8.6. Вихревые расходомеры
Любое препятствие, помещенное в поток, создает завихрение в нем вещества, пропорциональное его объемному расходу. В такого рода преобразователях используются два способа генерирования завихрений: естественные колебания (рис. 92), при которых стабильные структуры (известные как вихревая дорожка Кармана) периодических вращающихся в разные стороны вихрей возникают в потоке за препятствием, и вынужденные колебания (рис. 93), при которых поток вещества вращается или прецессирует (движение оси вращения потока) вдоль оси трубопровода в виде некоторой спирали.
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.