№10: контрольно-измерительные приборы (стр. 4 из 10)

Вихревые расходомеры.При определенных условиях движения потока среды, часть кинетической энергии потока может преобразовываться в пульсации (завихрения). Частота следования этих пульсаций пропорциональна скорости потока.

Общие характеристики для большей части вихревых расходомеров:

1. Стандартный выходной частотный сигнал.

2. Широкий динамический диапазон (от 1:10 до 1:40).

3. Достаточно высокая точность измерений.

4. Независимость точности измерения расхода от изменений температуры, давления и плотности измеряемой среды.

5. Высокая повторяемость и стабильность показаний.

6. Простота конструкции, легкость в монтаже, низкая стоимость обслуживания.

7. Универсальность принципа – измерение жидкостей, газа и пара.

Существует несколько основных типов вихревых расходомеров, отличающихся по способу образования вихрей. Наиболее распространенный тип, у которого поперек потока измеряемой среды установлено плохообтекаемое тело (тело обтекания, вихревое тело, вихреобразователь), за которым поочередно с разных сторон образуются вихри.

Принцип действия. При обтекания потоком неподвижного препятствия (тела обтекания) образуются вихри. Образование вихрей и их отрыв от тела обтекания происходит поочередно с разных его сторон.

Рис. 10.10. Принцип работы вихревых расходомеров

Развитие вихря с одной стороны препятствует его образованию с противоположной стороны. За телом обтекания образуется двойная дорожка из вихрей, называемая «дорожкой Кармана».

Частота вихреобразования (частота отрыва вихрей) пропорциональна скорости потока, а значит и расходу. Зависимость между частотой вихреобразования и скоростью (расходом) определяется критерием Струхаля:

St = f*d/W,

где f – частота вихреобразования,
d – характерный размер тела обтекания,
W – средняя скорость потока.
Частота вихреобразования определеяется формулой:

f = St*W/d.

Для характеристики вихревых расходомеров вместо числа Струхаля используется К-фактор. Производители под К-фактором подразумевают либо:

- число вихрей, приходящихся на единицу объема среды:

Кф = n/V

- объем среды, приходящийся на один вихрь:

Кф = V/n,

где n – число вихрей за время t;

V – объем среды за время t.

Основное уравнение вихревого расходомера:

f = Kф*W/d.

К-фактор условно постоянен в определенном диапазоне чисел Re и не зависит от плотности, вязкости, скорости потока и др. свойств среды. Диапазон чисел Рейнольдса, при которых К-фактор постоянен называется рабочей областью (областью измерений) вихревых расходомеров.

Рис.10.11. К-фактор

Конструкция вихревых расходомеров. В общем виде, вихревой расходомер состоит из двух частей: первичного преобразователя и вторичного преобразователя (электронного блока или конвертера).

Рис.10.12. Общие элементы конструкции вихревых расходомеров

Первичный преобразователь включает в себя вихреобразователь (тело обтекания) и устройство детектирования вихрей (сенсор). Электронный блок состоит из фильтра, усилителя, АЦП и схемы выходных сигналов. С развитием микропроцессорной электроники появились интеллектуальные вихревые расходомеры, в которых сигнал с АЦП проходит обработку. Помимо улучшения точности измерения и сведения к минимуму влияний факторов температуры, давления, нелинейности К-фактора, неравномерности потока и др., появилась возможность использования цифровой коммуникации и добавления дополнительной функциональности (например, функции вычислителя-счетчика) в расходомере.

Вихреобразователь или вихревое тело – это один из главных компонентов первичного преобразователя, во многом определяющий метрологические характеристики расходомера (линейность и повторяемость, пределы измерения) и потери давления. В целом, при выборе оптимального вихреобразователя, производители расходомеров руководствуются следующими требованиями:

1. вихри не должны пересекатья для их однозначного детектирования;

2. генерация вихрей должна быть стабильна (постоянство числа Струхале) в широком диапазоне чисел Рейнольдса;

3. вихри должны быть достаточно сильными для детектирования, должно быть высокое соотношение сигнал-шум;

4. форма и структура тела обтекания должна быть достаточно простой и технологичной;

5. геометрия и материал исполнения тела обтекания должны исключать влияние коррозии и температуры на метрологические характеристики прибора;

6. спектр частот вихрей как жидкостей так и газов не должен перекрываться со спектром естественных и промышленных частот (вибрация трубопровода, частота самовозбуждения сенсора и др.).

Существует достаточно большое число разновидностей вихреобразователей, которые можно разделить на две группы: состоящие из одной части и состоящие из двух и более частей.

Наиболее распространенными являются вихревые тела, состоящие из одной части, такие, как цилиндрическое, прямоугольное, треугольное и трапециевидное тела.

Рис.10.13. Простые тела обтекания

Некоторые производители используют более сложные многосоставные тела обтекания.

Рис.10.14. Сложные составные тела обтекания

Методы детектирования вихрей, получивших наибольшее распространение:

1. Детектирование пульсации вихрей (вихревые расходомеры пульсаций давления и вихревые расходомеры изгибных напряжений).

2. Детектирование вихрей с помощью изменения электрической емкости чувствительного элемента (вихревые емкостные расходомеры).

3. Детектирование вихрей с помощью ультразвуковых волн (вихреакустические расходомеры).

4. Терморезистивный и термоанемометрический метод детектирования (термальные вихревые расходомеры).

5. Электромагнитное детектирование вихрей (вихревые электромагнитные расходомеры).

Вихревые расходомеры изгибных напряжений. Для детектирования вихрей за телом обтекания (или внутри него) устанавливается подвижное тело (крыло или трубка), на которое поочередно с разных сторон воздействуют вихри потока. Под действием давления вихрей выступающее тело изгибается и передает воздействие на чувствительный элемент. В качестве чувствительного элемента преимущественно используются пьезокерамические элементы, преобразующие механическое воздействие в электрический сигнал, который в дальнейшем усиливается и фильтруется.

Сенсоры на основе пьезоэлементов отличаются быстродействием, хорошим уровнем сигнала, высокой технологичностью, низкой стоимостью изготовления, отсутствием контакта с измеряемой средой и высокой повторяемостью.
Вихревые расходомеры изгибных напряжений отличаются широким температурным диапазоном, универсальностью, высокой стабильностью и надежностью, что сделало их наиболее распространненым типом вихревых расходомеров.

Тем не менее, такие приборы весьма чувствительны к вибрациям трубопровода, что является их главным недостатком последние несколько лет. Несмотря на разработки некоторых производителей в направлении улучшения структуры сенсора и последующей интеллектуальной обработки сигнала, в условиях сильной вибрации расходомер может не работать.

Емкостные вихревые расходомеры.Пульсации давления вихрей воздействуют на емкостные ячейки сенсора, деформируя их поверхность, и, соответственно, изменяя емкость ячеек. Дифференциальная схема обработки сигнала позволяет существенно снизить влияние внешних источников вибрации за счет взаимоподавления шумов, приходящих с разных емкостей. Несмотря на невозможность изготовления абсолютно идентичных конденсационных ячеек, способных полностью исключить влияние вибрации, виброустойчивать вихревых расходомеров с емкостным способом съема сигнала достаточно высокая (порядка 1g).

Другим преимуществом таких расходомеров является возможность работы на высоких температурах до 400ºС. С ростом температуры изменяются диэлектрическая проницаемость и геометрия электродов, а также растут токи утечки за счет температурной эмиссии электронов. Однако эксперименты показывают, что описанные эффекты практически не влияют на работу приборов.

Вихреакустические расходомеры

Принцип действия вихреакустических расходомеров показан на рис.10.15.

Рис.10.15. Принцип действия вихреакустического расходомера

Для детектирования вихрей используются пары излучатель-приемник (одна или две), установленные в стенки корпуса прибора. При этом излучатели постоянно излучают высокочастотные акустические сигналы, пересекающиеся в центре проточной части.

Каждый из чередующихся вихрей отличается направлением вращения от предыдущего. При пересечении с вихрем, происходит модуляция ультразвуковой волны по фазе, которая фиксируется приемниками сигнала, преобразовывается в электрический сигнал и обрабатывается.

Приборы отличаются высокой чувствительностью, что позволяет их использовать для измерений на низких расходах. При этом зависимость точности измерений от температуры среды (особенно для газов) и влияние механических и газовых включений на процесс измерений, ограничили область использования вихреакустических расходомеров, сузив ее до чистых жидкостей и небольшого числа разновидностей газов.