Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Вихревые расходомеры лучше всего подходят для измерения расхода там, где возникают проблемы с использованием движущихся частей. Они выпускаются в промышленном исполнении, из латуни или полностью из пластика. Чувствительность к изменениям условий процесса низкая, а отсутствие движущихся частей обеспечивает относительно низкий износ по сравнению с другими типами расходомеров.
Содержание
Теодор фон Карман, рыбача в горных ручьях Трансильванских Альп, обнаружил, что если на пути быстротекущего потока поставить не обтекаемый предмет (называемый также отвесным телом), то жидкость будет поочередно отделяться от него с двух сторон вниз по течению, и, когда пограничный слой отрывается и закручивается обратно, жидкость образует вихри (называемые также вихрями или водоворотами). Он также отметил, что расстояние между вихрями постоянно и зависит только от размера породы, которая их образует.
На той стороне отвесного тела, где формируется вихрь, скорость жидкости выше, а давление ниже. По мере продвижения вниз по течению вихрь увеличивается в силе и размерах и в конце концов отделяется или сбрасывает себя. За ним следует образование вихря на другой стороне отвесного тела (рис. 1). Чередующиеся вихри расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.
Рисунок 1: Расчет скорости потока с помощью вихревого расходомера
Явление сбрасывания вихрей можно наблюдать, когда ветер срывается с флагштока (который выступает в роли отвесного тела); именно это вызывает регулярную рябь, которую можно наблюдать на флаге. Вихри также отбрасываются от опор мостов, свай, опор морских буровых платформ и высоких зданий. При проектировании этих конструкций необходимо учитывать силы, вызванные явлением сбрасывания вихрей. В закрытой системе трубопроводов эффект вихря рассеивается в пределах нескольких диаметров трубы ниже по течению отвесного тела и не причиняет вреда.
Вихревой расходомер — это тип объемного расходомера, который использует природное явление, возникающее при обтекании жидкостью отвесного объекта. Вихревые расходомеры работают по принципу сбрасывания вихрей, когда вихри (или вихревые потоки) поочередно сбрасываются вниз по течению от объекта. Частота проливания вихрей прямо пропорциональна скорости жидкости, проходящей через расходомер.
Вихревой расходомер обычно изготавливается из нержавеющей стали 316 или сплава Hastelloy и включает в себя корпус, узел вихревого датчика и электронный блок датчика, хотя последний может быть установлен и на расстоянии (рис. 2). Обычно они выпускаются с фланцами размером от ½ дюйма до 12 дюймов. Установочная стоимость вихревых расходомеров конкурентоспособна по отношению к стоимости расходомеров с отверстиями размером менее шести дюймов. Счетчики с пластинчатым корпусом (бесфланцевые) имеют самую низкую стоимость, в то время как фланцевые счетчики предпочтительнее, если рабочая жидкость опасна или имеет высокую температуру.
Рисунок 2: Датчик для обнаружения вихря
Для достижения желаемых характеристик были проведены эксперименты с формой и размерами вороненого тела (квадратное, прямоугольное, Т-образное, трапециевидное). Испытания показали, что линейность, ограничение по низкому числу Рейнольдса и чувствительность к искажению профиля скорости незначительно зависят от формы вороненого тела. Если говорить о размерах, то ширина отвесного тела должна составлять достаточно большую часть диаметра трубы, чтобы весь поток участвовал в отбрасывании. Во-вторых, отвесное тело должно иметь выступающие края на восходящей стороне, чтобы зафиксировать линии разделения потока, независимо от скорости потока. В-третьих, длина отвесного тела в направлении потока должна быть кратна ширине отвесного тела.
Сегодня в большинстве вихревых расходомеров используются пьезоэлектрические или емкостные датчики для обнаружения колебаний давления вокруг тела отвеса. Эти датчики реагируют на колебания давления низковольтным выходным сигналом, который имеет ту же частоту, что и колебания. Такие датчики являются модульными, недорогими, легко заменяемыми и могут работать в широком диапазоне температур — от криогенных жидкостей до перегретого пара. Датчики могут располагаться внутри корпуса счетчика или снаружи. Смачиваемые датчики подвергаются непосредственному воздействию вихревых колебаний давления и заключены в закаленные корпуса, чтобы противостоять коррозии и эрозии.
Внешние датчики, как правило, пьезоэлектрические тензорезисторы, определяют срыв вихря косвенно, через усилие, действующее на планку сбрасывателя. Внешние датчики предпочтительнее использовать в высокоэрозионных/коррозионных системах для снижения затрат на техническое обслуживание, в то время как внутренние датчики обеспечивают лучший диапазон (лучшую чувствительность к потоку). Они также менее чувствительны к вибрациям трубопровода. Корпус электроники обычно имеет взрыво- и погодозащищенное исполнение и содержит электронный модуль преобразователя, оконечные соединения и, в качестве опции, индикатор расхода и/или суммирующее устройство.
Интеллектуальные вихревые расходомеры обеспечивают цифровой выходной сигнал, содержащий больше информации, чем просто расход. Микропроцессор в расходомере может автоматически корректировать условия недостаточно прямой трубы, разницу между диаметром отверстия и диаметром сопрягаемой трубы, тепловое расширение корпуса вихревого расходомера и изменение коэффициента K, когда число Рейнольдса падает ниже 10 000.
Интеллектуальные передатчики также снабжены диагностическими подпрограммами, сигнализирующими о неисправностях компонентов или других неполадках. Интеллектуальные передатчики могут инициировать процедуры тестирования для выявления проблем как со счетчиком, так и с приложением. Эти тесты по требованию могут также помочь в проверке по стандарту ISO 9000.
Некоторые вихревые расходомеры могут определять массовый расход. Одна из таких конструкций измеряет одновременно частоту и силу импульса вихря. По этим показаниям можно определить плотность рабочей жидкости и рассчитать массовый расход с точностью до 2% от диапазона.
Другая конструкция оснащена несколькими датчиками, которые определяют не только частоту вихрей, но и температуру и давление рабочей жидкости. На основе этих данных определяются плотность и массовый расход. Точность измерения массового расхода жидкостей составляет 1,25 %, а газов и пара — 2 %. Если знание давления и температуры процесса важно по другим причинам, этот измеритель является удобной и менее дорогостоящей альтернативой установке отдельных датчиков.
Поскольку число Рейнольдса уменьшается с ростом вязкости, дальнобойность вихревого расходомера ухудшается с ростом вязкости. Максимальный предел вязкости как функция допустимой точности и диапазона составляет от 8 до 30 сантипуаз. При правильном выборе размера вихревого расходомера можно рассчитывать на диапазон более 20:1 при работе с газом и паром и более 10:1 при работе с жидкостями низкой вязкости.
Погрешность большинства вихревых расходомеров составляет 0,5-1% от расхода при числе Рейнольдса более 30 000. При уменьшении числа Рейнольдса погрешность измерения возрастает. При числах Рейнольдса менее 10 000 погрешность может достигать 10 % от фактического расхода.
В то время как большинство расходомеров продолжают давать некоторые показания при почти нулевом расходе, вихревой расходомер имеет точку отсечки. Ниже этого уровня выходной сигнал расходомера автоматически фиксируется на нуле (4 мА для аналоговых датчиков). Эта точка отсечки соответствует числу Рейнольдса на уровне 10 000 или ниже. Если минимальный расход, который необходимо измерить, по крайней мере в два раза превышает расход отсечки, это не представляет проблемы. С другой стороны, это может стать недостатком, если требуется информация о низком расходе во время запуска, остановки или других нештатных ситуаций.
Вихревые расходомеры обычно не рекомендуются для дозирования или других применений с прерывистым потоком. Это связано с тем, что при настройке расхода струи на станции дозирования он может опуститься ниже минимального предела числа Рейнольдса измерителя. Чем меньше общая партия, тем более значительной может быть результирующая погрешность.
Газы низкого давления (низкой плотности) не создают достаточно сильного импульса давления, особенно если скорость жидкости низкая. Поэтому, скорее всего, в таких условиях диапазон измерений измерителя будет низким, и низкие потоки не будут измеряться. С другой стороны, если уменьшение дальнобойности приемлемо и расходомер правильно подобран для нормального потока, вихревой расходомер все же можно рассматривать.
Если технологическая жидкость имеет тенденцию покрывать или накапливаться на корпусе вихревого расходомера, как, например, при работе со шламом или суспензией, это в конечном итоге изменит коэффициент K расходомера. Вихревые расходомеры не рекомендуются для таких применений. Однако если грязная жидкость содержит лишь умеренное количество твердых частиц, не являющихся покрытием, то такое применение, скорее всего, будет приемлемым. Это было продемонстрировано в ходе 2-летнего испытания известняковой суспензии. В конце испытания было обнаружено, что коэффициент K изменился всего на 0,3 % по сравнению с первоначальной заводской калибровкой, хотя корпус и проточная трубка были сильно поцарапаны и изъязвлены.
При измерении многофазного потока (твердые частицы в газе или жидкости; пузырьки газа в жидкости; капли жидкости в газе) точность вихревого расходомера будет снижаться из-за неспособности расходомера различать фазы. Влажный пар низкого качества является одним из таких применений: жидкая фаза должна быть однородно диспергирована в паре, и следует избегать вертикальных линий потока во избежание образования пробок. При горизонтальном расположении трубы жидкая фаза, скорее всего, будет перемещаться по дну трубы, поэтому внутреннее пространство трубы должно быть открыто снизу. Этого можно достичь, установив обрывное тело горизонтально. Погрешность измерений в таких системах составляет около 5% от фактического расхода, но с хорошей повторяемостью.
Потери постоянного давления через вихревой расходомер примерно в два раза меньше, чем в случае с отверстиями, т.е. примерно равны двум скоростным напорам. (Скоростной напор определяется как V2/g, где V — скорость потока, а g — гравитационная постоянная в единицах измерения). Если труба и счетчик правильно подобраны и имеют одинаковый размер, перепад давления, скорее всего, составит всего несколько фунтов на квадратный дюйм. Однако уменьшение размера (установка счетчика меньшего размера, чем линейный) с целью увеличения Рейнольдса может увеличить потерю напора до более чем 10 фунтов на квадратный дюйм. Также следует убедиться, что давление в венечной трубе не опускается ниже давления паров рабочей жидкости, поскольку это может привести к кавитации. Естественно, если противодавление на счетчике ниже давления паров, рабочая жидкость будет вспыхивать, и показания счетчика не будут иметь смысла.
Основными преимуществами вихревых расходомеров являются их низкая чувствительность к изменениям условий процесса и низкий износ по сравнению с отверстиями или турбинными расходомерами. Кроме того, первоначальные и эксплуатационные расходы невелики. По этим причинам они получают все большее признание среди пользователей.
При установке вихревого расходомера в существующем технологическом процессе, где диапазон расхода неизвестен, рекомендуется сначала провести приблизительные измерения (с помощью переносных трубок Пито или накладных ультразвуковых приборов). В противном случае нет никакой гарантии, что вихревой расходомер линейного размера вообще будет работать.
Для работы вихревого расходомера необходим хорошо развитый и симметричный профиль скорости потока, без каких-либо искажений или завихрений. Это обусловливает необходимость использования прямого трубопровода для создания потока. Прямой участок трубы должен быть того же размера, что и расходомер (рис. 3), а его длина должна быть примерно такой же, как требуется для установки отверстия с коэффициентом бета 0,7. Большинство производителей вихревых расходомеров рекомендуют использовать минимум 30 диаметров трубы ниже регулирующих клапанов и 3-4 диаметра трубы между расходомером и кранами давления ниже по потоку. Температурные элементы должны быть небольшими и располагаться на 5-6 диаметров ниже по течению.
Рисунок 3: Рекомендации по установке
Примерно половина всех установок вихревых расходомеров требует «сужения» негабаритных технологических трубопроводов с помощью концентрических редукторов и расширителей. Даже если установлены выпрямители потока, все равно потребуется некоторое количество прямых (релаксационных) трубопроводов.
Вихревые расходомеры можно устанавливать вертикально, горизонтально или под любым углом, если они остаются затопленными. Расходомер можно держать затопленным, если установить его в вертикальной восходящей линии потока (Рисунок 3-B). При установке расходомера в нисходящем (Рисунок 3-C) или горизонтальном потоке (Рисунок 3-D), трубопровод ниже по течению должен быть приподнят. Обратные клапаны могут использоваться для поддержания жидкости в трубопроводе при отсутствии потока. Блокирующие и перепускные клапаны необходимы, если замена датчика в конкретной конструкции требует остановки потока и открытия процесса.
Сопрягаемые фланцы (на сопрягаемых трубопроводах по графику 40 или графику 80) должны иметь тот же диаметр и гладкое отверстие, что и расходомер. Предпочтительнее использовать фланцы с приварной горловиной, а редукционные фланцы использовать не следует. На внутренней поверхности ответной трубы не должно быть окалины, ям, отверстий, задиров и неровностей на расстоянии 4 диаметров вверх по течению и 2 диаметров вниз по течению от расходомера. Отверстия счетчика, прокладок и прилегающих трубопроводов должны быть тщательно выровнены, чтобы исключить любые препятствия или ступеньки.
Чрезмерную вибрацию трубопровода можно устранить, подперев трубопровод с обеих сторон счетчика или повернув счетчик так, чтобы датчик оказался вне плоскости вибрации. Технологический шум из-за дребезжания клапанов, пароуловителей или насосов может привести к высоким показаниям или ненулевым показаниям в условиях нулевого расхода. Электроника большинства счетчиков позволяет увеличить настройки фильтра шума, но увеличение степени подавления шума обычно также снижает чувствительность счетчика к низкому расходу. Один из вариантов — перенести счетчик в менее шумную часть технологического процесса.
Частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости жидкости в трубе, а значит, и объемному расходу. Частота образования вихрей не зависит от свойств жидкости, таких как плотность, вязкость, проводимость и т. д., за исключением того, что для образования вихрей поток должен быть турбулентным. Зависимость между частотой вихрей и скоростью жидкости имеет вид:
St = f(d/V)
Где St — число Струхаля, f — частота схода вихрей, d — ширина отвесного тела, V — средняя скорость жидкости. Значение числа Струхаля определяется экспериментально и, как правило, оказывается постоянным в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Число Строухала представляет собой отношение интервала между отбрасыванием вихря (l) и шириной отвесного тела (d), которое равно примерно шести (рис. 4). Число Струхаля — это безразмерный калибровочный коэффициент, используемый для характеристики различных обрывистых тел. Если их число Строухала одинаково, то два разных отвесных тела будут работать и вести себя одинаково.
Рисунок 4: Расчет скорости потока с помощью вихревого расходомера
Поскольку объемный расход Q является произведением средней скорости жидкости и площади поперечного сечения, доступной для потока (A):
Q = AV = (A f d B)/St
где B — коэффициент засорения, определяемый как открытая площадь, оставленная отвесным телом, деленная на полнопроходную площадь трубы. Это уравнение, в свою очередь, может быть переписано как:
Q = fK
где K — коэффициент измерителя, равный произведению (A f d B). Как и в турбинных и других частотных расходомерах, коэффициент K можно определить как количество импульсов на единицу объема (импульсы на галлон, импульсы на кубический фут и т. д.). Таким образом, можно определить скорость потока, подсчитав количество импульсов в единицу времени. Частота вихрей варьируется от одного до тысячи импульсов в секунду, в зависимости от скорости потока, характера рабочей жидкости и размера счетчика. При работе с газом частота вихрей примерно в 10 раз выше, чем при работе с жидкостями.
Коэффициент K определяется производителем, как правило, путем калибровки по воде в проточной лаборатории. Поскольку коэффициент K одинаков для жидкостей, газов и паров, значение, определенное при калибровке по воде, справедливо для любой другой жидкости. Калибровочный коэффициент (K) при умеренных числах Рейнольдса не чувствителен к остроте кромок или другим изменениям размеров, которые влияют на вихревые расходомеры с квадратными кромками.
Хотя уравнения вихревых расходомеров относительно просты, по сравнению с уравнениями для пластин с отверстиями, существует множество правил и соображений, о которых следует помнить. Производители предлагают бесплатное компьютерное программное обеспечение для определения размеров, в котором пользователь вводит свойства жидкости (плотность, вязкость и желаемый диапазон расхода), а программа автоматически определяет размеры счетчика.
Сила, создаваемая вихревым импульсом давления, является функцией плотности жидкости, умноженной на квадрат скорости жидкости. Требование наличия турбулентного потока и силы, достаточной для срабатывания датчика, определяет диапазон работы измерителя. Эта сила должна быть достаточно высокой, чтобы ее можно было отличить от шума. Например, типичный 2-дюймовый вихревой расходомер имеет диапазон расхода воды от 12 до 230 галлонов в минуту. Если плотность или вязкость жидкости отличается от плотности или вязкости воды, диапазон измерения изменится.
Чтобы свести к минимуму шум при измерении, важно выбрать счетчик, который будет адекватно работать как с минимальным, так и с максимальным измеряемым потоком. Рекомендуется, чтобы минимальный измеряемый расход был как минимум в два раза больше минимального расхода, определяемого счетчиком. Максимальная производительность счетчика должна быть не менее чем в пять раз больше предполагаемого максимального расхода.
