Вихревые расходомеры

Принцип действия большинства современных вихревых расходомеров (BP)

основан на определении частоты следования вихрей дорожки Кармана, образую­щей за стержневым телом обтекания (трапецеидальной или дельтовидной фор­мы), неподвижно расположенным поперек контролируемого потока среды в цен­тре измерительного сечения прибора (рис. 6.10)

Образование вихрей за телом обтекания вызвано, с одной стороны, резким изменением кривизны его поверхности, приводящим к изменению скорости дви­жения струй и давления в среде, а с другой - разностью скоростей соседних слоев среды вблизи этой поверхности. В результате тормозящего и ускоряющего дейст­вия слоев возникают сдвиговые напряжения, или вращающие моменты сил, кото­рые формируют вокруг некоторых мгновенных осей вращения в движущейся сре­де самосвертывающиеся вихри и обеспечивают их срыв с кормовых острых кро­мок тела обтекания.

Вихрь представляет собой локальный элемент среды, в котором полная энер­гия потока преобразуется преимущественно в кинетическую, что в соответствии с законом Бернулли приводит к снижению потенциальной энергии среды - стати­ческого давления.

Местное снижение давления фиксируется сенсором давления, например, пье- зоэлементом. Пьезодатчик преобразует чередующиеся перепады (пульсации) дав­ления в электрические импульсы, измеренная частота / которых при Re > 3800 линейно зависит от скорости U потока:

где Sr - число Струхаля (коэффициент пропорциональности, близкий к 0,22), в - ширина тела обтекания. Зная сечение трубы, по средней скорости среды можно определить ее объемный расход:

Рис. 6.10. Конструкция вихревого расходомера

На практике используется уравнение где к - градуировочный, или ка­либровочный коэффициент (количество импульсов на единицу объема среды). Коэффициент определяется только параметрами обтекаемого тела и трубопровода и не зависит от удельного веса, вязкости, давления или температуры измеряемой среды.

Типовая конструкция BP содержит, как и у расходомеров вышерассмотренных типов, первичный измерительный (ПП) и электронный (ЭП) преобразовате­ли, которые конструктивно выполняются в виде единого блока (компактное ис­полнение) или двух отдельных блоков, соединяемых кабелями связи (раздельное исполнение). ПП представляет собой измерительный канал - отрезок трубы с фланцами или другим типом присоединения к рабочему трубопроводу, внутри которого установлено обтекаемое вихревое тело с сенсором давления. Сенсор ус­танавливается, как правило, внутри обтекаемого тела, а местные вихревые изме­нения давления среды передаются на него через защитную боковую поверхность обтекателя. Поскольку сенсор изолирован от потока, он не может быть поврежден перегрузками в случае высоких скоростей. Питание сенсора, прием и обработку измерительного сигнала от него, накопление измерительных данных и связь с АСКУЭ осуществляется через ЭП.

Типичные диапазоны измеряемых расходов для BP - от 6 л/мин в трубах диаметром 12 мм до 15 м /мин в трубах диаметром 205 мм. Их основные преиму­щества - большой измерительный диапазон (30:1) при высокой точности (по­грешность - 1%) и линейность характеристики расхода. BP не имеют недостатков

диафрагменных расходомеров - зарастания отверстия диафрагмы и сравнительно

больших потерь давления. Кроме того, вихревой импульс является цифровым сигналом, удобным для дальнейшей микропроцессорной обработки.

Помимо расходомеров с неподвижным обтекаемым телом, которые состав­ляют подавляющее большинство имеющихся на рынке BP, существуют вихревые струйно-генераторные расходомеры, основанные на эффекте Коанды - попереч­ном прилипании струи среды, проходящей через сопло, к противоположным стенкам расширяющегося канала - диффузора (при этом периодические автоко­лебания струи образуются струйным генератором, частота которого пропорцио­нальна скорости истечения среды из сопла), и расходомеры со спиралеобразным закручиванием потока, или с прецессией воронкообразного вихря, образующегося при пропускании потока через последовательно установленные спиралевидные лопатки и сужение трубы в расширяющийся корпус - воронку (при этом давление внешней поверхности спиралеобразного вихревого потока пульсирует синхронно с угловой скоростью вращения ядра вихря, пропорциональной линейной скорости потока или объемному расходу).

В последние годы в BP помимо способа стержневого образования вихрей Кармана, нарушающего симметричность потока, нашел применение при измере­нии расхода газов принцип кольцевых вихрей, связанный с установкой в поток коаксиально трубопроводу каплевидного тела обтекания с коаксиальным кольцом вокруг него. Благодаря тому, что скорость потока вдоль кольца одинакова, дости­гается более устойчивое вихреобразование, а значит, увеличивается возможность расширения динамического диапазона измерения расхода и повышения его точ­ности.

Для детектирования вихрей помимо преобразователей давления (пьезодатчи- ков) существуют и другие виды сенсоров: механические (неподвижный ферро­магнитный шарик или мембрана в теле обтекателя с индуктивным или емкостным преобразованием их перемещения под влиянием двухсторонних перепадов давле­ния в электрический выходной сигнал; диск, установленный в среде за телом об­текания, встроенные тензорезисторы которого преобразуют его вихрезависимые механические напряжения в выходной сигнал, и т. п.); температурные (термисто- ры, преобразующие вихревые колебания температуры среды в выходной сигнал); ультразвуковые преобразователи скорости (излучатель и приемник ультразвуко­вых колебаний, обнаруживающие вихревые колебания потока) и др.

Характеристики некоторых распространенных BP отечественного производ­ства приведены ниже,

Челябинский концерн Метран выпускает счетчик-расходомер СВА и преоб-

разователь расхода Метран-ЗООПР. Они предназначены как для технологических целей, так и для коммерческого учета расхода и количества различных жидко­стей. Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектиро­вании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, рас­положенной поперек потока (рис. 6.11)

Рис. 6.11. Устройство и принцип действия СВА и Метран-ЗООПР

Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока. В корпу­се проточной части расположены тело обтекания - призма трапецеидальной фор­мы (1), пьезоизлучатели ПИ1, ПИ2 (2), пьезоприемники ПП1, ПП2 (3) и термо­датчик (7).

Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При об­текании тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна расходу.

За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диаметрально противоположно друг другу две пары стаканчиков, в которых собраны ультразву­ковые пьезоизлучатели ПИ1, ПИ2 и пьезоприемники ПП1, ПП2. На ПИ1, ПИ2 от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразву­ковые колебания. Проходя через поток, колебания в результате взаимодействия с вихрями модулируются по фазе. На ПП1, ПП2 ультразвуковые колебания преоб­разуются в электрические и подаются на фазовый детектор.

Две пары пьезоэлементов "излучатель - приемник" обеспечивают компенса­цию влияния помех, возникающих в проточной части. На рис. 6.12. приведен об­щий вид BP.

Рис. 6.12. Габаритные и установочные размеры BP Метран-ЗООПР

АО Завод Старорусприбор выпускает расходомеры типов ДРЕМ, РСВ, ис­пользующие вихревой метод измерения.

Американская фирма Armstrong выпускает вихревые расходомеры модели 3050 для пара, газов и жидкостей. В качестве чувствительного элемента исполь­зуется пьезодатчик, расположенный в полости тела обтекания.

Фирма Fisher-Rosemount поставляет интеллектуальный BP, имеющий токо­вый и частотный выходы, а также цифровой интерфейс HART.

Аналогичные расходомеры производят фирмы Endress & Hauser (модели PROWIRL), Danfoss (модели VORFLO) и ряд других зарубежных и отечествен­ных изготовителей.

6.7.Массовые кориолисовые расходомеры

Принцип работы массовых кориолисовых расходомеров (МКР) основан на

использовании инерциальной силы Кориолиса, действующей на движущееся тело в системе отсчета, которая в свою очередь движется с ускорением, в частности,

по криволинейной траектории (вращается или колеблется) относительно другой

системы отсчета, условно принятой за неподвижную,

В современных расходомерах используется кориолисовый эффект, возни­кающий при движении жидкой среды через чувствительный элемент - металличе­ские трубки, приводящиеся в резонансное колебательное движение электромаг­нитной системой возбуждения первичного преобразователя ПП (рис. 6.13).

На рисунке приведена одна из таких конструкций расходомера, содержащая две прямые упругие титановые измерительные трубки и оптические сенсоры, ко­торые отслеживают колебания каждой трубки в двух точно определенных местах

на ее входе и выходе.

В отсутствие среды или ее движения, когда расход равен нулю, контроли­руемые точки каждой трубки колеблются в фазе с сигналом возбуждения S, и сдвиг фаз сигналов S1 и S2 от сенсоров равен нулю . При течении среды, когда расход отличен от нуля, кориолисова сила F_K на входной контролируемой точке противодействует силе возбуждения F_B и ее ускорению а_ъ, замедляя пере­мещение входного участка трубки, что приводит к запаздыванию сигнала S1 от­носительно сигнала возбуждения S. На выходном же участке трубки кориолисова сила, наоборот, ускоряет его перемещение и вызывает опережение сигнала S2 от­носительно сигнала возбуждения S. В результате сдвиг фаз сигналов S1 и S2 от­личен от нуля а массовый расход среды прямо пропорционален этому сдвигу: где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от кон­структивных особенностей расходомера. Расходомеры рассмотренной конструк­ции позволяют, кроме того, по изменению резонансной частоты наполненных трубок определять плотность среды (резонансная частота падает с ростом плот­ности).

Рис. 6.13. Конструкция массового кориолисового расходомера

Современные МКР подразделяют по форме мерного участка чувствительного элемента на петлевые (U-, S-, J-, W- образные, лабиринтные) и прямо трубные по количеству измерительных труб - на одно- и двухтрубные, или сдвоенные (благодаря наличию двух трубок увеличивается чувствительность преобразователя и снижается его погрешность). Петлевые расходомеры сменили вращающиеся (петлевая форма, как и окружность позволяет непосредственно реализовать эффект Кориолиса). Достоинства таких расходомеров связаны с уменьшением габаритов и повышением чувствительности при минимизации различных влияющих эксплуатационных факторов. Вместе с тем петлевые (или изогнутые) трубы при деформации и обладают относительно высокой массой, что не позволяет использо­вать высокие частоты возбуждения для повышения устойчивости расходомеров к внешним процессам вибрации и внутренним дестабилизирующим условиям дви­жения среды (кавитации).

Измерительные трубки ПП обычно изготавливаются из нержавеющей стали, а для использования при повышенной температуре рабочей среды (более 250°С) - из сплава Hastelloy. При работе в агрессивных высокотемпературных средах и при повышенных давлениях применяются титан и его сплавы. Титан, кроме того, уменьшает массу измерительных трубок, позволяет повысить их резонансную частоту до 600 - 1000 Гц и выйти тем самым из области "промышленного резо­нанса" (~ 100 Гц).

Последним достижением в области конструирования МКР являются прямот- рубные расходомеры (см. рис. 6.13). Они лишены недостатков петлевых, позво­ляют существенно снизить массу, габариты и энергопотребление первичных пре­образователей, а в сочетании с титановыми трубками обеспечивают повышенную безопасность и долговечность. В качестве сенсоров съема колебаний в них вместо бесконтактных индуктивных или электродинамических преобразователей пере­мещения стали применять более совершенные, но более дорогие оптические.

Массовые расходомеры непосредственно (без пересчета через объем и плот­ность) измеряют расход массы среды. На результаты измерения не влияют темпе­ратура, плотность, давление, вязкость, электропроводность, длины прямых участ­ков (входного и выходного), профиль потока жидкости, пульсации.

Характеристики некоторых наиболее распространенных МКР отечественного и зарубежного производства приведены ниже.

Промышленная группа Метран выпускает кориолисовые расходомеры Мет- ран-360, которые являются результатом совместного производства с компанией Micro Motion. МКР предусматривают прямое измерение температуры, которое используется для электронной компенсации изменений эластичности материала расходомерной трубки при изменении температуры технологической среды. Компенсация является одной из функций МКР, служащих для сохранения макси­мальной точности измерений во всем диапазоне расхода.

Датская фирма Danfoss поставляет для измерения расхода различных жидких сред модели массового двухтрубного петлевого (W-образного) расходомера MASS FLO раздельного исполнения в составе первичного преобразователя и дис­танционно устанавливаемого электронного преобразователя, имеющего три токо­вых (0 - 20, 4 - 20 мА), два частотно-импульсных (0-10 кГц) и два релейных вы­хода и позволяющего измерять массовый расход и общую массу среды, ее плот­ность, температуру, объемный расход.

Фирма Endress & Hauser производит для измерения массового и объемного расхода плотности и температуры жидких сред расходомер PROM AS S (для труб с номинальным диаметром 2-100 мм). Электронный преобразователь расходомера имеет компактное и дистанционное исполнение, токовый (0 - 20 или 4-20 мА), импульсный и релейный выходы, интерфейсы RS-485, протоколы HART и шину Profibus РА.

Фирма Micro Motion группы Fisher - Rosemount выпускает массовые расхо­домеры прямо- и однотрубного исполнения.

Американская фирма Honeywell производит интеллектуальный массовый

двухтрубный расходомер Кориолиса SCM компактного и раздельного исполне­ния, петлевой и однотрубной серий. Электронный преобразователь расходомера

имеет токовый выход 4 - 20 мА с ртошюм HART, импульсно-частотный и релейный выходы, интерфейс RS-485 с фирменным протоколом TDC 3000.