Вихрови разходомери
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 9, 2008
Съвременните уреди поддържат комуникационни, изчислителни и самодиагностични функции
Разходът е сред основните параметри, които се следят и контролират в областта на процесната индустрия. Точното и надеждно измерване на разхода има голямо технологично значение, тъй като оказва влияние върху производствените процеси, а в редица случаи и пряко върху икономическата ефективност. Сред най-широко използваните средства за измерване на разход са вихровите разходомери. Те представляват универсално решение за измерване разхода на пара, газ и течност.
Принцип на работа
на вихровите разходомери се основава на Кармановата вихрова пътека. Холандецът Теодор ван Карман през 1912 г. е описал математически образуването на завихряния по течението на потока вследствие от поставянето на преграда с кръгла форма, напречно на движението му. В резултат от протичането на определен флуид покрай преградно тяло се образуват редуващи се двустранни завихряния със срещуположна посока на въртене. Карман е открил закономерност между честотата на вихрите и скоростта, с която флуидът обтича препятствието. На фиг. 1 може да се види природното явление вихър.
Математически завихрянията се описват със следната зависимост - f= SV/L, където f е честотата им, L е характерната дължина на преградата (завихрителя), V е скоростта на потока през завихрителя, а S е числото на Strouhal. То представлява основна бездименсионна константа, зависеща от формата на тялото, използвано за завихрител.
Основни възли на вихровите разходомери
Конструктивно (фиг. 2), вихровите разходомери се състоят от измервателно устройство и преобразувател (трансмитер). Измервателното устройство има цилиндричен корпус, в който са разположени преграда и сензор. Преградата, използвана от Карман за анализиране на явлението, е кръгла. В практиката по-голямо приложение намират прегради с триъгълен профил и постоянно сечение по целия диаметър. Препятствието се разполага в предната част на корпуса на уреда, а условно по средата се намира тялото на сензора. Завихрянията се проявяват регулярно в потока, ограничен от геометричните параметри на измервателното устройство. Всяко завихряне създава области на локално ниско налягане. Промените в налягането се регистрират от сензор и се преобразуват в електрически сигнал (импулси). Сензорът е разположен след препятствието (завихрителя), по посока на потока, и на практика измерва честотата на завихрянията, която е пропорционална на обемния разход.
При измерване разхода на вещества с вихров разходомер е невъзможно да се избегне споменаването на т.нар. К-фактор. Представлява пропорционална константа, която отразява броя на генерираните импулси за единица разход. Именно благодарение на К-фактора се определя разходът на контролирания флуид. Той зависи само от геометричните характеристики на устройството. Скоростта на флуида, както и свойствата, плътността и вискозитетът му не оказват влияние върху К-фактора. Тъй като К-факторът не зависи от типа на флуида, с един и същ разходомер могат да се измерват пара, газ или течност.
Както вече бе посочено, честотата на първичния сигнал, генериран от прибора, е пропорционална на разхода. К-факторът се определя от производителя чрез калибриране на готовото измервателно устройство и не се влияе от продължителността на използване и нулевия дрейф.
Пиезоелектрични сензори за вихрови разходомери
От най-голямо значение за надеждността и работоспособността на измервателната система е сензорът на вихровия разходомер. През последните години преимуществено се използват капацитивни и пиезоелектрични сензори.
Пиезоелектричните сензори се основават на свойството на някои кристали да генерират електрически заряд, който е пропорционален на силата, въздействаща върху него. Също така, генерираният електрически заряд променя своя знак при смяна на посоката на натоварване. Пиезоелектричният кристал генерира малки, но измерими напреженови импулси.
Тези елементи притежават определени недостатъци, например, чувствителни са към големи промени в температурата и направлението, в което се прилага силата.
Електронният блок, използван за преобразуване на първичния напреженов сигнал, има праг на минимална чувствителност. За това е необходимо амплитудата му да достигне нивата на сработване (тригерните нива), за да се промени състоянието на изходния сигнал. Следователно, съществува ограничение по отношение на чувствителността и минималния обхват на измерване на уредите. Въздействие върху резултата оказват и вибрациите, предавани по тръбопровода, тъй като пиезоелектрическият сензор не може да ги различи от завихрянията.
Съществено подобрение на възможностите на този тип сензори се наблюдава чрез използването на два пиезоелемента в общ корпус. При тази конструкция сензорът различава полезните сигнали от тези, предизвикани от смущаващи въздействия, като вибрации, хидравлични удари. Конструкцията се характеризира със значително подобрена чувствителност.
На фиг. 3 е показан сензор с два пиезокристала и термоелемент. Сигналите от двата пиезоелемента се подават на диференциален усилвател (фиг. 4). Сигнал на изхода се получава при завихряния в измервателното устройство. Завихрянията се отчитат при напреженови сигнали с обратен поляритет и на двата входа на усилвателя (фиг. 5). Сигнал само на един от входовете се генерира при смущения, които не се отчитат като завихряне (фиг. 6).
Капацитивни сензори при вихровите разходомери
Другият тип сензори, които се използват във вихрови разходомери, са капацитивните или наричани още у нас DSC (Differential Switched Capacitance) сензори. Работата им се основава на зависимостта между капацитета и разстоянието между плочите на кондензатор (фиг. 7).
Основният проблем при капацитивните сензори е влияние на вибрациите върху измерването. Под действието на локалните налягания, тялото на сензора се отклонява съвсем леко (на микрометри) в едната посока. То е свързано механично с централния електрод на уреда, който се премества от едната плоча на кондензатора до другата. Резултатът е генериране на импулси. Капацитивният сензор е конструктивно балансиран, т.е. с разпределено тегло. По този начин се отчита единствено изменението на налягането, вследствие на завихряне. Уредът е нечувствителен към механичните вибрации по тръбопровода. Вибрации с честота до 500 Hz и ускорение в размер на 1 G не оказват влияние върху измерването на разхода.
Друга характеристика на DCS сензорите е подаването на т.нар. чист сигнал, без пикови смущения към преобразувателя. На фиг. 8 са показани диаграми на първичните сигнали от DCS (фиг. 8а) и обикновен пиезоелектрически сензор (фиг. 8б). Сигналът не следва да се филтрира или демпферира, а това предполага постигането на по-високи чувствителност и точност на измервателната система.
Тенденции в усъвършенстването им
Базова тенденция в развитието на вихровите разходомери е повишаване устойчивостта на сензорите спрямо смущаващи въздействия. Водещи компании в областта тестват произвежданите от тях сензори на шоково изменение в стойността на температурата, вибрациите, хидравличните удари и други. Целта, разбира се, е постигането на оптимални устойчивост и дълговечност, без влошаване на метрологичните характеристики.
Сензорите от последно поколение се отличават с малки размери, усъвършенстван дизайн и подобрени уплътнения. Те имат способността да измерват и най-малките количества разход, при ниска плътност на флуида, въпреки наличието на вибрации. Съществено предимство на вихровите разходомери е отсъствието на подвижни елементи от конструкцията, което допринася за постигането
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 6/2024
