Строительство трубопроводов

Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит поочередно на противоположных ребрах тела обтекания (рис. 3).

При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока:

f = St (v/d), (1)

где f- частота образования вихрей Кармана,

St- число Струхаля,

v – скорость потока среды,

d - ширина тела обтекания.

Число Струхаля -  эмпирическая величина, определяемая геометрией измерительного участка расходомера.

Рис.3 Образование вихрей на теле обтекания

Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей (рис.4). Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога.

Рис.4 Режимы течения потока

Известная величина в гидродинамике – число Рейнольдса позволяет привести все среды к одному безразмерному параметру, который характеризует турбулентность течения потока:

Re = (ρν / μ) / D, (2)

где ν- скорость среды;

μ- ее вязкость;

ρ- плотность среды;

D - диаметр трубопровода.

При малом Re, порядка нескольких десятков, течение ламинарно, при Re > нескольких тысяч устанавливается развитый турбулентный режим. В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля St практически  равно константе (2), благодаря чему получается, что коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится не зависящим ни от плотности, ни от вязкости измеряемой среды и одинаков для всех типов сред.

Рис. 5 Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса

При этом следует отметить, что в силу природы эффекта при числах Рейнольдса ниже 20000 вихревые расходомеры не гарантируют точность измерений, так как число Струхаля в этом диапазоне значительно варьируется (рис 5.), хотя некоторые расходомеры имеют специальный инструмент для индивидуальной калибровки в диапазоне 5000<Re<20000, чтобы измерять с хорошей точностью и здесь.

Рассмотрим более подробно условия применения вихревых расходомеров.

Физические ограничения применения вихревого принципа измерений

Ограничения по скорости потока

Помимо принципиального ограничения эффекта Кармана в области малых чисел Рейнольдса, есть еще другие факторы, определяющие нижнюю границу измерений по скорости. Главным образом это связано с тем, что большинство систем детектирования вихрей пассивны, и они используют кинетическую энергию среды.

При работе с газами, где плотность может различаться на порядки, следует очень внимательно смотреть на ограничения по плотности среды, так как кинетическая энергия также определяется и массой, и для детектирования вихрей необходимо также, чтобы среда также обладала достаточной массой для воздействия на сенсор. Максимальные скорости в основном ограничиваются эффектами второго порядка (генерация вихрей стенками трубопровода).

Существующие принципы детектирования вихрей

При том, что все вихревые расходомеры используют в своей основе одно и то же физическое явление, расходомеры разных производителей имеют отличающиеся как технические характеристики, так и надежность и требования по установке. В основе этих отличий лежат в первую очередь разные принципы детектирования вихрей. В данном разделе мы опишем некоторые наиболее популярные из них.

1.      Манометрический (Метран 331, 335, Foxboro, Взлет ВРС)

Изменяющееся давление, приложенное к телу обтекания, измеряется встроенным датчиком давления. Датчики давления имеют непосредственный контакт с технологической средой.

2. Осциллирующий диск

Образование вихрей вызывает возникновение переменного давления, приложенного с той же частотой к телу обтекания. Давление передается через канал внутри завихрителя к чувствительному диску или диафрагме. Таким образом, диск осциллирует частотой изменения локального давления. Осцилляции диска измеряются магнитным датчиком положения, расположенным непосредственно вблизи диска. Недостатком данного метода является возможность закупоривания канала, а также возможность выхода из строя как диска, так и магнитного датчика.

3. Ультразвуковой (Метран 300ПР, Метран 320, Метран 305ПР, Метран 303ПР)

Рис. 6

Вихри, образующиеся вблизи тела обтекания, усиливаются и достигают своего развития ниже по потоку, где происходит их детектирование ультразвуковым методом. Ультразвуковой сигнал излучается с одной стороны трубопровода перпендикулярно течению жидкости и принимается с противоположной (рис.6). Из анализа амплитудно- модулированного ультразвукового сигнала определяется величина объемного расхода. Применение в случае газовых сред проблематично из-за особенностей поглощения ультразвука газом. Метод позволяет измерять объемный расход с лучшей точностью (до 0,5%), однако вихревые расходомеры с ультразвуковым сенсором показали себя достаточно сложными в обслуживании.

4. Метод изгибных напряжений (Yokogawa)

Суть этого принципа заключается в том, что формирование вихрей на теле обтекания приводит к возникновению переменного давления, приложенного к телу обтекания, что приводит к возникновению переменной силы, которая приводит к возникновению малых изгибных напряжений в теле обтекания с той же самой частотой, что и частота образования вихрей. Эти изгибные напряжения регистрируются пьезодатчиками, расположенными в теле обтекания. Возникающая в момент срыва изгибающая сила регистрируется расположенными внутри него пьезодатчиками.

Требования по установке расходомеров

Влияние вибрации

В схемах трубопроводов существует достаточно большое количество источников вибрации, к которым относятся не только двигатели, компрессоры, насосы, но и клапаны, вентили. Даже простые колена трубы или излишние неровности внутри трубы при превышении определенных скоростей могут стать дополнительными источниками вибрации. Вихри, которые должны четко детектировать вихревые расходомеры, по своим проявлениям очень близки к эффектам, возникающим при вибрации трубопровода. Таким образом, получается противоречие: вихревые расходомеры с одной стороны должны быть очень чувствительны к воздействию вихрей (это критично при малых расходах или низких плотностях), с другой стороны - они должны быть устойчивыми по отношению к другим вибрациям, которые очень сложно отделить от полезного сигнала. Поэтому все без исключения вихревые расходомеры требуют очень внимательного отношения в плане минимизации вибрации в месте установки. Конечно, все производители стараются привить расходомерам определенный иммунитет к вибрации, тем самым - снизить затраты по установке и дополнительные погрешности, возникающие из-за вибрации. От того, насколько это реально удается, зависит степень их применимости на тех или иных позициях и достоверность их показаний.

Существующие вихревые расходомеры можно условно разделить на 2 класса по их защите от вибраций: а) расходомеры без специальной защиты или с простейшими уровнями защиты, такими как полосовой фильтр и порог по  амплитуде, б) расходомеры с аппаратом адаптивной фильтрации вихревого сигнала.

а) расходомеры с простейшими уровнями защиты от вибрации: Большинство производителей вихревых расходомеров останавливаются на простейших вариантах защиты от вибрации и в крайних случаях рекомендуют прибегать к вращению расходомера вдоль оси трубопровода. Следует отметить, что это дает более-менее надежные результаты при фиксированных условиях вибрации. Обычно их настройки производятся при нулевом расходе так, чтобы показания расходомера свелись к нулю. Естественно здесь есть существенный недостаток: в этих случаях не учитывается динамическая составляющая вибрации, меняющаяся с расходом. Обычно источниками такой вибрации являются возмущающие поток элементы схемы, такие как клапана, вентили, изгибы труб, шероховатости и т.п. Таким образом, получается, что Вы не можете гарантировать достоверность показаний при реальном расходе в Ваших условиях установки расходомера. Обычно такие расходомеры применяют для измерения расхода жидкости на небольших скоростях потока при отсутствии или минимальной вибрации. Они требуют обязательной дополнительной настройки после установки. Такие расходомеры не рекомендуется ставить на учетные позиции.

б) расходомеры с аппаратом адаптивной фильтрации вихревого сигнала: Аппарат адаптивной фильтрации  применяется в расходомерах digital YEWFLO (фирмы Yokogawa) и «Взлет ВРС» (производства ЗАО «ВЗЛЕТ»). В условиях реальной эксплуатации такие приборы дают более достоверные показания.

Измерение и учет расхода газа приборами «Взлет ВРС»

Рис. 7  Расходомер-счетчик вихревой газовый «Взлет ВРС».

Рис. 8 Размещение датчиков расхода, давления и температуры.

Состав комплекта поставки для различных исполнений расходомера-счетчика вихревого газового «Взлет ВРС» приведен в таблице 1.

Таблица 1

Состав комплекта поставки исполнений расходомера-счетчика вихревого газового «Взлет ВРС»

В таблице приняты следующие обозначения:

ВПР – вихревой преобразователь расхода;

ДД – датчик давления;

ТПС – термопреобразователь преобразователь температуры;

БПИ – блок питания и искрозащиты;

КГ – корректор газовый;

БОПИ – блок отображения и передачи информации;

ИЭП – блок электропитания;

ИВП – источник вторичного питания;

БГИ – блок гальванически развязанного интерфейса.

ВПР служит для измерения объемного расхода газа, осуществляет преобразование объемного расхода газа в последовательность прямоугольных импульсов, частота которых прямо пропорциональна расходу газа в рабочих условиях.

ДД измеряет абсолютное давление, осуществляет преобразование измеренного давления в токовый сигнал.

ТПС служит для измерения температуры.

БПИ обеспечивает электропитание ВПР и датчика давления напряжениями постоянного тока требуемой величины, и ограничивает токи и напряжения в цепях питания ВПР, ДД и ТПС до искробезопасных значений. Питание измерительных цепей ПТ осуществляется от корректора газового.

Изделие выпускается в различных вариантах исполнения:

• БПИ 700 – для питания и взрывозащиты датчиков расхода, давления и темпе-ратуры;

• БПИ 700-02 – для питания и взрывозащиты датчика расхода.

КГ предназначен для вычисления, индикации, регистрации, хранения и передачи значений давления, температуры, объема и объемного расхода в рабочих и стандартных условиях, а также массы и энергосодержания природного газа. Осуществляет приведение расхода газа к стандартным условиям используя информацию с датчиков давления и температуры (методы NX-19 и GERG-91 согласно ГОСТу 30319.2-96). Также КГ осуществляет все сервисные функции для «Взлет ВРС-Г».

БОПИ предназначен для индикации и хранения результатов измерения. Осуществляет ввод установочных параметров по интерфейсу RS 232/485 (используется ПО «Универсальный просмотрщик»), а также вывод результатов измерения по RS 232/485, посредством токовых, логических сигналов.

Исполнения БОПИ приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Исполнения БОПИ