Вихревые и вихреакустические расходомеры

Принцип действия этих расходомеров основан на явлении, носящим название «эффект Ван Кармана», согласно которому при обтекании непод- вижного твердого тела потоком жидкости за телом образуется вихревая

дорожка, состоящая из вихрей, поочередно срывающихся с противополож-

ных сторон тела. На рис.4.26 показано обтекание цилиндра потоком и об-

разование вихрей.

Частота образования вихрей за телом пропор- циональна скорости потока. Детектирование вихрей и определение частоты их об- разования позволяет опре-

Рис.4.26. Образование вихрей

делить скорость и объем-

ный расход среды.

В зависимости от способа детектирования частоты вихрей различают вихревые и вихреакустические расходомеры.

В вихревых расходомерах определение частоты вихреобразования производится при помощи двух пьезодатчиков, фиксирующих пульсации давления в зоне вихреобразования ("съем сигнала по пульсациям давле-

ния").

Конструктивно датчик представляет собой моноблок, состоящий из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной час- ти датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, из- быточного давления и температуры (рис.4.27).

Электронный блок представляет собой плату цифровой обработки сигналов первичных преобразователей, заключенную в корпус. На входе в проточную часть датчика установлено тело обтекания 1.

За телом обтекания, по направлению потока газа, симметрично рас- положены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2. При протекании потока газа (пара) через проточную часть датчика за те- лом обтекания образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а, следо- вательно, и расходу. В свою очередь, вихреобразование приводит к появ- лению за телом обтекания пульсаций давления среды. Частота пульсаций давления идентична частоте вихреобразования и, в данном случае, служит мерой расхода. Пульсации давления воспринимаются пьезоэлектрически- ми преобразователями, сигналы с которых в форме электрических колеба- ний поступают на плату цифровой обработки, где происходит вычисление объемного расхода и объема газа при рабочих условиях и формирование выходных сигналов по данным параметрам в виде цифрового кода.

 

Рис.4.27. Вихревой расходомер:

1 – тело обтекания; 2 – преобразователь пульсаций давления; 3 – преобра-

зователь избыточного давления; 4 – термопреобразователь; 5 – отверстия;

6 – плата цифровой обработки; 7 – вычислитель.

 

Преобразователь избыточного давления 3 тензорезистивного прин- ципа действия размещен перед телом обтекания вблизи места его крепле- ния. Он осуществляет преобразование значения избыточного давления по- тока в трубопроводе в электрический сигнал, который с выхода мостовой схемы преобразователя поступает на плату цифровой обработки. Термо- преобразователь сопротивления платиновый (ТСП) 4 размещен внутри те- ла обтекания. Для обеспечения непосредственного контакта ТСП со средой в теле обтекания выполнены отверстия 5. Электрический сигнал термопре- образователя также подвергается цифровой обработке.

Плата цифровой обработки 6, содержащая два микропроцессора, производит обработку сигналов преобразователей пульсаций давления, избыточного давления и температуры, в ходе которой обеспечивается фильтрация паразитных составляющих, обусловленных влиянием вибрации, флуктуаций давления и температуры потока, и происходит формирование выходных сигналов многопараметрического датчика по расходу, объему при рабочих условиях, давлению и температуре в виде цифрового кода. Выходные сигналы передаются на вычислитель 7.

В вихреакустических расходомерах (рис.4.28) в качестве тела обтекания применяется призма трапецеидального сечения, а детектирование вихрей производится с помощью ультразвуковых преобра- зователей.

Расходомер состоит из проточной части и электронного блока. В

корпусе проточной части расположены тело обтекания – призма трапецеи-

дальной формы 1, пьезоизлучатели (ПИ) 2, пьезоприемники (ПП) 3 и тер-

модатчик 7.

Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5,

микропроцессорный фильтр с блоком формирования выходных сигналов

6. Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая до- рожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропор- циональна расходу.

 

Рис.4.28. Вихреакустический расходомер:

1 – тело обтекания; 2 – пьезоизлучатель; 3 – пьезоприемник; 4 –

генератор; 5 – фазовый детектор; 6 – микропроцессорный блок;

7 – термодатчик

 

 

За телом обтекания в корпусе проточной части расположены диа- метрально противоположно друг другу стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП. На ПИ от гене- ратора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультра- звуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаи- модействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор. На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с ПП и опорного генератора. На выходе фазового детектора об- разуется напряжение, которое по частоте и амплитуде соответствует ин- тенсивности и частоте следования вихрей, которая в силу пропорциональ- ности скорости потока является мерой расхода.

Вихреакустические расходомеры применяются в чистых жидкостях с низкой вязкостью без завихрений, которые движутся со средней или высо-

кой скоростью. В потоке не должно быть завихрений, поскольку они могут повлиять на точность измерений. Любая эрозия, коррозия или отложения, которые могут изменить форму плохо обтекаемого тела могут повлиять на калибровку расходомера, и поэтому идеальные условия предусматривают чистые жидкости.