Вихревые расходомеры

Принцип действия

Концепция работы вихревого расходомера построена на формировании вихревой дорожки (дорожки Кармана) за плохообтекаемым цилиндрическим телом, погруженным в движущийся поток газа или жидкости. В таких вихрях образуются зоны повышенного и пониженного давления. Эта разница улавливается чувствительным элементом и отражается в виде выходного электронного сигнала. Периодичность прохождения вихревых потоков, а значит, и периодичность сигнала, находится в пропорциональной зависимости от объемного расхода измеряемой среды, поперечного сечения трубопровода и геометрии обтекаемого предмета. Взаимосвязь между свойствами среды и геометрическими параметрами проточного участка трубопровода выражается числом Струхаля (Sh), показывающим соотношение сил инерции, вызванных локальными ускорениями.

Формирование вихрей происходит при определенных скоростях потока. При низких скоростях рабочая среда перемещается слоями без перемешиваний, пульсаций и завихрений (ламинарное течение). Свойства движущейся струи определяет безразмерная величина – число Рейнольдса (Re), которое характеризует соотношение сил инерции и сил вязкого трения в жидкости и газе. В круглых гладких трубах течение считается ламинарным при Re<2300. При 2300

Опытным путем доказано, что если Re˃20000, то турбулентность приобретает устойчивый характер, а число Струхаля (Sh) остается почти стабильным. В этих условиях периодичность вихрей пропорциональна скорости потока, а коэффициент преобразования остается неизменным вне зависимости от плотности и вязкости измеряемой субстанции. Именно на этом эффекте и построена работа вихревых расходомеров.

Конструкция вихревого счетчика-расходомера

В состав прибора входят следующие основные компоненты:

• проточный участок;
• узел обработки сигналов;
• микропроцессорный вычислитель.

На входе в проточную часть крепится предмет обтекания. Там же установлены первоначальные преобразователи – датчики температуры, избыточного давления и два пьезометрических сенсора. Температурный датчик в виде термического преобразователя сопротивления встроен в тело обтекания и имеет тепловую связь с измеряемой средой. Сенсор избыточного давления ставится перед обтекаемым телом. Пьезодатчики находятся сзади по направлению движения потока – они преобразовывают пульсацию давления в электронный сигнал.

Поступающие от датчиков импульсы попадают в узел обработки, в котором аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, после чего подвергаются фильтрации и спектральному анализу. На базе полученных сведений определяются главные характеристики потока – объемный расход и скорость, а также дополнительные показатели – расход в массовом выражении, температура, давление, плотность. Затем информация передается на вычислительный блок, где она получает временные метки и архивируется. Усредненные архивные данные наряду с текущими значениями расхода, давления и температуры обрабатываются специальной программой с использованием цифрового интерфейса связи, интерфейса токовой петли и импульсного выхода. Датчики на распределительной сети часто объединяют в автоматическую систему для получения оперативной информации о потребляемых энергетических ресурсах разными производственными структурами, сведения баланса, включения аварийной сигнализации.

Сфера использования вихревых расходомеров

Данный тип приборов применим для измерения расхода и иных характеристик рабочей среды: воды, пара, сжатого воздуха, промышленного (включая природного) газа и их смеси. Далее рассматриваются три распространенные среды, измеряемые при помощи расходомеров вихревого типа.

Перегретые и насыщенные пары

К особенностям данной среды относятся, в первую очередь, экстремальные показатели давления и температуры. Наряду с паром по паропроводу передвигаются различные примеси в виде продуктов коррозии, накипи и т.п., а также конденсат. В таких суровых условиях могут работать далеко не все измерительные приборы, а вихревые расходомеры – могут, причем с относительно небольшой погрешностью при широком диапазоне измерений. Их можно эксплуатировать при давлении пара до 20 мПа, температуре до 400 °C и скорости в интервале 2-60 м/с. За счет длительного межповерочного интервала достигается экономия на техобслуживание и ремонт.

Сжатый воздух

С помощью узлов измерения расхода сжатого воздуха параллельно производится оценка потребления энергии технологической линией или отдельной установкой. Струя сжатого воздуха, как правило, содержит посторонние примеси в виде твердых частиц или жидких фракций (влаги, масел и др.). Небольшая требовательность вихревых расходомеров к состоянию рабочей среды позволяет использовать их без предварительной очистки рабочей среды, что во многих случаях избавляет от необходимости устраивать очистительные системы в виде фильтров, осушителей, уловителей пыли и т.д. Как итог – экономия средств на внедрение, эксплуатацию и обслуживание узла учета.

Промышленные газы

Конструктивные особенности вихревых приборов учета, особенно отсутствие подвижных частей, позволяют использовать эти приборы для работы с разнообразными технологическими газами, в том числе взрывоопасными: кислородом, водородом, сероводородом, метаном. Этот факт подтверждается соответствующим уровнем взрывозащищенности – 1ExibIIC.

Использование расходомеров вихревого типа для измерения объемного расхода природного газа объясняется рядом преимуществ этих приборов учета по сравнению с другими средствами измерений. К сильным сторонам вихревых расходомеров относятся способность работать при больших делениях и температурах при относительно небольшой погрешности (не более 1%), возможность проведения поверки без снятия с газопровода. Проблема повышенной чувствительности к вибрационным нагрузкам нивелируется посредством цифровой обработки сигналов, поступающих от первичных датчиков, изменения конфигурации обтекаемого тела, применения спектрального анализа. Эти преимущества в совокупности с большой надежностью дают возможность монтировать узлы учета с минимальными затратами, а в дальнейшем сокращать эксплуатационные расходы.

Преимущества вихревых расходомеров

К достоинствам приборов данного типа относятся:

• универсальность – способность работать практически со всеми жидкостями и газами;
• достаточная точность и широта динамического диапазона измерений;
• низкая чувствительность к загрязненности и агрессивности рабочей среды благодаря отсутствию перемещающихся элементов;
• устойчивость к перепадам давления и температуры, гидравлическим и термическим ударам.

Перечисленные преимущества обусловливают широкое применение вихревых расходомеров на насосных станциях, станциях коммерческого учета пара, промышленных предприятиях, на которых требуется строгий учет технологических жидкостей и газов.