Вихревые расходомеры.
В течение многих лет самыми распространенными средствами измерения расхода жидкости, газа и, особенно, пара были расходомеры переменного перепада давления – расходомеры с сужающими устройствами. Они обладают рядом недостатков, главный из которых заключается в том, что внутри трубы размещаются сужающие устройства. Поэтому последние годы они вытесняются другими более современными расходомерами – вихревыми расходомерами.
По американским данным в 1992 году мировой объем расходомеров с сужающими устройствами составлял только 17%. В этом же году турбинные расходомеры составили 11%, ультразвуковые - 5%, электромагнитные – 21%.
Наиболее динамичными развивающимися расходомерами являются вихревые расходомеры.
В 1993 году мировой рынок продаж вихревых расходомеров достиг 42000штук и продолжает динамично расширяться на 10% ежегодно. В 1997 году мировой объем продаж вихревых расходомеров достиг 60000 штук.
Свое название вихревые расходомеры получили от явления срыва вихрей, возникающего при обтекании потоком жидкости или газа препятствия.
Когда поток не может следовать в форме плохо обтекаемого тела, он разделяется на поверхности препятствия, создавая за ним сильно турбулизованную область в виде непрерывной серии вихрей, уносящихся потоком. Каждый вихрь сначала вырастает на поверхности препятствия, а затем, отделяясь, срывается с него. Подобный эффект можно наблюдать на порожистой реке, при обтекании потоком крупных камней или у флага, трепещущегося на ветру. Из-за невозможностей развития двух вихрей одновременно, они срываются с каждой из поверхностей препятствий поочередно, в “шахматном” порядке, образуя вихревую “дорожку (цепочку) Ван-Кармана”, по имени ученого, изучавшего это явление. Частота срыва вихрей при выполнении определенных условий оказывается прямо пропорциональна скорости потока, а , следовательно, объемному расходу. Выражается следующей формулой: f=χ V/d, где χ – постоянная, не зависящая от плотности и скорости потока; d – характерный размер (диаметр) тела обтекания; f – частота срыва вихрей;V – скорость потока.
Рассмотрим схему образования вихрей.
Впервые, такая простая математическая зависимость частоты образования вихрей от скорости потока установлена в опытах Струхаля при обдуве кругового цилиндра воздухом, поэтому критериальный коэффициент χ получил название числа Струхаля (Sh).
Развитие этой теории и обосновании явлений, связанных с процессами вихреобразования, в виде периодического срыва вихрей. с краев плохо обтекаемого тела или щели было проведено в начале ХХ века Т.Карманом. Было установлено наличие целого спектра частот, включающего кроме основной гармоники также и высшей.
fk=Sh v/d k.
Здесь, Sh – число Струхаля; f – частота срыва вихрей; k – номер гармоники (1, 2, 3…).
Процесс срыва вихрей с тела обтекания носит периодический характер, создавая пульсации давления, подобно источнику колебаний (“вихревой”частоты). Образуемая позади тела обтекания вниз по потоку регулярная структура в виде “вихревой дорожки” позволяет использовать это обстоятельство для измерения частоты.
В первом случае датчик давления фиксирует усилие, возникающее непосредственно в теле обтекания. Во втором случае – знакопеременное давление (ВД – высокое давление, НД – низкое давление). В третьем случае формируется на некотором давлении от тела обтекания.
“Классическая ” схема вихревого расходомера состоит из тела обтекания в виде усеченной трапецеидальной, установленной поперечной в трубопроводе широким основанием потоку и генерирующей вихрей. Позади тела обтекания располагается чувствительный элемент, воспринимаемый вихревые колебания потока.
Структурная схема для измерения расхода вихревого расходомера.