Источник: Научные труды ДонНТУ. Випуск 20, серия горно-электромеханическая. - Донецк: ДонНТУ, 2004

Вихревой расходомер-счетчик газа

 

Козицкий А.И., студент, Моргунов В.М., к.т.н., доцент

 

Рассмотены основные положения теории вихревых расходомеров и особенности работы пасходомера с телом обтекания в виде цилиндра, а также способы защиты первичного преобразователя от прямого воздействия загрязненной измеряемой среды.

 

Вихревые расходомеры с телом обтекания находят все более широкое применение для измерений жидкости, газа и пара. Так как несмотря на относительно высокую продажную цену вихревой расходомер оказывается в более выигрышном положении при сравнении общих расходов на измерение, в которые входят также затраты на установку, пуско-наладочные работы, техническое обслуживание и ремонт расходомера, потери от погрешностей измерения и некоторые другие составляющие.

Вихревые расходомеры обеспечивают более широкий динамический диапазон при меньшей погрешности измерений и незначительных потерях давления. Уменьшение гидравлического сопротивления измерительного участка имеет принципиальное значение при использовании энергоустановок, работающих от бытовой сети газа низкого избыточного давления, например, "крышных" котельных. В качестве серьезного недостатка вихревых расходомеров часто отмечается невозможность измерения малых скоростей потока.

В расходомерах подобного принцып также реализована автоматическая коррекция измеренного объема газа по плотности, что позволяет избежать применения так называемых "сезонных коэффициентов" и исключить субъективный фактор при подведении баланса между Продавцом и Покупателем на всех этапах поставки энергоресурсов до конечного потребителя.

В качестве первичного преобразователя энергии регулярной вихревой дорожки используется термоанемометр с чувствительным элементом в виде тонкой металлической нити. Из всего многообразия датчиков такой преобразователь наиболее восприимчив к слабым пульсациям параметров среды, связанным с формированием вихрей, при малых скоростях потока. Для защиты чувствительного элемента от прямого воздействия загрязненной измеряемой среды нить расположена в канале перетока обтекаемого тела. При такой схеме относительно крупные частицы жидких и твердых включений из-за инерционности не отслеживают траектории движения газа, поступающего в канал перетока, а сносятся вниз по потоку. Субмикронные же частицы могут проникать в канал. Однако взаимодействие частиц с нитью может привести к изменению только амплитуды, но не частоты выходного сигнала, несущей информацию об объемном расходе.

Измерение объемного расхода среды вихревыми расходомерами основано на фундаментальной зависимости, связывающей частоту срыва пары вихрей f, формирующихся при поперечном обтекании тела, со скоростью набегающего потока u и характерным поперечным размером тела b:

.

При обтекании тела безграничным равномерным потоком число Струхаля Sh в основном зависит от формы тела в поперечном сечении и от числа Рейнольдса

,

Как следует из работы [1], влияние формы тела обусловлено тем, что частота формирования регулярных вихрей определяется не размерами самого обтекаемого тела и скоростью набегающего потока, а шириной следа за телом b и скоростью u на линии тока, ограничивающей след.

При экспериментальном определении зависимости Sh(Re) чаще всего используют среднюю скорость потока в минимальном сечении измерительного тракта

,

где Q - объемный расход,

      F_min - площадь минимального сечения в области расположения  тела.

Имеет место общая закономерность – в области относительно низких чисел Рейнольдса с увеличением Re до значения ~3´10⁴ безразмерная частота Sh монотонно убывает до некоторой величины, которая определяется геометрией измерительного участка конкретного расходомера, и при дальнейшем увеличении числа Рейнольдса остается приблизительно постоянной. Этот факт хорошо согласуется с классическими представлениями [2] об автомодельности отрывных течений при числах Рейнольдса свыше 3´10⁴.

При традиционных методах регистрации срыва вихрей нижний предел воспринимаемой расходомером скорости потока практически совпадает со скоростью, соответствующей минимальному числу Рейнольдса, начиная с которого безразмерная частота остается постоянной. Поэтому диапазон измерений большинства вихревых расходомеров укладывается в так называемую линейную область, в которой безразмерная частота срыва вихрей не зависит от числа Рейнольдса. Однако в последних разработках в этой области диапазон измерений выходит за пределы линейной области. Так, например, в счетчиках ВРСГ-1 достигнутый нижний предел измерений расхода с нормированной погрешностью соответствует Re»2000. В алгоритме расчета объемного расхода, реализованном в ВРСГ-1, учитывается зависимость Sh(Re), полученная при индивидуальной градуировке каждого прибора, что позволяет исключить дополнительные погрешности, связанные с неизбежным технологическим разбросом зависимостей Sh(Re) от прибора к прибору, обусловленных, прежде всего, допусками на размеры и взаимное расположение элементов конструкции измерительного участка расходомера.

Таким образом, схемно-конструктивные решения современных вихревых расходомеров обеспечивают измерения с нормированной погрешностью в диапазоне расходов, расширенном в область малых среднерасходных скоростей.

 

Список литературы

 

1. Маштаков Б.П., Грикевич А.В. Вихревые расходомеры с телом обтекания. Перспективы вихревой расходометрии.// Приборы и системы управления. М.: Энергетика, 1990. №12, с. 24-26.

2. Чжен П. Отрывные течения. М.: Мир. 1973. т.1,2,3.