Вихревыми называются расходомеры, расход которых зависит от частоты колебания давления. Колебания давления возникают в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи либо после препятствия определенной формы, установленного в трубопроводе, либо специального закручивания потока.

Первые вихревые расходомеры жидкости появились в шестидесятых годах в США, Японии и СССР. Первые разработки вихревых расходомеров газа и пара в России относятся к 90-м годам прошлого века.

К достоинствам вихревых расходомеров следует отнести:

• Простоту и надежность преобразователя расхода;
• Отсутствие подвижных частей;
• Большой диапазон измерений;
• Линейный измерительный сигнал;
• Достаточно высокую точность измерения;
• Стабильность показаний;
• Независимость показаний от давления и температуры;
• Сравнительная несложность измерительной схемы;

Возможность получений универсальной градуировки.

Недостатки вихревых расходомеров

• Невозможно использовать при малых скоростях потока (трудно измерять сигналы с маленькой частотой колебаний);
• Значительная потеря давления (может достигнуть 30-50 кПа);
• Изготавливают для труб имеющих диаметр  от 25 до 150-300 мм (применение в трубах большего диаметра затруднительно, а в трубах меньшего диаметра – вихреобразование нерегулярно);
• Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные пульсации (такие помехи создаются различными источниками: насосами, компрессорами, вибрирующими трубами и т. д.).

Устранить помехи можно:

1. Установив электрические фильтры (если частоты вредных пульсаций и измерительного сигнала разные);
2. С помощью струевыпрямителя  (его устанавливают на выходе преобразователя);
3. Установив дополнительный  преобразователь, который подключают встречно первому.

Сферы применения вихревых расходомеров:

• Химическая;
• Нефть и газ;
• Водоснабжение и водоотведение.
• Нефтехимическая;
• Пищевые продукты и напитки:
  • Рафинадные заводы;
  • Пивоваренные заводы;
  • Молочные заводы;
  • Производство безалгокольных напитков.
• Электростанции:
  • Воздух;
  • Поглощение тепла;
  • Обогрев;
  • Охлаждение.

По типу преобразователя вихревые расходомеры  можно разделить на три группы:

1. Расходомеры, первичным преобразователем расхода которых является неподвижное тело. В них, после обтекания неподвижного тела, с обеих сторон по очереди возникают срывающиеся вихри, которые и создают пульсацию.
2. Расходомеры, в  первичном преобразователе которых поток закручивается и, попадая в расширенную часть трубы, принимая воронкообразную форму (прецессирует) создает пульсации давления.
3. Расходомеры, в которых в качестве первичного преобразователя выступает струя. Пульсации давления в этом случае создаются автоколебаниями струи, при вытекании ее из отверстия.

Строго говоря, термин вихревой расходомер применим только к приборам первых двух групп.  Но так как у расходомеров третьей группы движение потока определяется  колебательным характером  изменения параметров, их  тоже можно отнести к вихревым расходомерам.  В первой и третьей группах расходомеров характеры протекания процессов будут наиболее похожими.

Вихревые расходомеры с обтекаемым телом

Рисунок 1 - Дорожка Кармана (схема образования вихрей), где 1- трубопровод, 2- тело обтекания, 3- вихри.

Поток, огибая тело, меняет направление движения обтекающих струй и увеличивает их скорость, при этом соответственно  уменьшается давление. Далее за миделевым сечением тела происходит уменьшение скорости и увеличение давления. Одновременно на передней стороне тела образуется повышенное давление, а на задней стороне тела — пониженное давление. Пограничный слой, пройдя миделево сечение тела, отрывается от него и под воздействием пониженного давления, которое образуется за телом, меняет направление движения, создавая вихрь. Это происходит и в верхних, и в нижних частях обтекаемого тела. Образование вихрей с обеих сторон происходит поочередно, так как вихрь с одной стороны мешает образованию вихря с другой. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана (по имени фон Кармана, описавшего это явление в 1912 году).

Рабочие кромки тела обтекания являются самоочищающимися за счёт образования вихрей, и остаются чистыми в условиях сильно загрязнённых сред.
Загрязнение датчика вихрей не ведёт к изменению метрологических характеристик вихревого расходомера, так как полезную информацию несёт частота, а не амплитуда сигнала.

Частота срыва вихрей пропорциональна отношению скорости потока к размерам тела обтекания. При постоянном характерном размере тела частота пропорциональна скорости, а значит и объемному расходу.

Если при минимальном расходе вещества скорость в трубе будет достаточной для устойчивого образования вихрей, то расходомер с цилиндрическим обтекаемым телом может иметь диапазон измерения 20.

Чаще всего в вихревых расходомерах применяют призматические тела прямоугольной, треугольной или трапецеидальной (дельтообразной) форм. У последних основание обращено навстречу потоку. Такие тела, несмотря на небольшую потерю давления, образуют сильные и регулярные вихревые колебания. Кроме того, они удобны для преобразования частоты в выходной сигнал.

У некоторых вихревых расходомеров для увеличения выходного сигнала применяют два обтекаемых тела, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. У ряда приборов тела обтекания — прямоугольные призмы. На боковых гранях второй призмы по потоку устанавливаются защищенные плоскими гибкими мембранами пьезоэлементы, что исключает влияние шумовых помех.

В таких расходомерах используется несколько вариантов преобразования вихревых колебаний потока в выходной сигнал. В основном используются периодические колебания давления или скорости струй с двух сторон обтекаемого тела. Один или два полупроводниковых термоанемометра являются чувствительным элементом преобразователя. В вихревых расходомерах различных фирм применяют следующие типы преобразователей расхода: индуктивный, емкостной, струнный, интегрирующий, ультразвуковой и т.д.

Рисунок 2 - Преобразователь вихревого расходомера с пьезоэлементами (1,2-электроды; 3,4- пьезоэлементы; 5- обтекаемое тело)

На рисунке 2 показана схема  преобразователя с телом обтекания треугольной  формы, которое вибрирует в направлении, перпендикулярном к потоку, под влиянием пульсации давлений на его боковых сторонах. Изгибные напряжения воспринимаются пьезоэлементами. Электроды пъезодатчиков  включают навстречу друг другу, для того, чтобы вредные вибрации тела обтекания и трубопровода в меньшей степени влияли на выходной сигнал (разности напряжений). Такой преобразователь можно применять в различных условиях измерения (при температурах до 400 °С и давлениях до 15 МПа).

Вихревые расходомеры с телом обтекания треугольного, трапецеидального и квадратного типов предназначены для труб диаметром от 50 до 300 мм, погрешность измерения составляет ±0,5-2 %.

Важно помнить: перед вихревым расходомером с обтекаемым телом нужно иметь прямой участок трубы.

Использование вихревых расходомеров для труб большого диаметра (300-350 мм) затруднено:

• вследствие совпадения частоты свободных колебаний тела с частотой срыва вихрей,
• из-за низкой эффективности вихреобразования,
• при малых значениях относительного диаметра обтекаемого тела и неприемлемости больших его значений,
• из-за громоздкости и уменьшения частоты вихреобразования.

Вихревые расходомеры с прецессией воронкооразного вихря

Преобразователи этих расходомеров имеют приспособление, закручивающее поток, направляемый затем через короткие цилиндрические насадки или участок трубы в ее расширенную часть. В трубе вращающийся поток принимает воронкообразную форму, а его ось, вокруг которой вращается ядро вихря, сама вращается вокруг оси трубопровода. При этом давление на внешней поверхности вихревого потока пульсирует синхронно с угловой скоростью вращения ядра вихря, пропорциональной линейной скорости потока или объемному расходу. Для преобразования частоты пульсаций давления или скорости в измерительный сигнал применяются пьезоэлементы или полупроводниковые термоанемометры. Преобразователь состоит из двух ступеней — в 1-й происходит преобразование объемного расхода потока в частоту прецессии воронкообразного вихря, а во 2-й — преобразование этой частоты в измерительный сигнал.

Две возможные принципиальные схемы первой ступени преобразователей таких расходомеров (представлены на рисунке 3 а-б), отличающиеся лишь способом закручивания потока.

Рисунок 3- схемы первой ступени вихревых преобразователей (а - с винтовым завихряющим устройством, б- с тангенциальным вводом в камеру)

На рисунке 3,б жидкость или газ по трубе 1 входит  тангенциально (т.е. по касательной) в цилиндрическую камеру 4, где закручивается и, через парубок 3, поступает в трубу или камеру большего диаметра 2. Там поток прецессирует, что сопровождается пульсациями скорости и давления. На рисунке 3,а поток вещества закручивается спирально расположенным лопаткам. В остальном схемы одинаковы.

Чаще всего в расходомерах применяют завихряющее винтовой устройство, так как оно не требует перед собой прямых участков трубы. Однако, потеря давления в этом завихряющем устройстве выше.

Вихревые расходомеры с осциллирующей струей

Преобразователь с осциллирующей струей может быть двух видов (рисунки 4 и 5)

Рисунок 4 – Релаксационный преобразователь вихревого расходомера с осциллирующей струей (1-сопло, 2- диффузор,3- обводная трубка)

Как показано на рисунке 4, поток жидкости или газа проходит через сопло и попадает в диффузор прямоугольного сечения. Вследствие случайных причин поток в каждый момент в большей степени прижимается к той или другой стенке диффузора (например к верхнему). и благодаря эжектирующему действию струи в преобразователе релаксационного типа давление в верхней части обводной трубки станет меньше давления в нижней ее части и по трубке возникнет движение, показанное стрелкой, которое перебросит струю к нижней стенке диффузора. Далее направление движения в обводной трубке изменится, и струя будет осциллировать.

В преобразователе с обратной гидравлической связью струя, прижатая к нижней стенке диффузора, не вся удаляется через выходной патрубок. Часть ее ответвляется в верхний обводной канал и, выходя через сопло1, перебрасывает струю, выходящую из сопла2, в нижнее положение. После этого произойдет ответвление части струи в верхний обводной канал, струя будет переброшена вниз и наступит процесс ее колебаний, сопровождающийся синхронными колебаниями давлений с обеих сторон струи. Последний преобразователь с обратной связью лучше. Он обеспечивает более строго процесс осцилляции и имеет почти линейную зависимость между расходом и частотой колебания.

Рисунок 5- Преобразователь вихревого расходомера с колеблющейся струей с обратной гидравлической связью (1-дифузор 2- выходной парубок, 3- сопло1, 4-сопло2, 5-верхний отводной канал,6-нижний обводной канал)

Расходомеры с осциллирующей струей обычно используют в трубах меленьких диаметров: от 12 до 100 мм. Иногда преобразователи с осциллирующей струей могут применять в качестве парциальных преобразователей.

Несмотря на довольно продолжительное время освоения этих приборов в измерительной технике, теория и практика вихревых расходомеров непрерывно развивается и совершенствуется. Идут поиски лучших схемных решений, более эффективных и технологичных конструкций первичных преобразователей расхода.

Учет расхода жидкостейосуществляется с помощью различных счетчиков и расходомеров. Определится с выбором вам поможет наш сайт.

Используемая литература:

Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с