2.6. Вихревые и вихреакустические расходомеры
В 1911 г. Теодор фон Карман опубликовал работу, посвященную математическому анализу перемежающегося двойного ряда вихрей, образующегося после тела обтекания в турбулентном потоке жидкости. Важными чертами этого явления являются стабильность и высокая периодичность вихрей. Сейчас эта структура именуется дорожкой Кармана и является одним из наиболее известных и хорошо изученных явлений в гидродинамике.
Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит по- очередно на противоположных ребрах тела обтекания. При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока:
f = St (v/d),
где f – частота образования вихрей Кармана; St – число Струхаля; v – скорость потока среды; d – ширина тела обтекания.
Число Струхаля – эмпирическая величина, определенная геометрией расходомера и свойствами среды.
Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей. Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога (рис.2.26).
Ламинарный поток
Переходной поток
Турбулентный поток
Рис.2.26. Режимы течения потока
Известная величина в гидродинамике – число Рейнольдса – позволяет привести все среды к одному безразмерному параметру, который характеризует турбулентность течения потока:
Re=D,
где – скорость среды; – ее вязкость; – плотность среды; D – диаметр трубопровода.
При малом Re, порядка нескольких десятков, течение ламинарно, при Re больше нескольких тысяч устанавливается развитый турбулентный режим. В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля St практически постоянно (рис. 2.27), благодаря чему получается, что коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится не зависящим ни от плотности, ни от вязкости измеряемой среды и одинаков для всех типов сред.
Р ис.2.27. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса
При этом следует отметить, что в силу природы эффекта при числах Рейнольдса ниже 20000 вихревые расходомеры не гарантируют точность измерений, так как число Струхаля в этом диапазоне значительно варьируется, хотя некоторые расходомеры, такие как digital YEWFLO имеют специальный инструмент для индивидуальной калибровки в диапазоне 5000<Re<20000, чтобы измерять с хорошей точностью и здесь. Также следует отметить, что в реальности число Струхаля не строго постоянно с изменением Re. Естественно, оно меняется в определенных границах, ширина которых зависит от геометрии тела обтекания. Соответственно, этой геометрией и определяется точность, которую можно достичь конкретным расходомером.
Рис. 2.28. Принципиальная схема расходомера
Метран – 335
При том, что все вихревые расходомеры используют в своей основе одно и то же физическое явление, расходомеры разных производителей имеют отличающиеся как технические характеристики, так и надежность и требования по установке. В основе этих отличий лежат в первую очередь разные принципы детектирования вихрей. Наиболее популярные из них: манометрический (Метран – 335, рис.2.28; FOXBORO) и термальный (YOKOGAWA).
Изменяющееся давление, приложенное к телу обтекания, измеряется встроенным датчиком давления. Датчики давления имеют непосредственный контакт с технологической средой, что увеличивает вероятность его выхода из строя.
Термальный преобразователь (рис.2.29) имеет встроенный термодатчик. Давление, приложенного к телу обтекания, отводится через сквозной канал, проходящий от одной грани тела обтекания к другой. В результате генерируются колебания среды внутри этого канала. Термодатчик используется для измерений колебаний среды.
Рис. 2.29. Устройство термального детектирования вихрей
. В вариантах конструкции датчик расположен внутри тела обтекания для измерений изменения скорости благодаря образованию вихрей. Этот принцип измерений имеет два существенных недостатка: с одной стороны, канал может засоряться, с другой стороны – полости внутри вихреобразователя не позволяют применить достаточно твердый материал и сами по себе ослабляют вихреобразователь. Это может приводить к частым поломкам вихреобразователей при гидроударах, газовых или жидкостных пробках.
Осциллирующий диск. Образование вихрей вызывает возникновение переменного давления, приложенного с той же частотой к телу обтекания. Давление передается через канал внутри завихрителя к чувствительному диску или диафрагме. Таким образом, диск осциллирует частотой изменения локального давления. Осцилляции диска измеряются магнитным датчиком положения, расположенным непосредственно вблизи диска. Недостатком данного метода является возможность закупоривания канала, а также возможность выхода из строя как диска, так и магнитного датчика.
Электромагнитный (ВЭПС). В электромагнитных вихревых расходомерах детектирование вихрей осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции: жидкость, движущаяся в постоянном магнитном поле, создает ЭДС, частота которой прямо пропорциональна частоте вихреобразования. Недостатками данного метода является возможность измерения расхода только жидкостей, подверженность электродов загрязнению магнитными примесями, чувствительность к электромагнитным помехам.
Вихреакустический. Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока. Частота образования вихрей пропорциональна объемному расходу (Метран – 300 ПР).
Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока (рис.2.30). В корпусе проточной части расположены тело обтекания - призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели ПИ 2, пьезоприемники ПП 3 и термодатчик 7. Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6, собранные на двух печатных платах: приемника и цифровой обработки.
Рис. 2.30. Устройство вихреакустического преобразователя расхода
На плате цифровой обработки расположены два светодиода - зеленый и красный, выполняющие функцию индикаторов состояния преобразователя. Зеленый светодиод сигнализирует о нормальной работе преобразователя, причем частота мигания соответствует частоте следования импульсов выходного сигнала преобразователя.
Красный светодиод загорается при расходе меньшем 0,8Qmin, либо хаотичном характере процесса вихреобразования, в частности, при попадании посторонних предметов на тело обтекания и т.п.
Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого 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 стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП.
В зависимости от типа преобразователь имеет два конструктивных исполнения:
однолучевой преобразователь - одна пара ПИ-ПП (Ду 25-200 мм);
двухлучевой преобразователь - две пары ПИ-ПП (Ду 250; 300 мм).
На ПИ от генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор.
На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с ПП и опорного генератора - для однолучевого преобразователя, или разность фаз между ПП первой и второй пары - для двухлучевого преобразователя.
На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональности скорости потока является мерой расхода.
Для фильтрации случайных составляющих сигнал с фазового детектора подается на микропроцессорный адаптивный фильтр и затем в блок формирования выходных сигналов. Для повышения достоверности показаний при обработке сигнала вычисляется дисперсия периода колебаний вихрей.
Для увеличения динамического диапазона преобразователя за счет измерения малых расходов, где характеристика преобразователя нелинейна и зависит от температуры теплоносителя, в проточную часть установлен термодатчик. Сигнал от него автоматически вводится в программу вычисления расхода в области малых значений.
Таким образом, в результате преобразований и программной обработки модуль формирует импульсный выходной сигнал.
Рис. 2.31. Измерительный преобразователь вихреакустического расходомера серии Метран-300: 1 – проточная часть; 2 – тело обтекания; 3 – электронный блок; 4 – трубчатый кронштейн; 5 – клеммная колодка; 6 – два светодиода; 7 – перемычка; 8, 9 – розетки вывода кабеля для аналогового токового сигнала и(или) цифрового); 10 – контргайка
Перемычка служит для настройки вида выходного сигнала измерительного преобразователя: при замыкании клемм «0» и «4» имеют импульсный выходной сигнал типа «замкнуто-разомкнуто» (оптопара); при отсутствии перемычки – токоимпульсный.
Технические и метрологические характеристики: измеряемая среда – вода питьевая, теплофикационная, техническая, речная и водные растворы, кроме абразивных, с вязкостью до 2*106м2/с (2сСт); диапазон температур измеряемой среды 1...150 °С; избыточное давление измеряемой среды в трубопроводе до 1,6 МПа; диаметр условного прохода Dy трубопровода 25...300 мм; пределы измерений 0,18...2000 м3/ч; динамический диапазон 1:100; предел относительной погрешности измерений объема V = ±1,0%; межповерочный интервал - 4 года.
Номинальная статическая характеристика (НСХ) преобразователя линейна
V = N•c,
где V – объем измеряемой среды, прошедшей через преобразователь, м3; N – количество импульсов, поступивших на импульсный выход, имп; с – цена импульса, м3/с.
Выходные сигналы:
токоимпульсный (ТИ);
импульсный типа "замкнуто"/"разомкнуто" -оптопара (ОП);
унифицированный токовый 0-5, 0-20, 4-20 мА ;
цифровой интерфейс на основе RS-485, HART;
ЖК-индикатор для отображения значений расхода, накопленного объема, времени наработки, кода самодиагностики.
Температурная коррекция расходной характеристики в области малых значений расхода: питание от источника постоянного тока стабилизированным напряжением от 16 до 36 В (внесен в госреестр средств измерений под №16098-02, сертификат №12877).
Основные преимущества:
наличие беспроливной методики поверки;
поверка на месте без демонтажа с помощью имитатора расхода "Метран-550ИР";
высокая надежность, стабильность в течение длительного времени;
отсутствие в проточной части подвижных элементов;
надежная работа при наличии вибрации трубопровода, изменений температуры и давления рабочей среды;
малые длины прямых участков трубопроводов в месте установки преобразователя;
самодиагностика.
По способу монтажа преобразователи Ду 25-200 мм имеют два типа исполнения:
А – патрубки отсутствуют, функцию патрубков обеспечивают конические переходы, выполненные в проточной части корпуса;
В – установка измерительного преобразователя на трубопроводе производится с помощью патрубков (конфузор-диффузор), обеспечивающих сопряжение проточной части с трубопроводом, и фланцев. Геометрическая форма патрубков на входе и выходе проточной части обеспечивает сохранение метрологических характеристик и снижает требования к длине прямых участков трубопроводов до и после места установки прибора.
Для увеличения срока службы преобразователя и сведения к минимуму образования отложений в проточной части, проточная часть изготовлена из нержавеющей стали и обработана по высокому классу чистоты поверхности.
Для проведения периодической поверки по беспроливной методике тело обтекания сделано легкосъемным.
Электронный блок размещен в отдельном корпусе, соединенном с проточной частью трубчатым кронштейном, и состоит из платы приемника и платы цифровой обработки, установленных на клеммной колодке. На клеммную колодку с платы цифровой обработки сигналов выведены два светодиода. Соединение плат электроники с пьезоэлементами осуществляется проводами, проходящими внутри трубчатого кронштейна.
На боковой стороне корпуса располагаются вилка, служащая для соединения преобразователя со вторичными приборами и источником питания. Корпус закрыт крышками, уплотнение которых производится резиновыми прокладками, что обеспечивает герметичность корпуса.
В конструкции электронного блока с заказываемыми опциями аналогового выходного сигнала, цифрового интерфейса на основе стандарта RS485 и модуля индикации добавляются три платы, а одна из крышек корпуса имеет увеличенный размер и прозрачную (стекло) торцевую поверхность для визуализации показаний ЖК-индикатора.
На индикаторе одновременно отображаются: время наработки прибора (ч), объемный расход (м3/ч), накопленный объем (м3), код самодиагностики.
Фирма YOKOGAWA вот уже более 30 лет применяет в своих вихревых расходомерах метод изгибных напряжений (серия YEWFLO). Суть этого принципа заключается в том, что формирование вихрей на теле обтекания приводит к возникновению переменного давления, приложенного к телу обтекания, что приводит к возникновению переменной силы, которая приводит к возникновению малых изгибных напряжений в теле обтекания с той же самой частотой, что и частота образования вихрей. Эти изгибные напряжения регистрируются пьезодатчиками, расположенными в теле обтекания. Изгибающая сила, возникающая в момент срыва, регистрируется пьезодатчиками, расположенными внутри него (рис. 2.32).