Введение в технологию вихревых расходомеров

Вихревые расходомеры - это универсальные приборы, предназначенные для измерения расхода жидкостей, газов и пара путем обнаружения вихрей, сбрасываемых с тела обтекания, помещенного в поток. Эти устройства используют эффект Кармана, когда вихри генерируются попеременно по обе стороны от тела обтекания с частотой, пропорциональной скорости потока. Эта частота обнаруживается датчиками и преобразуется в стандартизированные выходные сигналы, такие как 4–20 мА или цифровые протоколы (HART, PROFIBUS) для интеграции с системами управления. Вихревые расходомеры характеризуются широкой применимостью, высокой надежностью и минимальными требованиями к техническому обслуживанию, что делает их подходящими для различных отраслей, включая химическую обработку, выработку электроэнергии, нефтегазовую промышленность и очистку воды. Их прочная конструкция, отсутствие движущихся частей и невосприимчивость к изменениям свойств жидкости в определенных условиях способствуют их популярности в промышленных приложениях для измерения расхода.

Принципы работы и механизмы обнаружения

Операционная основа вихревых расходомеров лежит в основе явления вихревой дорожки Кармана. Когда жидкость проходит через тело обтекания (также называемое барьером), она генерирует чередующиеся вихри ниже по потоку. Частота сброса вихрей (f) прямо пропорциональна скорости жидкости (v) и обратно пропорциональна ширине тела обтекания (d), как описано уравнением:

f=St×dv​

где St представляет собой число Струхаля, безразмерную константу, которая остается стабильной в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Пьезоэлектрические или емкостные датчики, встроенные в измеритель, обнаруживают колебания давления, вызванные сбросом вихрей, и преобразуют их в электрические сигналы. Передовые методы обработки сигналов, включая алгоритмы на основе преобразования Гильберта-Хуанга (HHT), повышают точность оценки частоты и улучшают устойчивость к вибрации трубопровода и помехам от турбулентности жидкости. Современные вихревые расходомеры включают цифровые сигнальные процессоры (DSP) для обработки сигналов в реальном времени, температурной компенсации и возможностей самодиагностики.

Основные технические характеристики и эксплуатационные характеристики

Вихревые расходомеры обладают несколькими ключевыми эксплуатационными параметрами, которые определяют их пригодность для конкретных применений. Точность измерения обычно достигает ±0,5%–±1% от показаний для жидкостей и ±1%–±1,5% для газов и пара в эталонных условиях. Диапазон измерений (коэффициент изменения расхода) обычно составляет от 10:1 до 20:1, а некоторые модели достигают до 25:1, что позволяет эффективно измерять в широком диапазоне расходов. Эти приборы работают в широком диапазоне температур (например, от -200°C до +400°C) и при давлении до 420 бар, в зависимости от модели и конструкционных материалов. Потери давления, создаваемые вихревыми расходомерами, обычно ниже, чем у устройств перепада давления, но выше, чем у магнитных или ультразвуковых расходомеров. Современные устройства имеют несколько вариантов выхода, включая аналоговый 4–20 мА, импульсный и цифровой обмен данными через HART, PROFIBUS, FOUNDATION Fieldbus или Ethernet-APL, что обеспечивает бесшовную интеграцию с системами промышленной автоматизации.

Сценарии применения в различных отраслях

Вихревые расходомеры выполняют критические функции во многих отраслях промышленности. В химической обработке они измеряют потоки сырья, входы в реакторы и перенос готовой продукции, при этом цельносварные конструкции из нержавеющей стали обрабатывают агрессивные среды. Электростанции используют эти расходомеры для измерения расхода пара в системах котлов и регулирования питательной воды, где их способность выдерживать высокие температуры и давления обеспечивает надежную работу. Нефтегазовая промышленность использует вихревые расходомеры для мониторинга топливного газа, измерения добытой воды и учета факельного газа, получая выгоду от минимальных требований к техническому обслуживанию в удаленных местах. Приложения HVAC включают измерение расхода охлажденной и горячей воды для систем управления энергопотреблением. Кроме того, вихревые расходомеры эффективно контролируют потоки сжатого воздуха и промышленных газов на производственных предприятиях, предоставляя точные данные для оптимизации процессов и распределения затрат.

Руководство по установке и лучшие практики

Правильная установка имеет решающее значение для оптимальной работы вихревого расходомера. Требования к прямому участку трубопровода до и после расходомера обычно составляют от 10 до 30 диаметров трубы в зависимости от возмущений потока, вызванных коленями, клапанами или насосами. Расходомер следует ориентировать так, чтобы поддерживать полное состояние трубы для жидкостных применений, уделяя особое внимание избежанию воздушных карманов в горизонтальных установках. Для измерения пара и газа установки должны отдавать приоритет потоку вниз в вертикальных трубах, чтобы предотвратить накопление конденсата. Заземляющие кольца или заземляющие электроды рекомендуются при измерении жидкостей с низкой проводимостью для рассеивания электростатических зарядов. Несоосность трубопроводов следует свести к минимуму, чтобы избежать ошибок измерения, и следует обеспечить поддержку для предотвращения механического напряжения на корпусе расходомера. Изолирующие клапаны и обводные трубопроводы облегчают техническое обслуживание без прерывания процесса, а надлежащее уплотнение и кабельные вводы обеспечивают защиту окружающей среды в соответствии с классификацией зоны.

Преимущества и ограничения в промышленных применениях

Вихревые расходомеры предлагают значительные преимущества, включая минимальное техническое обслуживание из-за отсутствия движущихся частей, широкую применимость для различных типов жидкостей и стабильность, не зависящую от изменений плотности, давления или температуры при измерении объемного расхода. Их простая конструкция обеспечивает высокую надежность и длительный срок службы, а современные возможности цифровой связи обеспечивают расширенную диагностику и удаленную настройку. Однако эти расходомеры требуют минимальной скорости жидкости для поддержания вихреобразования (обычно 0,3–0,5 м/с для жидкостей, 3–5 м/с для газов), что ограничивает их эффективность при очень низких расходах. Они также подвержены ошибкам измерения в приложениях со значительной вибрацией трубопровода или когда жидкость содержит чрезмерное количество твердых частиц, которые могут покрывать тело обтекания. Понимание этих ограничений необходимо для правильного выбора расходомера и успеха применения.

Будущие разработки и технологические тенденции

Технология вихревых расходомеров продолжает развиваться, появляются несколько значительных тенденций. Улучшенные методы цифровой обработки сигналов улучшают отношение сигнал/шум, расширяя полезный диапазон измерений и устойчивость к вибрации. Многопараметрические возможности теперь включают интегрированное измерение температуры и давления для расчета массового расхода и мониторинга энергии. Связь развивается в направлении Ethernet-APL и беспроводных протоколов для более простой интеграции с архитектурами Industrial Internet of Things (IIoT). Диагностика прогрессировала, включив в себя возможности обнаружения влажного пара и мониторинг производительности в реальном времени, поддерживая стратегии профилактического обслуживания. Производители также разрабатывают специализированные конструкции для сложных применений, включая версии высокого давления для добычи нефти и газа и гигиенические модели для фармацевтической и пищевой промышленности.

-Endress+Hauser

-ALLEN BRADLEY 

-YOKOGAWA 

-MTL

-P+F

-Больше продуктов