Что такое вихревой расходомер?! Характеристики. Виды. Принцип действия.

Тема нашей статьи «Вихревой расходомер» выбрана неслучайно. По популярности (согласно статистике запросов Яндекс) этот вид расходомеров находится на третьем месте среди других видов расходомеров, которых уже сейчас насчитывается более двадцати. Это отличный показатель востребованности вихревых расходомеров на Российском рынке. Пользователи и специалисты отмечают высокую точность показаний при достаточно сильных потоках, надежность, простоту эксплуатации. Но давайте обо всём по порядку.

Вихревыми называют такие расходомеры, измерение расхода в которых происходит путем измерения частоты колебания давления. Такие колебания давления в потоке появляются в процессе образования вихрей или колебания струи, путем обтекания препятствия некоторой формы, которое устанавливается в трубопроводе, либо путём закручивания потока другими средствами.

Рисунок 1. Вихревой расходомер EMERSON

Впервые, вихревой расходомер появился в Америке, Советском союзе и Японии в начале 60-х гг XX века. Конечно, это были не такие современные приборы, какие можно увидеть в настоящее время, однако, именно в те года была заложена база, для развития приборостроения в этой отрасли. В современной России, первые модели вихревых расходомеров пара и газа, относятся к середине 90-х гг. XX века.

Вихревой расходомер, использующий метод, заключающийся в измерении перепадов давления на сужающем устройстве, является наиболее универсальным расходомером, поскольку подходит для вычисления скорости расхода любой жидкой или газообразной среды, за некоторым исключением, в трубах большого и малого диаметров в широком диапазоне температур и избыточного давления.

Так как же работает вихревой расходомер?!

Поток жидкости или газа пытается обогнуть тело, установленное в расходомере, в результате движения меняет направление обтекающих струй и увеличивает скорость, уменьшая при этом давление. После прохождения препятствия (тела) за миделевым сечением, происходит уменьшение скорости и увеличение давления. Таким образом, на передней части обтекаемого тела наблюдается повышенное давление, а на задней - пониженное давление. Пройдя миделевое сечение, пограничный слой потока отрывается от тела и под действием перепада давлений (из высокого в низкое), образуемого за телом, меняет направление своего движения, создавая завихрения. При этом, образование завихрений происходит поочередно с обеих сторон тела (рисунок 2).

Рисунок 2. Образование завихрений в вихревом расходомере.

Некоторые вихревые расходомеры, для усиления выходного сигнала используют несколько обтекаемых тел (чаще два), которые равноудалены друг от друга. Тела обтекания, при этом, могут иметь различную форму: круглую, квадратную, треугольную, трапециевидную (рисунок 3). Например, обтекаемое тело в виде прямоугольной призмы, устанавливаемое на некоторые приборы, может иметь специальные пьезоэлементы на боковых гранях, защищенные эластичными мембранами, и исключающие влияние шумовых помех.

Рисунок 3. Формы тела обтекания вихревых расходомеров.

В таких расходомерах может использоваться несколько вариантов преобразования колебаний вихревого потока в подлежащий обработке выходной сигнал. Как правило, для этих целей, применяется метод измерения периодического колебания давления либо измерение скорости струй с обеих сторон обтекаемого тела. В этом случае, чувствительным элементом преобразователя, будет являться один или несколько полупроводниковых термоанемометров. Для разных производителей вихревых расходомеров характерны такие типы преобразователей расхода, как: емкостный, индуктивный, ультразвуковой, струнный, интегрирующий и др.

Что касается зависимости формы тела обтекания от диаметра труб, то для расходомеров с треугольным, трапециевидным и квадратным типом тела обтекания используются трубы диаметром от 50 до 300 мм, погрешность измерения, при этом, составляет ±0,5-2 %. 

Для труб большого диаметра (300-350мм), использование вихревых уровнемеров затруднено, вследствие того, что частота срыва вихрей совпадает с частотой свободных колебаний тела. К тому же  эффективность вихреобразования при малых значениях относительного диаметра обтекаемого тела достаточно низка, а большие его значения неприемлемы из-за громоздкости получающейся конструкции и снижения частоты образования завихрений.

Среди всех разновидностей вихревых расходомеров для учета газовых и жидких сред, хотелось бы выделить следующие, как самые надежные, и не раз доказавшие свою эффективность:

-«ВЗЛЁТ-ВРС (ВРСГ)» - вихревой газовый расходомер-счетчик, который предназначается помимо измерения объема и расхода газа, ещё и для расчета массы и энергосодержания газа. Имеет взрывозащищенное исполнение.

Взлет-ВРС (ВРСГ)

- «ВРСГ-1» - вихревой расходомер с функцией счетчика газа, который предназначается для технологического и коммерческого учета инертного и горючего газа. В составе имеет обтекаемое тело цилиндрической формы и возможность работы с программой управления «Диспетчер-2».

ВРСГ-1

- «ДРК-В(М)» - вихревой корреляционный преобразователь расхода жидкости, которые предназначаются для измерения расхода жидкости по объему в коммунальных и промышленных системах водо- и теплоснабжения.

ДРК-В(М)

- «ИРВИС-РС4» - расходомер-счетчик газа вихревой, является комплектным, аттестованным узлом коммерческого учета газа между потребителями и поставщиками газа. Производится в нескольких модификациях для различных газовых сред.

ИРВИС-РС4

Вихревые расходомеры принято разделять по признаку, в зависимости от типа преобразователя:

1. Вихревые расходомеры с обтекаемым телом - это расходомеры, в которых первичным преобразователем расхода является неподвижное тело (рисунок 4). Именно о них мы говорили в самом начале. В таких расходомерах, после обтекания тела (тело обтекания), то с одной, то с другой стороны, по очереди, возникают завихрения, которые и создают пульсацию давления. Следует упомянуть о том, что перед любым вихревым расходомером с обтекаемым телом должен быть установлен прямой участок трубы.

Рисунок 4. Вихревой расходомер с обтекаемым телом. Где, 1 - трубопровод, 2- тело обтекания круглой формы, 3 - вихри.

2. Вихревые расходомеры с прецессией воронкообразного вихря - это расходомеры, поток в которых закручивается в первичном преобразователе, а попадая в широкую часть трубы, принимает воронкообразный вид и прецессирует - т.е. создает пульсации давления.  Здесь, для преобразования частоты пульсации в унифицированный измерительный сигнал используются полупроводниковые термоанемометры или пьезоэлементы. Данный тип вихревых расходомеров подразделяется на приборы с винтовым завихряющим устройством (рисунок 5) и с тангенциальным вводом в камеру (рисунок 6). Их различие состоит в том, что  в приборах с тангеницальным вводом в камеру, поток входит по касательной, и закручивается в ивде воронки

Рисунок 5. Схема первой ступени вихревых преобразователей с винтовым завихряющим устройством. Где, 1 - труба входящего потока, 2 - участок трубы с большим диаметром, 3 - патрубок, 4 - цилиндрическая камера с резьбой для закручивания потока

 

Рисунок 6. Схема первой ступени вихревых преобразователей с тангенциальным вводом в камеру. Где, 1 - труба входящего потока, 2 - участок трубы с большим диаметром, 3 - патрубок, 4 - цилиндрическая камера для закручивания потока

3. Вихревые расходомеры с осциллирующей струей - это расходомеры, где первичным преобразователем является струя. Пульсации давления, в данном случае, создаются при вытекании струи из отверстия путем её автоколебания, вызываемого специальной конструкции расходомера. Вихревые расходомеры с осциллирующей струей могут быть двух типов: релаксационный (рисунок 7) и с обратной гидравлической связью (рисунок 8). Приборы, имеющие преобразователь с обратной связью лучше, поскольку, такой преобразователь позволяет более строго обеспечить процесс осцилляции и имеет едва ли не линейную зависимость между расходом и частотой колебания. Такие расходомеры могут быть использованы с маленькими трубами, диаметром от 12 до 100 мм.

Рисунок 7. Релаксационный преобразователь вихревого расходомера с осциллирующей струей. Где 1-сопло, 2- диффузор,3- обводная трубка.

Рисунок 8. Преобразователь вихревого расходомера с колеблющейся струей с обратной гидравлической связью. Где, 1-дифузор 2- выходной парубок, 3- сопло 1, 4-сопло 2, 5-верхний отводной канал,6-нижний обводной канал.

Вообще, термин «вихревой расходомер», может быть применим только к приборам первых двух типов - т.е. расходомеров с обтекаемым телом и прецессией воронкообразного вихря.

Кстати, для измерения скорости расхода газообразных (реже, жидких сред), могут быть использованы вихревые расходомеры с качающимся элементом. Принцип их действия чем то схож с приборами с обтекаемым телом. Здесь, раскачивание обтекаемого тела при движении среды возникает благодаря случайным возмущениям потока, которые вызываются турбулентностью. Частота колебаний подвижного элемента, при этом, пропорциональна скорости потока.

Рисунок 9. Вихревой уровнемер с качающимся элементом.

Итак, вот мы и добрались до преимуществ и недостатков вихревых расходомеров. Начнем с преимуществ вихревых расходомеров:

- Надежность и простота в эксплуатации;

- Отсутствие движущихся частей;

- Высокая точность измерений;

- Большой диапазон измерения по давлению и температуре, диаметру трубы;

- Подходит практически для всех жидких и газообразных сред;

- Стабильность показаний;

- Нечувствительность к загрязнениям и отложениям.

 

Недостатки, у данного типа расходомеров, тоже присутствуют:

- Невозможность использования при малых скоростях потока;

- Значительная потеря давления (потери до 45 кПа);

- Невозможность использования с трубами диаметром выше 300 мм и сложность при использовании с трубами до 150 мм;

- Чувствительность к вибрационным, шумовым и звуковым помехам (от насосов, компрессоров и др.).

 

Вот, пожалуй, и всё, что мы хотели бы рассказать про вихревые расходомеры. Стоит, только напомнить о том, что сегодня, вихревые расходомеры могут быть применены для измерения объёмного расхода любых жидких и газообразных сред. При этом, приборы прекрасно справляются со своими обязанностями даже при температурах среды до 500^oC и давлении до 30Мпа. Это прекрасные универсальные, усредненные по всем своим параметрам расходомеры, подходящие практически для каждого промышленного предприятия.