Вихревые расходомеры

Принцип действия вихревых расходомеров основывается на явлении вихревого следа, известного как эффект Кáрмана [3]. Когда жидкость обтекает тело, поток разделяется и образует завихрения, которые, срываясь, уносятся потоком (рис. 11). Возникновение вихрей происходит попеременно позади вдоль каждой стороны тела обтекания.

Формирование вихрей (высокая скорость, низкое давление)

Тело обтекания

Рис 11. Схема вихревого расходомера

Эти вихри являются причиной возникновения зон флуктуации (пульсации) давления, которые улавливаются чувствительным элементом. Частота генерации вихрей, а следовательно и пульсаций давления, прямо пропорциональна скорости жидкости [3].

Выходной сигнал вихревого расходомера зависит от К-фактора. К-фактор – отношение частоты генерируемых вихрей к скорости жидкости:

V=ω/K,

где V–скорость жидкости, ω-частота образования вихрей, К–К-фактор.

К-фактор изменяется с числом Рейнольдса, но он фактически постоянен в широком диапазоне. Вихревые расходомеры обеспечивают высокую точность расходов, когда работают внутри этого линейного участка [3].

Вихревой принцип хорош тем, что он позволяет измерять расход жидкости, газа, пара. Однако имеется ограничение для жидкостей. Их вязкость должна быть не более 2сСт.

Известны различные конструкции вихревых приборов, различающихся принципом съёма сигнала. Это расходомеры со съёмом сигнала по пульсациям давления за телом обтекания, по изгибным напряжениям тела обтекания или специального элемента, с электромагнитным съёмом сигнала, с термоанемометрическим принципом съёма сигнала, а также с акустическим [3].

Акустические (ультразвуковые) расходомеры

Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении того или иного эффекта, возникающего при проходе колебаний через поток жидкости или газа и зависящего от расхода. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот (выше 20000Гц – т.е. за пределами слышимости человеком) и поэтому называются ультразвуковыми.

Большинство промышленных ультразвуковых расходомеров используют эффекты, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой. Они служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток среды (жидкости или газа), связаны со скоростью перемещения среды. На рис. 12 показаны первичные преобразователи (A и B) ультразвуковых расходомеров, направление распространения акустических волн показано пунктиром.

Рис.12 Схема ультразвукового расходомера.

В таких расходомерах применяют два метода – фазовый и частотный. Первый основан на измерении разности фаз двух ультразвуковых колебаний, направленных по потоку и против него. Сигнал, излучаемый датчиком А доходит до датчика В быстрее чем в обратном направлении, так как в первом случае поток увеличивает его скорость, тогда как во втором случае – уменьшает. Следовательно время прохождения сигнала от А к В (₁) меньше чем от В к А (₂). Разность времён является разностью фаз двух ультразвуковых колебаний и пропорциональна скорости потока v и расходу Q.

где L – расстояние между акустическими преобразователями; а – скорость распространения звука в данной неподвижной среде.

В частотных расходомерах используется зависимость запаздывания ультразвуковых импульсов (или пакетов импульсов) посланных по потоку и против него от расхода.