вихрові витратоміри

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 потоку.

Перші вихрові витратоміри рідини з'явилися в шістдесятих роках в США, Японії і СРСР. Перші розробки вихрових витратомірів газу і пари вУкаіни відносяться до 90-х років минулого століття.

До переваг 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 вимірювальної схеми;

Можливість отримань універсальної градуювання.

Недоліки вихрових витратомірів

• Неможливо 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 джерелами: насосами, компресорами, вібруючими трубами і т. Д.).

Усунути перешкоди можна:

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

Сфери застосування вихрових витратомірів:

• Хімічна;
• Нафту і газ;
• Водопостачання та водовідведення.
• нафтохімічна;
• Харчові продукти та напої:
  • Рафінадні заводи;
  • Пивоварні заводи;
  • Молочні заводи;
  • Виробництво безалгокольних напоїв.
• електростанції:
  • повітря;
  • Поглинання тепла;
  • обігрів;
  • Охолодження.

За типом перетворювача вихрові витратоміри можна розділити на три групи:

1. 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 вібрацію.
2. Витратоміри, в первинному перетворювачі яких потік закручується і, потрапляючи в розширену частину труби, приймаючи лійкоподібну форму (прецессирует) створює пульсації тиску.
3. Витратоміри, 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'ємній витраті.

Якщо при мінімальній витраті речовини швидкість в трубі буде достатньою для стійкого утворення вихорів, то витратомір з циліндричним обтічним тілом може мати діапазон вимірювання 20.

Найчастіше 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 перешкод.

У 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).

Вихрові 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 сигнал.

Дві 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 однакові.

Найчастіше в витратомірах застосовують завихрюватися гвинтовий пристрій, так як воно не вимагає перед собою прямих ділянок труби. Однак, втрата тиску в цьому завихрюватися пристрої вище.

Вихрові 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 осциллировать.

У 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.

Облік витрати рідини здійснюється за допомогою різних лічильників і витратомірів. Визначиться з вибором вам допоможе наш сайт.