Вихревые расходомеры

Введение
Вихревой расходомер – это устройство, которое измеряет расход жидкости или газа, используя принцип образования вихрей за препятствием, помещенным в поток. Он широко применяется в нефтегазовой промышленности благодаря своей надежности, точности и универсальности.

Технические сведения вихревого расходомера
Вихревой расходомер использует увлекательный физический принцип – образование вихрей – для точного измерения расхода жидкости или газа. Давайте разберемся, как это работает:
Препятствие и турбулентность:
Внутри расходомера находится специально сконструированное тело обтекания, которое называют блюф-телом. Оно может иметь различную форму, например, треугольную призму. Когда поток жидкости или газа встречает это препятствие, он разделяется и обтекает его с обеих сторон.
Формирование вихрей:
За блюф-телом образуются зоны низкого давления, в которых поток становится турбулентным. Это приводит к формированию вихрей, которые попеременно отрываются с противоположных сторон тела обтекания, создавая своего рода "вихревую дорожку".
Частота вихреобразования:
Ключевым моментом является то, что частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока. Чем быстрее движется поток, тем чаще вихри отрываются от блюф-тела.
Далее подробно затронем тему преобразования «первичного» измеряемого сигнала во «вторичный». То есть как измеряемый технический параметр преобразуется в электрический сигнал.
Как мы уже знаем, за блюф-телом в потоке жидкости или газа формируются вихри, которые отрываются с его противоположных сторон. Это вызывает колебания давления и скорости потока вблизи тела обтекания.
Для регистрации этих колебаний используется специальный датчик, который чаще всего является пьезоэлектрическим. Пьезоэлектрические материалы обладают уникальным свойством – при механической деформации они генерируют электрический заряд.
Преобразование в электрический сигнал:
- Деформация датчика: Когда вихри проходят мимо датчика, они вызывают колебания давления, которые деформируют пьезоэлектрический элемент.
- Генерация заряда: в результате деформации на поверхности пьезоэлектрического элемента возникает переменный электрический заряд. Величина этого заряда пропорциональна амплитуде колебаний давления, которая, в свою очередь, связана с частотой вихреобразования и скоростью потока.
- Усиление и преобразование: Сгенерированный датчиком заряд очень мал, поэтому он усиливается и преобразуется в стандартный электрический сигнал, например, напряжение или ток.
Полученный электрический сигнал пропорционален частоте колебаний, вызванных вихрями, а, следовательно, и скорости потока. Электронный блок расходомера обрабатывает этот сигнал, отфильтровывает шумы и преобразует его в цифровую форму. Затем, используя калибровочные данные и известные характеристики блюф-тела, он рассчитывает расход жидкости или газа.
Таким образом, вихревой расходомер использует пьезоэлектрический эффект для преобразования колебаний давления, вызванных вихрями, в электрический сигнал. Этот сигнал затем анализируется и используется для определения расхода, что делает вихревые расходомеры точными и надежными инструментами для измерения расхода в различных отраслях промышленности. Для полного понимания картины, обратите внимание на рисунок 2.

Конструкция вихревого расходомера
Вихревой расходомер – это слаженная система, где каждая деталь играет важную роль в точном измерении расхода. Давайте разберем основные компоненты этого устройства:
1. Первичный преобразователь (сенсор):
- Блюф-тело: Это сердце вихревого расходомера. Блюф-тело, обычно в форме треугольной призмы, создает турбулентность в потоке, приводя к образованию вихрей.
- Датчик: Расположенный вблизи блюф-тела, датчик регистрирует колебания давления или скорости, вызванные вихрями. Обычно это пьезоэлектрический датчик, который преобразует механические колебания в электрический сигнал.
2. Электронный блок:
- Усилитель: Усиливает слабый электрический сигнал, поступающий от датчика, делая его пригодным для дальнейшей обработки.
- Фильтр: Устраняет шумы и помехи из сигнала, обеспечивая его чистоту и точность.
- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП): Преобразует аналоговый сигнал от датчика в цифровую форму, понятную для микропроцессора.
- Микропроцессор: Анализирует цифровой сигнал, рассчитывает частоту вихреобразования, а затем, используя калибровочные данные и характеристики блюф-тела, определяет расход.
3. Корпус:
- Обеспечивает защиту внутренних компонентов от воздействия окружающей среды.
- Обычно изготавливается из прочных материалов, таких как нержавеющая сталь, чтобы выдерживать высокие давления и температуры.
4. Дисплей (опционально):
- Позволяет отображать измеренный расход, а также другие параметры, такие как температура, давление и т.д.
5. Выходные сигналы:
- Аналоговый выход: Передает измеренный расход в виде аналогового сигнала (например, 4-20 мА) для подключения к системам управления или регистрации данных.