9.4.5. Вихревые расходомеры
В вихревых расходомерах используется гидродинамическое явление – образование вихрей при обтекании жидкостью препятствия. Если в поток помещено препятствие (плохообтекаемое тело), отдельные слои жидкости отрываются от тела и свертываются в вихри (рис. 9.11), образуя зоны низкого давления за препятствием. Подобную картину «срывающих» вихрей можно наблюдать на порожистой реке при обтекании потоком камней или у флага, колеблющегося на ветру. Частота следования вихрей прямо пропорциональна скорости потока. Если в качестве препятствия используется поперечно расположенный цилиндр (рис. 9.11, а), то зависимость между частотой образования вихрей и скоростью потока имеет вид
, (9.21)
где k – коэффициент, который в относительно широком диапазоне его значений не зависит от числа Рейнольдса; d – диаметр цилиндра.
При образовании вихря у одной стороны плохообтекаемого тела скорость потока увеличивается, а давление падает, а у противоположной стороны скорость падает, а давление возрастает. Это создает перепад давлений, который меняет свой знак при создании вихря у противоположной стороны тела. При этом перераспределение давлений и скоростей вокруг тела происходит с частотой образования вихрей, которая пропорциональна расходу. Для определения частоты образований вихрей можно использовать датчик давления или нагреваемый током терморезистор (рис. 9.11, б), частота изменения, сопротивления которого является информативным параметром, пропорциональным измеряемому расходу.
а б
Рис. 9.11. Схема образования вихрей: а – обтекание цилиндрического тела; б – определение частоты вихрей с помощью терморезистора
Гидродинамические частотные расходомеры отличаются высокими метрологическими характеристиками. Так, например, вихревые расходомеры обеспечивают измерения расхода жидких и газообразных сред, находящихся при давлении до 10 МПа и температурах от минус 40 до плюс 230 °С, с погрешностью 0,25 %.
Для определения частоты образования вихрей используются также ультразвуковые преобразователи. Под воздействием вихрей происходит модуляция ультразвуковых колебаний, частота которых равна частоте вихрей.
Большим достоинством является то, что поверка вихревых расходомеров производится беспроливным методом на месте установки. Из проточной части извлекается тело обтекания и производится измерение его характерного профиля.
9.4.6. Вихреакустические расходомеры
Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока.
9.12. Схема проточной части расходомера «Метран 300 пр»
Преобразователь «Метран 300 ПР» состоит из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены: тело обтекания – призма трапецеидальной формы 1, пьезоизлучатели ПИ1 и ПИ2 – 2, пьезоприемники ПП1 и ПП2 – 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.
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 две пары стаканчиков, в которых собраны ультразвуковые пьезоизлучатели ПИ1, ПИ2 и пьезоприемники ПП1, ПП2. На ПИ1 и ПИ2 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 ПП1 и ПП2 ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор.
Две пары пьезоэлементов «излучатель – приемник» обеспечивают компенсацию влияния паразитных факторов (вибрация трубопровода, пульсация давления), возникающих в проточной части.
Для увеличения динамического диапазона преобразователя за счет измерения малых расходов, где характеристика преобразователя нелинейная и зависит от температуры теплоносителя, в проточную часть установлен термодатчик. Сигнал от него автоматически вводится в программу вычисления расхода в области малых его значений.
На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с приемников первой и второй пары. 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.
Таким образом, в результате преобразований и программной обработки модуль формирует импульсный выходной сигнал.
Проточная часть преобразователя расхода представляет собой полый цилиндр специальной конструкции, в котором установлены тело обтекания, термодатчик и вварены стаканчики с пьезоэлементами. Установка преобразователя на трубопроводе производится с помощью патрубков 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 преобразователя.
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.
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 RS-485 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 отображаются: время наработки прибора (ч), объемный расход (м3/ч), накопленный объем (м3), код самодиагностики. Указанные величины выводятся попеременно с периодом 20 с.
Выходные сигналы преобразователя:
токоимпульсный;
импульсный типа «замкнуто/разомкнуто» – оптопара;
унифицированный токовый 0–5, 4–20 мА;
цифровой интерфейс на основе RS-485;
ЖК-индикатор для отображения значений расхода, накопленного объема, времени наработки, кода самодиагностики.
Параметры выходных сигналов:
ток нагрузки токоимпульсного выходного сигнала от 7 до 10 мА;
сопротивление нагрузки токоимпульсного выходного сигнала от 0 Ом до 1,8 кОм (при напряжении питания 36 В);
для выходного сигнала типа «замкнуто/разомкнуто» напряжение коммутации не более 30 В и допустимый ток коммутации не более 32 мА;
для унифицированного токового сигнала 0–5 мА – сопротивление нагрузки до 2,5 кОм; для сигнала 4–20 мА – до 1 кОм.
Номинальный расход Qном, определенный при избыточном давлении в трубопроводе 0,1 МПа (1 кгс/см2), является условной величиной и используется для характеристики некоторых параметров преобразователя.
При расходе менее 0,8Qмин происходит выключение электронного блока преобразователя расхода. Погрешность составляет 1 %.
Таким образом, вихревой метод имеет достоинства:
широкий диапазон (Д = 50:1) и более;
беспроливной метод поверки;
недостатки:
увеличивается сопротивление магистрали;
нужен прямолинейный участок (десятки Ду до и после участка).