Debitmetru vortex

Un debitmetru vortex  este un tip de debitmetru , al cărui principiu se bazează pe măsurarea frecvenței oscilațiilor care apar în flux în procesul de formare a vortexului.

Debitmetrele (contoarele) ale cantității de substanță sunt elemente importante ale sistemelor de măsurare a consumului de energie și control al proceselor din diverse industrii și servicii de locuințe și comunale [1] [2] [3] [4] [5] . Cele mai versatile și cele mai solicitate până acum sunt debitmetrele, care implementează metoda de măsurare a căderii de presiune pe orificiu. Această metodă poate fi utilizată pentru a măsura debitul aproape oricăror substanțe lichide și gazoase care se deplasează prin țevi cu diametre mici și mari într-o gamă largă de presiuni și temperaturi în exces. Cu toate acestea, dezavantajul său este dependența pătratică a căderii de presiune de debitul și, ca urmare, intervale mici de măsurare dinamică (1:3 ... 1:5) și o eroare semnificativă, atingând 3-5% în partea inferioară. parte a intervalului [1] [2] . În acest sens, pentru a rezolva anumite probleme tehnice, au fost dezvoltate alte metode de măsurare a debitului, mai informative (tahometrice, de putere, electromagnetice, ultrasonice, optice etc.), dintre care există deja peste 20 [2] . În același timp, rămâne relevantă sarcina dezvoltării și implementării practice a unei astfel de metode, care ar putea concura în universalitate cu metoda de măsurare a căderii de presiune, dar a oferit o precizie mai mare de măsurare într-un interval dinamic larg.

Cum funcționează

În debitmetrele vortex, pentru a crea o mișcare vortex, un corp bluff, de obicei sub forma unui trapez în secțiune transversală, este instalat pe calea fluxului de antrenare de lichid, gaz sau vapori. Sistemul de vortexuri format în spatele lui se numește strada vortexului lui Karman . Frecvența vârtejurilor în prima aproximare este proporțională cu viteza curgerii și depinde de criteriul adimensional ( numărul Strouhal ) și de lățimea corpului de bluff [2] [3] [4] [5] :

Avantajul debitmetrelor vortex este absența oricăror elemente în mișcare în interiorul conductei, neliniaritatea destul de scăzută (<1,0%) într-un domeniu larg de măsurare (>1:10…1:40), semnalul de ieșire de frecvență, precum și invarianța metodei în raport cu proprietățile electrice și starea agregată a mediului în mișcare.

Primele debitmetre vortex de lichide au apărut în anii 1960 în Statele Unite , Japonia și URSS . Primele dezvoltări ale debitmetrelor vortex pentru gaz și abur în Rusia datează din anii 1990. În ciuda timpului destul de lung de stăpânire a acestor dispozitive în tehnologia de măsurare, teoria și practica debitmetrelor vortex este în mod constant dezvoltată și îmbunătățită. Se caută soluții de circuite mai bune, proiecte mai eficiente și mai avansate tehnologic ale convertoarelor primare de debit [4] [5] .

Schema tipică

O schemă tipică a unui debitmetru vortex cu senzori de presiune piezoelectrici ca convertoare ai energiei de curgere în frecvența unui semnal electric include o parte de debit a debitmetrului instalată cu ajutorul flanșelor în conductă și conține un corp bluff, în spatele căruia senzorii de presiune sunt instalate în perechi. Pulsațiile de presiune care apar în flux ca urmare a formării vortexului sunt înregistrate de senzori, iar frecvența procesului este proporțională cu viteza curgerii. Amplasarea perechilor de senzori permite amplificarea semnalului util și reducerea la minimum a vibrațiilor și interferențelor acustice, deoarece semnalul unuia dintre ei este inversat și însumat cu semnalul altui senzor din dispozitivul de potrivire, iar semnalul de zgomot este scăzut la sumator. Debitmetrul conține, de asemenea, un traductor de normalizare care generează un semnal de impuls normalizat, de exemplu, la 1 l/s și un calculator plasat într-o carcasă separată. Calculatorul oferă digitizarea semnalului de informații, calculul cantității totale de lichid sau gaz care a trecut prin conducta de presiune într-o perioadă de timp, indicarea debitului instantaneu și total, autodiagnosticarea dispozitivului, stocarea informațiilor în memoria nevolatilă și transferați-l pe computerul nivelului superior al sistemului de măsurare sau control [4] .

Convertoare de energie de flux

Unul dintre cele mai importante elemente ale debitmetrelor vortex sunt convertoarele de energie de curgere într-un semnal electric, care determină în mare măsură capacitățile operaționale și nivelul tehnic al dispozitivelor. Documentația tehnică a debitmetrelor vortex atât a companiilor autohtone, cât și a celor mai importante companii străine conține informații extrem de puține privind principiul de funcționare și proiectarea convertoarelor de tip energetic. Astfel, compania EMCO (SUA) raportează doar că senzorul este o matrice piezoresistivă semiconductoare. În documentația companiilor germane, nu există deloc informații despre principiul de funcționare al senzorului, deși unul dintre brevetele Endress + Hauser descrie un debitmetru vortex cu un senzor capacitiv unificat sub forma unei aripi, instalat în spatele bluff-ului. corp. Doar Yokogawa Electric (Japonia) descrie în detaliu un traductor piezoelectric compensat de vibrații , constând dintr-un set de elemente piezoelectrice sub formă de șaibe, instalate la capătul corpului bluff-ului. De asemenea, sunt cunoscute convertoare inductive, anemometrice , optoelectronice și alte convertoare de energie de flux [1] [2] .

Probleme

Trebuie remarcat faptul că procesele fizice care au loc în conducta din spatele corpului de bluff sunt foarte complexe. Fluctuațiile de presiune, temperatură, viteza sunetului și alți parametri fizici apar în flux. În ciuda dezvoltării rapide a metodelor numerice pentru descrierea obiectelor complexe, încă nu există modele matematice satisfăcătoare ale proceselor hidrodinamice care au loc în debitmetrele vortex. Distribuția spațio-temporală a caracteristicilor fizice într-un mediu în mișcare în funcție de viteza, starea de agregare, vâscozitatea mediului nu este complet clară. Corpul bluff în timpul formării vortexului experimentează o stare complexă de efort-deformare , unde există atât oscilații de torsiune , cât și de încovoiere și altele. Toate acestea oferă spațiu pentru creativitatea dezvoltatorilor și o cantitate mare de muncă experimentală pentru a găsi soluții optime [5] .

Prevalență

În prezent, debitmetrele vortex cu senzori piezoelectrici sunt utilizate pentru a măsura debitul de lichid , gaz și abur pe țevi cu un diametru de 15 până la 500 mm cu un interval dinamic de 1:40 și mai mare și o eroare relativă (1 ... 1,5). %) la temperaturi medii controlate de la - 60 la 500 °C și presiuni de până la 30 MPa, oferind mai mult de 5% din mijloacele de contabilizare a purtătorilor de energie lichidă și gazoasă pe piața mondială .

Note

  1. ↑ 1 2 3 GOST 8.563.1-97. Măsurarea debitului și cantității de lichide și gaze prin metoda căderii variabile de presiune / Ed. A. B. Vasil'eva. - Minsk: Editura standardelor, 1997.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Kremlevsky P. P. Debitmetre și contoare ale cantității de substanțe. Director. - Ed. a 5-a, per. și suplimentar .. - Sankt Petersburg. : Mashinostroenie, 2002. - 409 p. - 3000 de exemplare.
  3. ↑ 1 2 Kiyasbeyli A. Sh., Perelshtein M. E. Instrumente de măsurare Vortex. - M . : Mashinostroenie, 1978. - 152 p.
  4. ↑ 1 2 3 4 Abramov G.S., Barychev A.V., Zimin M.I. Măsurarea practică a debitului în industrie. - M. : SA VNIIOENG, 2000. - 472 p.
  5. ↑ 1 2 3 4 Bogush M. V. Instrumentație piezoelectrică: colecție în 3 volume. - Rostov-pe-Don: Editura SKNTs VSH, 2006. - T. 3. Senzori piezoelectrici pentru conditii extreme de functionare. — 346 p.