікання і трубопроводу в меншій мірі впливали на вихідний сигнал (різниці напруг). Такий перетворювач можна застосовувати в різних умовах вимірювання (при температурах до 400 ° С і тиску до 15 МПа) .Віхревие витратоміри з тілом обтікання трикутного, трапецієвидного і квадратного типів призначені для труб діаметром від 50 до 300 мм, похибка вимірювання складає ± 0,5 -2%.

Важливо пам'ятати: перед вихровим витратоміром з обтічним тілом потрібно мати прямий ділянку труби.

Використання вихрових витратомірів для труб великого діаметра (300-350 мм) утруднено: внаслідок збігу частоти вільних коливань тіла з частотою зриву вихорів, через низьку ефективність вихреобразования, при малих значеннях відносного діаметра обтічного тіла і неприйнятність великих його значень, через громіздкість і зменшення частоти вихреобразования.

Вихрові витратоміри з прецессией воронкооразного вихору

Перетворювачі цих витратомірів мають пристосування, що закручує потік, що направляється потім через короткі циліндричні насадки або ділянку труби в її розширену частину. У трубі обертовий потік приймає лійкоподібну форму, а його вісь, навколо якої обертається ядро ​​вихору, сама обертається навколо осі трубопроводу. При цьому тиск на зовнішній поверхні вихрового потоку пульсує синхронно з кутовий швидкістю обертання ядра вихору, пропорційної лінійної швидкості потоку або об'ємній витраті. Для перетворення частоти пульсацій тиску або швидкості в вимірювальний сигнал застосовуються п'єзоелементи або напівпровідникові термоанемометри. Перетворювач складається з двох ступенів - в 1-й відбувається перетворення об'ємної витрати потоку в частоту прецесії воронкоподібного вихору, а у 2-й - перетворення цієї частоти в вимірювальний сігнал.Две можливі принципові схеми першого ступеня перетворювачів таких витратомірів (представлені на малюнку 3 а- б), що відрізняються лише способом закручування потоку.

Рисунок 3 схеми першого ступеня вихрових перетворювачів (а - з гвинтовим завихрюватися пристроєм, б-з тангенціальним введенням в камеру) На малюнку 3, б рідина або газ по трубі 1 входить тангенциально (тобто по дотичній) в циліндричну камеру 4, де закручується і, через парубок 3, надходить в трубу або камеру більшого діаметра 2. Там потік прецессирует, що супроводжується пульсаціями швидкості і тиску. На малюнку 3, а потік речовини закручується спірально розташованих лопаток. В іншому схеми одінакови.Чаще всього в витратомірах застосовують завихрюватися гвинтовий пристрій, так як воно не вимагає перед собою прямих ділянок труби. Однак, втрата тиску в цьому завихрюватися пристрої више.Віхревие витратоміри з осциллирующей струменем. Перетворювач з осциллирующей струменем може бути двох видів (малюнки 4 і 5)

Малюнок 4 - Релаксаційний перетворювач вихрового витратоміра з осциллирующей струменем (1-сопло, 2 дифузор, 3 обводная трубка) Як показано на малюнку 4, потік рідини або газу проходить через сопло і потрапляє в дифузор прямокутного перетину. Внаслідок випадкових причин потік в кожен момент більшою мірою притискається до тієї чи іншої стінці дифузора (наприклад до верхнього) .і завдяки ежектірующее дії струменя в перетворювачі релаксационного типу тиск у верхній частині обвідний трубки стане менше тиску в нижній її частині і по трубці виникне рух , показане стрілкою, яке перекине струмінь до нижньої стінки дифузора. Далі напрямок руху в обвідний трубці зміниться, і струмінь буде осцілліровать.В перетворювачі зі зворотним гідравлічної зв'язком струмінь, притиснута до нижньої стінки дифузора, не вся видаляється через вихідний патрубок. Частина її відгалужується в верхній обвідний канал і, виходячи через сопло1, перекидає струмінь, що виходить з сопла2, в нижнє положення. Після цього відбудеться відгалуження частини струменя в верхній обвідний канал, струмінь буде перекинута вниз і настане процес її коливань, що супроводжується синхронними коливаннями тиску по обидва боки струменя. Останній перетворювач зі зворотним зв'язком краще. Він забезпечує більш строго процес осциляції і має майже лінійну залежність між витратою і частотою коливання.

Малюнок 5 Перетворювач вихрового витратоміра з коливається струменем зі зворотним гідравлічної зв'язком (1-дифузор 2 вихідний парубок, 3 сопло1, 4-сопло2, 5-верхній відвідний канал, 6-нижній обвідний канал)

Витратоміри з осциллирующей струменем зазвичай використовують в трубах меленьких діаметрів: від 12 до 100 мм. Іноді перетворювачі з осциллирующей струменем можуть застосовувати в якості парціальних перетворювачів.

Незважаючи на досить тривалий час освоєння цих приладів у вимірювальній техніці, теорія і практика вихрових витратомірів безперервно розвивається і вдосконалюється. Йдуть пошуки кращих схемних рішень, більш ефективних і технологічних конструкцій первинних перетворювачів витрати.