Особенности вихревых расходомеров

Вихревой расходомер — разновидность расходомера, принцип действия которого основан на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.

Расходомеры (счётчики) количества вещества являются важными элементами систем учёта потребления энергоресурсов и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Наиболее универсальными и востребованными до настоящего времени являются расходомеры, в которых реализуется метод измерения перепада давления на сужающем устройстве. Этим методом можно измерять расход практически любых жидких и газообразных веществ, движущихся по трубам как малого, так и большого диаметра в широком интервале избыточных давлений и температур. Однако его недостатком является квадратичная зависимость перепада давления от расхода и, как следствие, небольшие динамические диапазоны измерений (1:3…1:5) и значительная погрешность, достигающая в нижней части диапазона 3-5%. В связи с этим для решения частных технических задач разработаны другие, более информативные методы измерения расхода (тахометрические, силовые, электромагнитные, ультразвуковые, оптические и др.), которых насчитывается уже более 20. При этом актуальной остается задача разработки и практической реализации такого метода, который мог бы конкурировать по универсальности с методом измерения перепада давления, но обеспечивал более высокую точность измерений в широком динамическом диапазоне.

В вихревых расходомерах для создания вихревого движения на пути движущего потока жидкости, газа или пара устанавливается тело обтекания, обычно в виде трапеции в сечении. Образовавшаяся за ним система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Частота вихрей f в первом приближении пропорциональна скорости потока v и зависит от безразмерного критерия Sh (число Струхаля) и ширины тела обтекания d:

f = Sh

  • v / d

Достоинством вихревых расходомеров является отсутствие каких-либо подвижны элементов внутри трубопровода, достаточно низкая нелинейность (<1,0 %) в широком диапазоне измерений (>1:10…1:40), частотный выходной сигнал, а также инвариантность метода относительно электрических свойств и агрегатного состояния движущейся среды.

Первые вихревые расходомеры жидкости появились в шестидесятых годах в США, Японии и СССР. Первые разработки вихревых расходомеров газа и пара в России относятся к 90-м годам прошлого века. Несмотря на довольно продолжительное время освоения этих приборов в измерительной технике, теория и практика вихревых расходомеров непрерывно развивается и совершенствуется. Идут поиски лучших схемных решений, более эффективных и технологичных конструкций первичных преобразователей расхода.

12 стр., 5649 слов

Средства измерения давления

... один измерительный преобразователь. Именно о средствах измерения давления пойдет речь в этом реферате. 1. История изобретения и развития жидкостного манометра Вопросы водоснабжения для человечества всегда ... при измерении разности давлений к ней подводится меньшее из давлений. Рабочая жидкость заливается в манометр до нулевой отметки. Под действием давления часть рабочей жидкости из широкого сосуда ...

Рис. 1. Принцип действия вихревого расходомера.

Основные достоинства вихревых расходомеров:

  • Простота и надежность преобразователя расхода;
  • Отсутствие подвижных частей;
  • Большой диапазон измерений;
  • Линейный измерительный сигнал;
  • Достаточно высокую точность измерения;
  • Стабильность показаний;
  • Независимость показаний от давления и температуры;
  • Сравнительная несложность измерительной схемы;
  • Возможность получений универсальной градуировки.

Основные недостатки вихревых расходомеров:

  • Невозможно использовать при малых скоростях потока;
  • Значительная потеря давления (может достигнуть 30-50 кПа);
  • Изготавливают для труб имеющих диаметр от 25 до 150-500 мм;
  • Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные пульсации (такие помехи создаются различными источниками: насосами, компрессорами, вибрирующими трубами и т.

д.).

2. Вихреакустические расходомеры

Работа расходомера вихреакустического принципа действия основано на измерении скорости потока измеряемой среды путем определения частоты образовывающихся за телом обтекания вихрей, которое устанавливается в проточной части преобразователя расхода. В определении частоты вихреобразования используется ультразвуковой метод, работающий на частоте 1 МГц, и называемый методом ультразвукового детектирования вихрей. Фактически тело обтекания устанавливается на входе расходомера, в проточной части. Продукт измерения при обтекании этого тела образует «вихревую» дорожку с частотой следований вихрей, с высокой точностью, пропорциональной скорости измеряемого потока, а следовательно, и измеряемого расхода. В корпусе прибора за этим телом устанавливается диаметрально противоположные друг другу пьезоизлучатель и пьезоприемник. Пьезоизлучатель позволяет создавать ультразвуковые колебания, проходящие через поток, которые в результате взаимодействия с вихрями, модулируемые по фазе и попадающие на пьезоприемник. Затем излучаемый и принимаемый сигнал сравниваются, а их разница преобразуется электроникой прибора в измеряемый расход.

Рис. 2

Преобразователь (Рис. 2).

В корпусе проточной части расходомера расположены: тело обтекания — призма трапецеидального сечения (1), пьезоизлучатели ПИ (2), пьезоприемники ПП (3) и термодатчик (7).

Электронный блок включает в себя генератор (4), фазовый детектор (5), микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов (6), смонтированные на печатной плате.

3. Вихревые расходомеры с обтекаемым телом

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.

3 стр., 1464 слов

Применение вихревых токов в промышленности реферат скачать

... применение вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в ...

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

4. Вихревые расходомеры с прецессией воронкообразного вихря

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

Рис. 4. 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

Рис. 5. Схема первой ступени вихревых преобразователей с тангенциальным вводом в камеру. Где, 1 — труба входящего потока, 2 — участок трубы с большим диаметром, 3 — патрубок, 4 1- цилиндрическая камера для закручивания потока

расходомер вихревой применение

5. Вихревые расходомеры с осциллирующей струей

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.

Рис. 6. Релаксационный преобразователь вихревого расходомера с осциллирующей струей. Где 1-сопло, 2- диффузор,3- обводная трубка.

Рис. 7. 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.

21 стр., 10027 слов

Контрольно измерительные приборы

... При этом условии термо-ЭДС термоэ­лектрического термометра, а значит, и показания измерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца 2. Фактически свободный конец ... образуется переменный фотоэ­лектрический ток, сила которого зависит от разности световых потоков. Переменное напряжение фотоэлектрического тока вначале усиливается электронным усилителем Д, расположенным в ...

Рис. 8. Вихревой уровнемер с качающимся элементом.

электромагнитные, акустические, силовые

6. Область применения вихревых расходомеров

В настоящее время подобные расходомеры используются для измерения объёмного расхода любых сред (естественно, кроме твёрдых).

Их устанавливают на трубопроводы, внутренний диаметр которых составляет от 15 до 500 мм. Приборы прекрасно функционируют, если температура контролируемой среды находится в диапазоне от 60 до 500°С, а её давление не превышает 30 МПа.

Endress+Hause

На территории России и СНГ наибольшей популярностью пользуются расходомеры, разрабатываемые и выпускаемые промышленной группой Метран , компаниями ЭМИС и Dymetic .

7. Расходомеры Dymetic-1223-M и Dymetic-1223-B

Рис. 9. Расходомер Dymetic-1223-M

Где использовать?

Рассматриваемый датчик устанавливают только на те трубопроводы, по которым проистекает газ. Прибор работает с квазистационарными (то есть непрерывно изменяющимися) потоками газа.

Технические характеристики

Диаметр трубопровода, на который устанавливается датчик, может колебаться от 5 до 15 см. Прибор измеряет расход среды, если он находится в интервале 2 — 5200 м 3 /час. Рабочая температура окружающей среды может варьироваться в широких пределах (-45 — 50°С).

Прибор выпускается в нескольких вариантах. Класс точности каждого из вариантов различен, однако все приборы достаточно точны (максимальная погрешность не превышает 1,5%.)

Преимущества

Что крайне важно для работы с газовыми средами, прибор выпускается во взрывозащищёном корпусе, в который также не проникает пыль или влага.

8. Расходомер Метран-305 ПР

Рис. 10. Расходомер Метран-305 ПР

Где использовать?

Рассматриваемый вихреакустический расходомер применяется на нефтепромыслах, поддержание пластового давления на которых осуществляется искусственными методами с помощью закачки воды и нефтеводяных растворов в пустоты.

Технические характеристики

К средам, измеряемым прибором, относится вода и растворы, температура которых составляет не более 100°С, а избыточное давление не превышает 20 МПа. Точность измерений, выполненных расходомером, велика: погрешность не превышает 1% от значения диапазона. Корпус Метран-305 ПР препятствует проникновению внутрь влаги и пыли, что немаловажно для работы в нефтяной промышленности. Выходной сигнал расходомера может быть цифровым, импульсным или токовым.

Преимущества

Метрологические характеристики прибора, во-первых, высоки, а во-вторых, достаточно стабильны. Именно по этой причине межповерочный интервал велик, а сама поверка может осуществляться либо проливным, либо имитационным методом. Проточная часть прибора очищается самостоятельно, вмешательство не требуется.

Все вышеперечисленные факторы обуславливают низкую стоимость

владения расходомером (затраты на эксплуатацию прибора невелики).

9. Расходомер ЭМИС-ВИХРЬ 200 ППД

Рис. 11. Расходомер ЭМИС-ВИХРЬ 200 ППД

18 стр., 8760 слов

Цифровые измерительные приборы (2)

... расходомер ИР-51) и 1 ч (расходомер ИР-51И). Расстояние между преобразователем расхода и измерительным блоком не должно превышать ... клеммная колодка; Оптические расходомеры Иногда оптическими расходомерами называют приборы, определяющие расход жидкости, ... расходомерам. Принцип работы представлен на рисунке1.11. Рисунок 1.11. Принцип работы оптического расходомера. Ультразвуковые расходомеры ...

Где использовать?

Рассматриваемый прибор нашел широкое применение в нефтяной промышленности: чаще всего именно с его помощью в настоящее время определяют объём воды либо водонефтяной смеси, который необходимо подать в нагнетательную скважину. Кроме этого, ЭМИС-ВИХРЬ 200ППД применяют при реализации расходометрического метода контроля состояния скважины.

Технические характеристики

Точность работы прибора высока и соответствует всем требованиям нефтяной промышленности (погрешность измерения не превышает 1%).

Немаловажно, что расходомер имеет взрывозащиту, также в него не может проникнуть пыль и влага. Измеряемый диапазон расхода — от 1 до 250 м 3 /час, его вполне достаточно для заводнения скважин.

Преимущества

Сфера использования прибора во многом определена его преимуществами. Расходомер бесперебойно работает в минерализованных, а также загазованных средах. Одна из его конструктивных особенностей — самостоятельное удаление загрязнений, попадающих в проточную полость. ЭМИС легко настраивается и не требует непрерывного контроля в процессе эксплуатации.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/vihrevoy-rashodomer/

1. Измерение расхода и количества жидкости и газов методом переменного перепада давления. Под ред. А. Б. Васильева. — Минск: Изд-во стандартов, 1997.

2. Расходомеры и счётчики количества веществ. Справочник. — Изд. 5-е, пер. и доп.. — СПб.: Машиностроение, 2002.