Вихревые расходомеры с обтекаемым телом

Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения обтекающих его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне — пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя его миделевое сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препятствует развитию вихря с другой стороны, то образование вихрей с той и с другой стороны происходит поочередно (см. рис. 5.92). При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана.

Рис. 92. Схема вихревого расходомера с генерированием вихревой дорожки Кармана на цилиндрическом препятствии: / — трубопровод; 2 — цилиндрическое препятствие; 3 — измерительный преобразователь

Примечание

Миделевое сечение (мидель) (от голл. middel — средний) — наибольшее по площади сечение тела плоскостью, перпендикулярной направлению движения.

Частота срыва вихрей 1, согласно критерию Струхаля Sh, равна

т. е. пропорциональна отношению , а следовательно, при постоянном характерном размере d тела пропорциональна скорости v, a значит и объемному расходу . Зависимость между и дается уравнением

где А — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг обтекаемого тела.

Чтобы обеспечить пропорциональность между и число Струхаля Sh должно оставаться неизменным в возможно большей области значений числа Re. Для обтекаемого цилиндра число Sh остается постоянным в области

Замечание

Преимущественное применение в вихревых расходомерах нашли призматические тела прямоугольной, треугольной или трапецеидальной (дельтообразной) форм. Отсюда идет название вихревого измерителя расхода — дельта метр.

Имеется много способов преобразования вихревых колебаний в выходной сигнал. Они основаны на использовании периодических колебаний давления или скорости струй с обеих сторон обтекаемого тела. В качестве чувствительного элемента преобразователя применяются один или два полупроводниковых термоанемометра, тензометрические преобразователи силы или ультразвуковые средства для определения периодических изменений силы, происходящих при вихревом движении вещества.

Снаружи трубопровода размещен излучатель, а с другой стороны — приемник ультразвуковых колебаний, реагирующие на вихревые колебания потока. Этот метод имеет свои достоинства, но присутствие в жидкости твердых частиц или газовых пузырьков будет сказываться на выходном сигнале.

Замечание

Вихревые расходомеры с телом обтекания треугольного трапецеидального и квадратного типов предназначены для труб диаметром D от 50 мм до 300 мм.

Ультразвуковые расходомеры

Действие ультразвуковых расходомеров основано на зависимости от расхода вещества разности времен прохождения ультразвуковых сигналов по потоку вещества и против него. Измеряется время прохождения ультразвукового сигнала от одного излучателя до приемника по направлению течения вещества (например, жидкости), так и против его течения. Разница во времени прохождения ультразвукового сигнала будет прямо пропорциональна скорости потока вещества, а знак этой разности покажет направление потока.

В трубопроводе на его внешней поверхности устанавливаются два первичных измерительных преобразователя-излучателя ультразвуковых колебаний и два их приемника (частота ультразвуковых колебаний составляет 1...3 МГц). При скорости ультразвука с длительность прохождения импульса в неподвижной жидкости, находящейся в трубопроводе, составит

где — расстояние между излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний.

При перемещении жидкости со скоростью v время прохождения ультразвука по направлению потока и навстречу ему равно:

откуда разность времен прохождения импульсов по потоку и против потока, учитывая, что

(5.104)

Рис. 94. Двухканальная схема ультразвукового преобразователя:

/ — излучающий пьезоэлемент; 2 — приемные пьезоэлементы

Основными элементами преобразователей являются пьезоэлементы, преобразующие переменное электрическое напряжение в ультразвуковые колебания среды. Часто применяются кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Может быть реализована одноканальная схема ультразвукового преобразователя, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. На рис. 5.94 представлена двухканальная схема ультразвукового преобразователя, на которой средний пьезоэлемент является излучающим, а два крайних — приемными.

Замечание

Существуют различные способы измерения очень малого значения разности времен, например фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры), или частотный, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов (или пакетов) акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры).

Ультразвуковые расходомеры обычно измеряют среднюю по диаметру, а не среднюю по сечению трубопровода скорость потока (в силу чего предъявляются высокие требования к длинам прямых участков перед расходомерами).

Как правило, ультразвуковые расходомеры измеряют объемный расход.

Достоинства: ультразвуковые расходомеры не создают препятствий для потока, и, как следствие этого, падения давления в трубопроводе малы (минимальные потери давления); не имеют движущихся частей; обладают возможностью достижения высокой точности измерений и высоким быстродействием. Важное преимущество преобразователей с внешними пьезоэлементами — это отсутствие контакта с измеряемым веществом и сохранение целостности трубопровода.

Недостатки: методические ограничения (влияние пузырьков, механических частиц, приводящих к возможности засора излучателя и приемника, находящихся внутри трубопровода). Для преобразователей с внешними пьезоэлементами трубопровод создает повышенный уровень паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубопровода, что снижает чувствительность преобразователей.

Основные источники погрешностей: неправильный учет влияния профиля скорости; изменение скорости ультразвука в измеряемой среде; паразитные акустические сигналы; асимметрия электронно-акустических каналов.

Основные погрешности, %: 1...5.

Применение: для больших диапазонов измерения расхода незагрязненного газа.

Замечание

В процессе эксплуатации ультразвуковых расходомеров необходимо систематически проверять электрическое сопротивление изоляции цепи питания преобразователя и соотношение «сигнал/шум» входного сигнала. Снижение этого сигнала свидетельствует либо об ухудшении характеристик расходомера, либо о загрязнении отверстий излучателя и приемника.

Кориолисовы расходомеры

Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, зависящее от расхода. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношению к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.

Рис. 95. Силы, действующие на первичный преобразователь кориолисова расходомера: — силы воздействия; — перемещение; — угол закручивания

Кориолисовы массовые расходомеры непосредственно измеряют массовый расход жидкостей, газов и взвесей без предварительного определения плотности и объема. Схема первичного преобразователя изображена на рис. 95. Труба, имеющая U-образную форму, после приведения ее с помощью электромагнитной катушки в колебательное движение, колеблется с собственной частотой (амплитуда менее 1 мм, частота — десятки герц). При движении трубы вверх газ, втекающий в трубу, давит на трубу вниз. На выходе из нее тот же газ дополнительно способствует движению трубы вверх, что, собственно, приводит к закручиванию U-образной трубы. Во время второго периода колебаний, когда U-образная труба движется вниз, она закручивается в противоположную сторону. Это закручивание называют эффектом Кориолиса. И что очень важно знать: угол закручивания трубы прямо пропорционален расходу газа. Электромагнитные датчики, расположенные с каждой стороны трубы, измеряют скорость колебания трубы. Массовый расход газа определяют, измеряя разницу во времени поступления двух сигналов по скорости, эта разница прямо пропорциональна массовому расходу газа.

Замечание

Трубу первичного преобразователя располагают изгибом вверх, чтобы предотвратить накопление конденсата в ней. Выпускаются и другие преобразователи, действие которых основано на эффекте Кориолиса, представляющие собой отрезок прямой трубы, закрепленный с обоих концов и вибрирующей с максимальным прогибом в своей средней части.

Достоинства: наличие конденсата, твердых частиц не влияет на условия применения кориолисова расходомера. Широкий диапазон измерения, малые потери давления. Высокая точность. Этот принцип измерения позволяет получить информацию не только об объемном, но и о массовом расходе и плотности среды, проходящей через измерительный преобразователь.

Примечание

Кориолисовы расходомеры относят к «интеллектуальным» изделиям, так как они могут иметь встроенные микроконтроллеры для вычисления комплекса показателей.

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: