Vírový průtokoměr

Vírový průtokoměr  je typ průtokoměru , jehož princip je založen na měření frekvence kmitů, ke kterým dochází v proudění v procesu tvorby víru.

Průtokoměry (měřiče) množství látky jsou důležitými prvky systémů měření spotřeby energie a řízení procesů v různých průmyslových odvětvích a bytových a komunálních službách [1] [2] [3] [4] [5] . Nejuniverzálnější a nejžádanější jsou zatím průtokoměry, které implementují metodu měření tlakové ztráty přes clonu . Touto metodou lze měřit průtok téměř všech kapalných a plynných látek pohybujících se potrubím malých i velkých průměrů v širokém rozsahu přetlaků a teplot. Jeho nevýhodou je však kvadratická závislost tlakové ztráty na průtoku a v důsledku toho malé dynamické rozsahy měření (1:3 ... 1:5) a značná chyba , dosahující 3-5 % v dolní část sortimentu [1] [2] . V tomto ohledu byly pro řešení konkrétních technických problémů vyvinuty další, informativnější metody měření průtoku (tachometrické, výkonové, elektromagnetické, ultrazvukové, optické atd.), kterých je již více než 20 [2] . Současně zůstává aktuální úkol vyvinout a prakticky zavést takovou metodu, která by svou univerzálností mohla konkurovat metodě měření tlakové ztráty, ale poskytovala vyšší přesnost měření v širokém dynamickém rozsahu.

Jak to funguje

U vírových průtokoměrů se pro vytvoření vírového pohybu instaluje do dráhy hnacího proudu kapaliny, plynu nebo páry blafové těleso, obvykle ve tvaru lichoběžníku v průřezu. Systém vírů vytvořených za ní se nazývá Karmanova vírová ulice . Frekvence vírů v první aproximaci je úměrná rychlosti proudění a závisí na bezrozměrném kritériu ( Strouhalovo číslo ) a šířce blafového tělesa [2] [3] [4] [5] :

Výhodou vírových průtokoměrů je absence jakýchkoliv pohyblivých prvků uvnitř potrubí, poměrně nízká nelinearita (<1,0 %) v širokém rozsahu měření (>1:10…1:40), frekvenční výstupní signál, stejně jako invariance metody s ohledem na elektrické vlastnosti a agregovaný stav pohybujícího se média.

První kapalinové vírové průtokoměry se objevily v 60. letech 20. století ve Spojených státech , Japonsku a SSSR . První vývoj vírových průtokoměrů pro plyn a páru v Rusku se datuje do 90. let 20. století. Přes poměrně dlouhou dobu zvládnutí těchto zařízení v měřicí technice se teorie a praxe vírových průtokoměrů neustále rozvíjí a zdokonaluje. Hledají se lepší obvodová řešení, efektivnější a technologicky vyspělejší konstrukce primárních průtokových konvertorů [4] [5] .

Typické schéma

Typické schéma vírového průtokoměru s piezoelektrickými tlakovými snímači jako převodníky energie proudění na frekvenci elektrického signálu obsahuje průtokovou část průtokoměru instalovanou pomocí přírub v potrubí a obsahuje blafové těleso, za kterým jsou tlaková čidla jsou instalovány v párech. Tlakové pulsace vznikající v proudění v důsledku tvorby víru jsou zaznamenávány senzory a frekvence procesu je úměrná rychlosti proudění. Párové umístění snímačů umožňuje zesílení užitečného signálu a minimalizaci vibrací a akustického rušení, protože signál jednoho z nich je invertován a sečten se signálem jiného snímače v odpovídajícím zařízení a šumový signál je odečítán na sčítačce. Průtokoměr dále obsahuje normalizační převodník, který generuje pulzní signál normalizovaný např. na 1 l/s a kalkulátor umístěný v samostatném krytu. Kalkulačka zajišťuje digitalizaci informačního signálu, výpočet celkového množství kapaliny nebo plynu, které prošlo tlakovým potrubím za určitou dobu, indikaci okamžitého a celkového průtoku, vlastní diagnostiku zařízení, ukládání informací v energeticky nezávislé paměti a přenést jej do počítače vyšší úrovně měřicího nebo řídicího systému [4] .

Měniče toku energie

Jedním z nejdůležitějších prvků vírových průtokoměrů jsou převodníky průtokové energie na elektrický signál, které do značné míry určují provozní možnosti a technickou úroveň zařízení. Technická dokumentace vírových průtokoměrů tuzemských i předních zahraničních firem obsahuje velmi skrovné informace o principu činnosti a konstrukci převodníků energetického typu. Společnost EMCO (USA) tedy uvádí pouze to, že snímač je polovodičová piezorezistivní matice. V dokumentaci německých firem nejsou vůbec žádné informace o principu činnosti senzoru, i když jeden z patentů Endress + Hauser popisuje vírový průtokoměr s unifikovaným kapacitním senzorem ve tvaru křídla, instalovaný za blafem tělo. Pouze Yokogawa Electric (Japonsko) podrobně popisuje vibračně kompenzovaný piezoelektrický měnič , sestávající ze sady piezoelektrických prvků ve formě podložek, instalovaných na konci blafového těla. Známé jsou také indukční, anemometrické , optoelektronické a jiné měniče průtokové energie [1] [2] .

Problémy

Je třeba poznamenat, že fyzikální procesy probíhající v potrubí za tělem blaf jsou velmi složité. V proudění dochází ke kolísání tlaku, teploty, rychlosti zvuku a dalších fyzikálních parametrů. Navzdory rychlému rozvoji numerických metod pro popis složitých objektů stále neexistují uspokojivé matematické modely hydrodynamických procesů probíhajících ve vírových průtokoměrech. Časoprostorové rozložení fyzikálních charakteristik v pohybujícím se médiu v závislosti na rychlosti, stavu agregace, viskozitě média není zcela jasné. Bluffové těleso během tvorby víru zažívá složitý stav napětí-deformace , kde jsou jak torzní , tak ohybové oscilace a další. To vše poskytuje prostor pro kreativitu vývojářů a velké množství experimentální práce při hledání optimálních řešení [5] .

Prevalence

V současné době se vírové průtokoměry s piezoelektrickými snímači používají k měření průtoku kapaliny , plynu a páry na potrubí o průměru 15 až 500 mm s dynamickým rozsahem 1:40 a vyšším a relativní chybou (1 ... 1,5 %) při řízených teplotách média od -60 do 500 °C a tlacích do 30 MPa, což představuje více než 5 % prostředků pro účtování kapalných a plynných nosičů energie na světovém trhu .

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 GOST 8.563.1-97. Měření průtoku a množství kapalin a plynů metodou proměnného tlakového spádu / Ed. A. B. Vasil'eva. - Minsk: Nakladatelství norem, 1997.
2. ↑ 1 2 3 4 5 Kremlevsky P. P. Průtokoměry a počítadla množství látek. Adresář. - Ed. 5., per. a další .. - Petrohrad. : Mashinostroenie, 2002. - 409 s. - 3000 výtisků.
3. ↑ 1 2 Kiyasbeyli A. Sh., Perelshtein M. E. Vortexové měřicí přístroje. - M .: Mashinostroenie, 1978. - 152 s.
4. ↑ 1 2 3 4 Abramov G.S., Barychev A.V., Zimin M.I. Praktické měření průtoku v průmyslu. - M. : JSC VNIIOENG, 2000. - 472 s.
5. ↑ 1 2 3 4 Bogush M. V. Piezoelektrické vybavení: sbírka ve 3 svazcích. - Rostov na Donu: Nakladatelství SKNTs VSH, 2006. - T. 3. Piezoelektrické snímače pro extrémní provozní podmínky. — 346 s.