Вихревыми называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи. Они разделяются на три группы, существенно отличные друг от друга.
1) Расходомеры, имеющие в первичном преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого с обеих его сторон попеременно возникают срывающиеся вихри, создающие пульсации давления.
2) Расходомеры, в первичном преобразователе которых поток закручивается и, попадая затем в расширенную часть трубы, прецессирует, создавая при этом пульсации давления.
3) Расходомеры, в первичном преобразователе которых струя, вытекающая из отверстия, совершает автоколебания, создавая при этом пульсации давления.
Термин вихревой расходомер, строго говоря, приложим лишь к приборам первых двух групп. Но одинаковый осциллирующий характер изменения параметров, определяющих движение потока в преобразователях расхода, позволяет и расходомеры 3-й группы рассматривать вместе с первыми двумя. Особенно близок характер протекающих процессов в расходомерах 1-й и 3-й групп.
Для исследования характеристик вихревых расходомеров наряду с числом Рейнольдса Re служит число или критерий Струхаля Sh, характеризующий периодические процессы, связанные с движением жидкости или газа. Этот критерий, возникающий при изучении обтекания потоком воздуха цилиндра (струны), имеет вид
Sh = f×du -1 где f — частота пульсаций давления газа (или жидкости) в результате периодического срыва вихрей; d — диаметр цилиндра (характерный размер); u — скорость потока.
Так как при постоянстве числа Sh частота f пропорциональна u то, измеряя эту частоту, можно судить о скорости u, а значит, и об объемном расходе потока. Для получения линейной шкалы вихревого расходомера надо, чтобы число Sh оставалось постоянным в возможно большем диапазоне чисел Re.
Иногда кроме числа Sh применяют еще и число Росби Ro — отношение осевой и тангенциальной составляющих скорости
Ro=u/wd, де w — угловая скорость.
Числа Sh и Ro связаны зависимостью Sh = f/wRo из которой следует, что Sh остается постоянным, если постоянны число Ro и отношение f/w.
Преобразователи расхода у этих расходомеров многоступенчатые. В первой ступени в процессе вихреобразования или осцилляции струи создаются пульсации давления и скорости, частота которых пропорциональна объемному расходу. Во второй ступени эти пульсации преобразуются в выходной сигнал, обычно электрический. Для этого служат преобразователи давления (пьезоэлементы), температуры (термоанемометры), напряжения (тензо-резисторы), ультразвуковые преобразователи скорости и т.п.
Работу вихревых расходомеров могут нарушать акустические и вибрационные помехи, создаваемые различными источниками: насосами и компрессорами, местными сопротивлениями, завихрителями, вибрирующими трубами и т. д. Если частота вредных пульсаций отличается от частоты измерительного сигнала, то ее влияние можно устранить с помощью электрических фильтров. Сложнее их устранить, если эти частоты совпадают. Иногда применяют струевыпрямитель на выходном патрубке преобразователя расхода.
Для борьбы с помехами целесообразно иметь два преобразователя (например, два пьезоэлемента), включенных — встречно и установленных в точках, где пульсации полезного сигнала находятся в противофазе, а пульсационные помехи в фазе. При этом полезные сигналы усиливаются, а помехи в значительной мере устраняются. Термопреобразователи менее чувствительны к помехам, чем преобразователи давления. Вибрации не отражаются на их показаниях, но механически они менее прочны.
Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения обтекающих его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением тела начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя его миделево сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обтекаемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препятствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно (рис. 4). При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана шириной а, имеющая постоянное отношение b/а, которое для обтекаемого цилиндра равно 0,281.
.files/image805.jpg)
Рис. 4. Схема образования вихрей
Частота срыва вихрей согласно критерию Струхаля f=uSh/d, т. е. пропорциональна отношению u/d, а следовательно, при постоянном характерном размере d тела пропорциональна скорости u, а значит, и объемному расходу Qo. Зависимость между Qo и f дается уравнением
Q0=(sd/Sh)f, где s — площадь наименьшего поперечного сечения потока вокруг обтекаемого тела.
Чтобы обеспечить пропорциональность между Q0 и f, число Струхаля Sh должно оставаться неизменным в возможно большей области значений числа Re.
У вихревых расходомеров много достоинств: отсутствие подвижных частей, простота и надежность преобразователя расхода, независимость показаний от давления и температуры, большой· диапазон измерения, доходящий в некоторых случаях до 15 — 20, линейность шкалы, хорошая точность (погрешность ±0,5 — 1,5 %), частотный измерительный сигнал, стабильность показаний, сравнительная несложность измерительной схемы, возможность получения универсальной градуировки.
К недостаткам вихревых расходомеров относятся значительная потеря давления, достигающая 30 — 50 кПа, и некоторые ограничения возможности их применения: они непригодны при малых скоростях из-за трудности измерения сигнала, имеющего малую частоту, и изготовляются лишь для труб, имеющих диаметры от 25 до 150 — 300 мм. Применение их для больших труб затруднительно, а при очень малых диаметрах нет устойчивого вихреобразования. Они не применяются также при Re < 103¸104. Многие конструкции вихревых расходомеров непригодны и для измерения загрязненных и агрессивных веществ, могущих нарушить работу преобразователей выходного сигнала.
Вихревые расходомеры появились сравнительно недавно и поэтому еще не получили широкого распространения. Но благодаря своим достоинствам и более низкой по сравнению с турбинными и электромагнитными расходомерами стоимости они весьма перспективны.
