2.2.5 Інші методи

2.2.5.1 Вихрові витратоміри

Загальна характеристика

Вихровими називаються витратоміри, засновані на вимірі частоти коливань, що виникають у потоці в процесі вихроутворення.

Вихрові витратоміри є новими приладами. Перші їхні конструкції з'явилися лише в шістдесятих роках: у нас, у США і Японії. Великий внесок у розробку вихрових витратомірів внесений Перелиптейном. З його особистою участю створено ряд зразків розглянутих приладів для діаметрів труб 25, 40, 50, 80, 100 і 150 мм. Крім того, розроблений вихровий витратомір на діаметр труби 50 мм, що вимірює масову витрату в межах 10  30 т/год.

Істотною перевагою вихрових витратомірів є відсутність рухливих елементів усередині трубопроводу. Для сприйняття коливань потоку, що виникають у вихровому перетворювачі, у трубопроводі розміщають або перетворювачі тиску (звичайно п'єзоелектричного типу), або термоперетворювачі (термоанемометричного типу). Застосування останніх можливе тому, що пульсації тиску зв'язані з пульсаціями швидкості, вимір яких зручно робити за допомогою термоанемометрів. Термоперетворювачі застосовуються переважно при вимірі витрати газу. Крім того, можливі застосування й інші методи для виміру частоти коливань, що виникають у потоці.

До числа інших переваг вихрових витратомірів варто віднести досить високу точність, оцінювану похибкою в 0,5  2 % від границішкали, і лінійність останньої у великому діапазоні виміру.

Залежно від способу організації вихроутворення застосовуються два істотно відмінних типи перетворювачів витрати.

У першому з них вихори періодично виникають при обтіканні потоком якого-небудь тіла й утворюють при цьому пульсації тиску.

У другому типі перетворювачів потік закручується тим або іншим способом, здобуває обертально-поступальний рух, при якому при виході потоку зі звуженої частини труби в розширену його вісь починає зміщуватись і створює при цьому пульсації тиску. Останній тип перетворювачів має деякі метрологічні переваги, але пов'язаний з підвищеною втратою тиску, близько 0,1 МПа (1 кгс/см²) при максимальній витраті. Запропоновані також і інші типи вихрових перетворювачів витрати.

Для дослідження й аналізу роботи вихрових витратомірів доцільно залучення безрозмірних критеріїв Струхала Sh і Рейнольдса Re. Перший з них характеризує періодичні процеси, пов'язані з рухом рідини або газу, другий  гідродинамічні властивості потоку.

Виникнення критерію Струхала було пов'язано з вивченням пульсацій, що виникають у результаті періодичного утворення і зриву вихорів при обтіканні потоком повітря нерухомого циліндра (струни)

,                                                                                                            (2.63)

де f — частота пульсацій; v — швидкість потоку; d — характерний розмір, наприклад діаметр циліндра.

З цього вираження випливає, що при сталості числа Sh частота f зриву вихорів пропорційна швидкості v. Отже, для лінійності шкали вихрового витратоміра треба, щоб число Sh залишалося постійним у можливо більшому діапазоні витрат або чисел Re.

Іноді для дослідження вихрових витратомірів залучають число Россбі Ro, що є відношенням осьової і тангенціальної складових швидкості

                                                                                                   (2.64)

де ω — кутова швидкість потоку.

Між числами Sh і Ro мається залежність

                                                                                                     (2.65)

з якої випливає, що число Sh залишається постійним, якщо зберігається сталість числа Ro і пропорційність між частотою f коливань і кутовою швидкістю ω.

Дуже істотним у вихрових витратомірах є боротьба з акустичними і вібраційними завадами. Причини цих завад різноманітні. До їх числа відносять пульсації, створювані насосами або компресорами, пульсації, що виникають у результаті вібрації трубопроводів, акустичні коливання, створювані завихрюючим апаратом, а також різними місцевими опорами і, нарешті, акустичні «шуми» навколишнього середовища. Якщо частоти шкідливих пульсацій не збігаються з частотами корисного сигналу, то з ними можна боротися за допомогою звичайних електричних фільтрів. Трудніше виключити вплив пульсацій, частоти яких збігаються з частотами корисного сигналу.

Найбільш радикальним прийомом боротьби з пульсаційними завадами є застосування принаймні двох перетворювачів корисних сигналів, включених зустрічно і встановлених у таких місцях, де пульсації корисного сигналу знаходяться в протифазі, а пульсаційні завади у фазі. У цьому випадку завади значною мірою виключаються, а корисні сигнали підсилюються. Цей прийом широко застосовується у вихрових витратомірах, у яких установлюються два п'єзоелектричних перетворювачі тиску на протилежних кінцях будь-якого діаметра в розширеній частині труби, де внаслідок прецесії ядра вихрячи корисні сигнали знаходяться в протифазі.

Термоперетворювачі менш чутливі до різних шкідливих завад у порівнянні з перетворювачами тиску. Вібрації на них не впливають. Зрозуміло, що для вихрових витратомірів придатні тільки досить малоінерційні термоперетворювачі, якими, наприклад, є термоанемометри з постійною температурою нагрівання.

Будова вихрових витратомірів

На рисунку 2.18 показана схема вихрового перетворювача витратоміра типу ВР-1, розробленого в СКБ Нафтохімприлад. Газ через патрубок 1 входить тангенціально в камеру 2, у якій закручується, і виходить через патрубок 3 у зону розширення 6, у якій завдяки прецесії ядра вихорів створюються пульсації тиску, сприймані п'єзоелектричними перетворювачами тиску 7. Виходить газ через камеру 5 і патрубок 4. Прилад розрахований для виміру витрат газу від 2 до 6м^з/год. Нелінійність градуювальних характеристик ±3 %. Недоліком перетворювача ВР-1 є відсутність пристроїв для пригнічення акустичних завад. Правда, камера 5 створює заваду для проникнення акустичних завад з боку патрубка 4. Але вібраційні завади цим не усуваються, тому в умовах вібрації застосовувати розглянутий прилад не варто.

Рисунок 2.18  Схема перетворювача вихрового витратоміра ВР-1

 

Досить оригінальний пневматичний спосіб виміру частоти зриву вихорів застосований в одному японському витратомірі, де обтічним тілом є циліндр. У середині циліндра зроблено наскрізне виточення, а по всій осі циліндра просвердлені два отвори. Повітря, подане від стороннього джерела, надходить через один з цих отворів і іде через інший. При кожнім зриві вихорів виникає поперечний рух вимірюваного газу через виточення. Це відхиляє струмінь повітря, що не попадає у вихідний отвір, і тиск в останньому, що реєструється осцилографом у цей момент, падає.

Рисунок 2.19  Схема вихрового перетворювача витрати фірми „Фішер-Портер”

В іншому японському витратомірі з циліндричним обтічним тілом у наскрізному свердлінні, перпендикулярному до осі потоку, міститься платинова нитка, що нагрівається, опір якої міняється від 60 до 180 кОм. В одному варіанті витратоміра фірми "Истич" із трикутним обтічним тілом в останньому просвердлений отвір, перпендикулярний до осі потоку, і в ньому поміщений термістор, що нагрівається, реагуючий на рух газу при кожнім зриві вихорів.

Усі розглянуті схеми витратомірів служать для виміру об'ємної витрати. Для цього треба вимірювати, наприклад, перепад тиску по обидва боки завихрювача або перепад тиску в перерізі обертового потоку. Можна також вимірювати динамічний напір потоку або, якщо мається відповідний прилад, безпосередньо густину середовища. Потім за допомогою нескладної обчислювальної схеми може бути отримана масова витрата.