 |
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 Sh (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=Sh·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):
Ra=(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 Sh 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].
|
|
|
