Вихревой расходомер: принцип действия

Вихревые расходомеры основываются на учете периодичности изменения давления, которое формируется в потоке после определенного препятствия, имеющегося в трубопроводе, либо в ходе колебания и вихреобразования струи.

Видео: Принцип работы вихревого расходомера

Достоинства

Первые устройства подобного типа появились в 60-х годах прошлого столетия. Их основным неудобством стал малый диапазон параметров измерения и значительная погрешность. Электронный современный вихревой расходомер стал более совершенным, эффективным и приобрел множество достоинств, к которым стоит отнести следующие:

• относительная простота системы измерения;
• данные всегда стабильны, не зависят от температуры и имеющегося давления;
• измерения, отличающиеся высокой точностью;
• измерительные линейные сигналы;
• надежная и простая конструкция;
• широкий диапазон измерений;
• статичные элементы;
• наличие функции самодиагностики в некоторых моделях.

Недостатки

Вихревой расходомер Rosemountрассчитан на эксплуатацию в трубах с диаметральным размером от 20 до 300 мм, так как трубопроводы с меньшим размером отличаются непостоянным вихреобразованием, а эксплуатация при большем размере достаточно затруднительна. При этом отсутствует возможность использования при небольшой скорости потока, ввиду сложности измерения сигнала и существенного снижения давления. Также вибрационные и звуковые типы пульсации оказывают влияние на работу устройства. В качестве помех выступает вибрирующий трубопровод и компрессоры. Их устранение возможно при помощи струевыпрямителя, монтируемого на входе, либо установки дополнительного преобразователя со встречным подключением и электронных фильтров, в случае различия измерительных сигналов и пульсационных частот.

Классификация

Существует три варианта устройств, разделяющихся по виду преобразователя:

• Вихревой расходомер, в котором недвижимое тело играет роль первичного преобразователя. Постепенно с обеих сторон в нем формируются слетающие вихри после обхода недвижимого тела, за счет которых и формируется пульсация.
• Механизмы с крутящимся потоком первичного преобразователя, которыми создается пульсация давления за счет принятия воронкообразной формы в расширенной части трубопровода.
• Вихревые расходомеры, имеющие струю в роли преобразователя. В данном случае пульсация давления обеспечивается колебаниями струи.

Первые два варианта приборов больше подходят под определение вихревого расходомера. Но ввиду переменчивого характера перемещения потока третьего типа, он также относится к данной категории. Наибольшее сходство характеристик прохождения процесса отмечается у первого и третьего варианта.

Расходомер пара вихревой с обтекаемым преобразователем

При обхождении тела поток меняет траекторию направления струй, одновременно возрастает их скорость и снижается давление. Обратное изменение происходит после миделевого сечения объекта. На его обратной части образуется низкое давление, а на передней – высокое. После прохождения тела отходит пограничный пласт, и под влиянием низкой компрессии создается вихрь, а также при изменении траектории движения. Это характерно для обеих долей обтекаемого тела. Осуществляется попеременное формирование вихрей с двух сторон, так как они мешают образованию друг друга. При этом отмечается создание дорожки Кармана.

Специальное тело обтекания обладает рабочими плоскостями с самостоятельной очисткой благодаря вихрям, даже при условии сильно загрязненной среды они всегда чистые.

Габариты и стремительность потока прямо пропорциональны периодичности возникновения вихрей, которая соответствует скорости при неизменяемом размере, и как следствие объемному расходу. Если устойчивое формирование вихрей происходит при низком расходе вещества, то диапазон замеров расходомера составит 20 л/мин.

Обтекаемое тело конструкции

Расходомер счетчик вихревой, как правило, основан на призматическом элементе трапецеидального, треугольного или прямоугольного вида. Конструкция первого варианта идет навстречу водяному потоку. С учетом некоторой утраты давления такие элементы формируют колебания с достаточной регулярностью и силой. Помимо этого, особое удобство отмечается при преобразовании выходных сигналов.

Видео: Принцип действия вихревого расходомера

Вихревой расходомер в отдельных случаях может использовать два обтекаемых устройства для повышения выходных сигналов, в этом случае они располагаются на установленном расстоянии. На боковых частях прямоугольных вторых призм имеются пьезоэлементы, скрытые эластичными тонкими мембранами, благодаря чему отсутствует возможность воздействия акустическими помехами.

Виды преобразований

Существует несколько способов преобразования выходных сигналов из вихревых изменений. Наибольшее распространение приобрели быстрота потоков с обтекаемого элементов и систематические изменения давления. Чувствительный элемент заключается в одном или двух термоанемометрах проводникового типа. Используется ультразвуковой, интегрирующий, емкостный и индуктивный преобразователь потока. Для правильной работы вихревой расходомер должен иметь свободную ровную часть трубы перед собой.

Видео: Принцип действия ультразвукового расходомера

Сложности эксплуатации в трубах с увеличенным диаметром вызваны следующими причинами:

• снижение регулярности вихреобразования;
• низкая производительность вихреобразования;
• уменьшение общего количества колебаний.

Воронкообразные вихревые расходомеры: принцип действия

В данных устройствах преобразователи обладают механизмом, обеспечивающим закручивание потока, передаваемого через часть трубопровода в его расширенную сторону или через цилиндрические небольшие насадки. Форма в виде воронки образуется в трубе, а вокруг ее оси вертится ось с перемещающимся около нее ядром вихря. Поток в верхней части имеет давление, пульсирующее одновременно с угловым перемещением ядра, при этом оно равно расходу объема или линейной скорости. Проводниковые термоанемометры или электромеханический элемент преобразуют скорость или частоту пульсаций для измерительных каналов. Процесс заключается в двух фазах: сначала формируется перенос объемного расхода в частоту осуществляемой прецессии вихря, затем частота превращается в сигнал.

Видео: Скважинный вихревой расходомер ЭМИС ВИХРЬ 200 СКВ

Расходомер на основе осциллирующей струи

Переходя через сопло, газовый или жидкостный поток оказывается в диффузоре с сечением в виде прямоугольника. В некоторых случаях поток поочередно придавливается в определенный момент к разным стенкам диффузора. Электризующее свойство струи релаксационного устройства снижает давление в верхней области обводной трубы, при этом в нижней части оно остается прежним и создается движение, переносящее струю в нижнюю часть диффузора. После в ободной трубе характер движения изменяется, возникает осциллирование струи.

Струя, стиснутая в нижнем элементе диффузора в преобразователях гидравлической возвратной связи, через выводящий патрубок выходит лишь частично. В обводящий верхний канал отводится доля струи и при прохождении через первое сопло, она переносится в нижнее положение в поток из второго сопла. Затем отделяется часть и переходит в обводящий верхний канал, процесс колебаний наступает после переброса вниз, при этом происходит одновременное изменение давления в обеих сторон потока.

Преобразователь такого типа более рационален. За счет него формируется строгий ход осцилляции и присутствует прямое воздействие частоты колебаний на расход.

Наибольшее распространение вихревые расходомеры Yokogawaприобрели в трубопроводах с небольшим диаметром, максимум до 90 мм. В некоторых случаях устройства такого типа используются как замена парциальным преобразователям.

Сегодня качество изготовления расходомеров постоянно развивается и появляются новые функции, несмотря на то что такие приборы обладают достаточно продолжительным периодом использования. Разработчики занимаются поиском более действенных проектных решений, создают технологичные варианты, отличающиеся большей результативностью.