Вихревые и массовые расходомеры. Устройство, принцип действия, типы и виды вихревых и массовых расходомеров.

В вихревых расходомерах значение расхода определяется по частоте вихрей Кармана, возникающих как при введении в поток тела обтекания, так и при специальном закручивании потока. К достоинствам этого метода можно отнести:

•             возможность измерения расхода жидких и газовых сред;

•             отсутствие движущихся элементов в потоке и простота устройства;

•             широкий динамический диапазон, достигающий 25;

•             широкий диапазон давлений и температур измеряемых сред;

•             высокая точность.

К недостаткам этого метода относятся:

•             ограничения по диаметру трубопровода D = (20... 150) мм;

•             ограничения по вязкости, которая не должна превышать 5*10^-5 м²/с;

•             для обеспечения устойчивого вихреобразования скорость потока должна быть не менее 0,2 м/с;

•             наличие потери давления, достигающей 30 кПа;

•             воздействие на преобразователь акустических и вибрационных помех, создаваемых насосами, компрессорами, местными сопротивлениями. Для снижения влияния последних необходимо обеспечить определенную длину линейных участков до и после вихревого преобразователя.

Наибольшее распространение получили вихревые расходомеры с телом обтекания, которое находится на пути потока и изменяет направление движения омывающих его струй. Характер движения потока при обтекании цилиндра и образование вихрей представлены на рис. 1.

Рис. 1. Схема образования вихрей Кармана

При обтекании цилиндра скорость потока возрастает, кинетическая энергия растет, а потенциальная падает. После миделева сечения, где площадь минимальная, поток расширяется, скорость его снижается и давление растет. Под влиянием возрастающего давления пограничный слой начинает отклоняться в область мертвой зоны, создавая встречный потоку свертывающийся вихрь. Развитие вихря с одной стороны препятствует образованию вихря с другой, поэтому создаются две вихревые дорожки с шахматным расположением вихрей в них.

Процесс вихреобразования характеризует число Струхаля Sh = =fd/u, где f— частота образования вихрей; u — скорость потока; d— характерный размер тела обтекания, для цилиндра это диаметр. При постоянстве Sh частота образования вихрей меняется пропорционально изменению скорости потока. Таким образом, для получения линейной зависимости между f и u необходимо, чтобы число Струхаля оставалось постоянным в широком диапазоне чисел Re.

На процесс вихреобразования влияет вибрация трубопровода, создаваемая насосами, компрессорами, акустические колебания, возникающие из-за местных сопротивлений и внешних шумов. Наиболее распространенной формой тела обтекания, создающей устойчивые вихри, является призма с треугольным или трапецеидальным сечением, обращенная основанием навстречу потока. Рекомендуется, чтобы длина основания l составляла l/3D, а высота по направлению потока 1,3l. Для таких тел при острых ребрах число Sh остается постоянным в области чисел Re 10⁴... 4*10⁶ при нелинейности градуировки не превышающей ±0,5 %.

Для измерения частоты возникающих вихрей могут использоваться электромагнитные, акустические, силовые преобразователи и термоанемометры. Так, в вихревом микропроцессорном расходомере ВЭПС ф. «Саяны» телом обтекания служит призма, которая является одним электродом электромагнитного преобразователя. Второй электрод расположен за телом обтекания. Магнитное поле создается внешним постоянным магнитом. Динамический диапазон прибора составляет 25 при пределе относительной погрешности ±1 %. Прибор изготавливается для трубопроводов диаметром 20...300 мм. На эти приборы распространяются все ограничения, которые относятся к электромагнитным расходомерам.

В вихреакустических микропроцессорных преобразователях расхода «Метран-ЗООПР» частота образования вихрей измеряется ультразвуковым преобразователем, основанным на доплеровском эффекте. Телом обтекания служит призма, в проточную часть преобразователя помимо нее введены два пьезоизлучателя, два пьезоприемника и термопреобразователь. Электронный блок включает генератор, фазовый детектор, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов.

Пьезоизлучатели и пьезоприемники находятся в двух парах стаканчиков, введенных в одном сечении диаметрально противоположно друг другу в корпус проточной части за телом обтекания. На пьезоизлучатели подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Наличие вихрей на пути луча вызывает модуляцию ультразвуковых колебаний но фазе, которые измеряются фазовым детектором. Использование двухлучевых преобразователей снижает влияние таких отрицательных факторов как вибрация трубопровода, пульсация давления. Наличие термопреобразователя и введение его сигнала в микропроцессор обеспечивает расширение динамического диапазона прибора, который достигает 100 при пределе основной погрешности ±1 %.

В вихревых расходомерах типа 8800А фирмы Rosemount в качестве чувствительного элемента, воспринимающего колебания давления, создаваемые вихрями Кармана, служит гибкая пластинка, находящаяся за телом обтекания. Колебания пластинки с помощью коромысла воздействуют на тензопреобразователь, находящийся вне потока. Схема преобразователя и структурная схема электронного блока, преобразующего сигнал тензопреобразователя в токовый и импульсный выходные сигналы, в том числе в соответствии с HART-протоколом, показания расхода на цифровом дисплее, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема вихресилового расходомера:

а — схема фрагмента сенсора; б — структурная схема электронного блока

Эти преобразователи устанавливаются в трубопроводах диаметром 15...200 мм. Предел относительной погрешности для жидкостей при Re > 20000 составляет ± 0,65 %, для газов и пара при Re > 15 000 ± 1,35 %.

Массовые расходомеры являются разновидностью силовых расходомеров, у которых выходной сигнал или показания пропорциональны массе протекающего вещества. В массовых расходомерах используются кориолисовы силы, поэтому их часто называют кориолисовыми расходомерами. Эти расходомеры в основном применяются для измерения небольших массовых расходов В трубопроводах диаметром 5... 150 мм. Предел основной погрешности в различных моделях этих расходомеров составляет ±(0,1...0,5) % при динамическом диапазоне от 20 до 80.

Рис. 3. Силы, действующие в кориолисовом расходомере:

1 - торсионная трубка; 2 - трубка с эластичным соединением  3; 4 - ведущая трубка

Кориолисово ускорение и связанная с ним сила возникают при наличии радиального переносного движения среды во вращающемся или вибрирующем трубопроводе.

 В массовых расходомерах фирмы Micro Motion используются первичные преобразователи с изогнутой трубкой и прямоточные. В этих преобразователях измеряемая среда движется внутри вибрирующей мерной трубки специальной формы. Под действием кориолисовой силы части мерной трубы изгибаются друг относительно друга, что приводит к рассогласованию фаз колебаний ее разных участков, которые воспринимаются электромагнитным преобразователем. Массовые расходомеры для жидкостей и газов типов CFS10, CFS20 (с изогнутой трубкой) и CFT (с прямой трубкой) выпускает фирма Foxboro, аналогичные модели массовых расходомеров производит фирмы PROline Promass и др.