Принцип действия.
Когда поток жидкости обтекает тело (рис.1,а). возникают два параллельных ряда вихрей, движущихся вниз по потоку с одинаковым расстоянием между вихрями в каждом ряду. Образовавшаяся за телом обтекания система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана.
Количество вихрей, генерируемое в секунду f от каждой стороны поверхности плохо обтекаемого тела, можно определить как:
где
– средняя скорость жидкости вблизи плохо обтекаемого тела,
S – фактически постоянная величина, называемая числом Струхаля.
d- ширина поперечного сечения тела
Объемный расход Q может быть определен как:
Рис. 1 а) образование вихрей; б) формы тел обтекания
Таким образом, для любого обтекаемого тела частота генерируемых вихрей прямо пропорциональна расходу жидкости. Как правило, расходомеры одновременно являются и счетчиками.
Преобразователи вихревых расходомеров.
Одним из важнейших элементов вихревых расходомеров являются преобразователи энергии потока в электрический сигнал
Известны индуктивные, анемометрические, емкостные, ультразвуковые и пьезоэлектрические преобразователи энергии. Например, в термоанемометрических преобразователях термистор может быть размещен на передней поверхности тела обтекания (рис.2,а). Термистор, нагретый протекающий через него током, чувствует вихри благодаря эффекту охлаждения при контакте с ними, что создает изменение сопротивления термистора. В ультразвуковом преобразователе вихри оказывают воздействие на луч ультразвуковой волны (рис. 2,б). Полученное в результате изменение амплитуды этой волны может быть зафиксировано. В пьезоэлектрическом преобразователе чувствительным элементом является пьезоэлектрический кристалл, смонтированный в тело обтекания (рис. 2,в). Упругая диафрагма реагирует на возмущения давления, генерируемые вихрями, и они воспринимаются пьезоэлектрическим кристаллом.
Вихревые расходомеры с пьезоэлектрическими датчиками получили наибольшее распространение в России и отвечают всем перечисленным требованиям.
Рис. 2 Системы детектирования вихрей
Вихревые расходомеры жидкостей.
Первые вихревые расходомеры жидкости были разработаны в ГНЦ «НИИ Теплоприбор» в 1982 году.. Часто такие приборы называют вихреакустическими или вихревыми ультразвуковыми расходомерами. Устройство такого расходомера поясняет рис. 2,б.
В проточной части располагается тело обтекания в виде трапециидальной призмы. Далее за телом обтекания диаметрально противоположно размещаются пьезоэлектрические излучатель и приемник . На излучатель от генератора подается переменное напряжение, обычно 1-2 МГц, которое преобразуется в ультразвуковые колебания жидкости. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. Приемник воспринимает модулированные колебания и преобразует их в напряжение, которое по амплитуде и частоте соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, являющейся мерой скорости потока.
Кроме ультразвукового детектирования вихрей распространен метод, основанный на регистрации деформации тела обтекания при вихреобразовании. В этом случае один конец тела устанавливается в трубопровод жестко, а второй соединен с трубой через пьезоэлектрический датчик. На кромках тела обтекания поочередно возникают вихри, вызывающие колебания тела обтекания., которые воспринимаются пьезодатчиком и преобразуются в электрический сигнал с частотой появления вихрей.
Вихревые счетчики применяются для измерения объемного расхода горячей и холодной воды в трубах. Основная погрешность — 1%. Однако, для измерения воды и тепла в ЖКХ такие расходомеры распространения не получили, т.к. не выдержали конкуренции по себестоимости с расходомерами, основанными на других принципах: электромагнитных, ультразвуковых, тахометрических.
Вихревые счетчика газа
Первый российский вихревой счетчик газа СВГ был разработан ОАО «Сибнефтеавтоматика» и освоен в серийном производстве 1991 году.
недостатки
- необходимость больших прямых участков до и после прибора;
- не возможность проведения точных измерений при малых расходах;
- более высокие потери давления при измерениях.
преимущества
- хорошая работа при контроле загрязненных и агрессивных газов;
- надежная работа где не требуется высокая точность
- невосприимчивость к скачкам давления, расхода, пневмоударам.
Несмотря на отмеченные недостатки, уже сейчас вихревые расходомеры газа занимают в нашей стране более 23 % рынка промышленных приборов учета газа среди российских производителей.
Вихревые расходомеры пара
Для измерения расхода пара необходимо ввести в вычислитель программу расчета значений массы пара и переносимой им тепловой энергии.
Единственной альтернативой вихревым расходомерам на рынке приборов учета расхода пара являются приборы, основанные на измерении перепада давления на сужающих устройствах. Однако, эти приборы характеризуются динамическими диапазонами 1:5 – 1:10, погрешностью измерений до + 5%, а при измерении насыщенного пара скорее дают качественную картину, чем количественную оценку. Достоинства вихревых расходомеров (см. выше) ведет к постепенному увеличению доли вихревых счетчиков на рынке средств учета расхода пара, которая же сейчас составляет около 60% среди российских производителей.
Максимальные рабочие температуры до 300 °С, предел допускаемой основной погрешности:
- мгновенного расхода …………………………….1%;
- суммарного массового и объемного …………….3%;
- тепловой энергии…………………………………4%.
Достоинством вихревых расходомеров является
отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода, достаточно хорошая точность и линейность в широком диапазоне измерений, частотный выходной сигнал.