Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

Рис. 4.50 — Образование вихрей

Количество вихрей, генерируемое в секунду f от каждой стороны поверхности обтекаемого тела, можно определить как

(4.39)

где vs — средняя скорость жидкости вблизи плохо обтекаемого тела; S — фактически постоянная величина, называемая числом Струхаля. Поток жидкости тела протекает через площадь, равную

(4.40)

где D — диаметр трубы. Предполагается, что тело имеет прямоугольную поверхность поперечного сечения шириной d, расположенную в диаметральной плоскости трубы, и его эффективная площадь равна примерно Fd.

Скорость vs в этом месте определяется скоростью v на некотором удалении от тела, и объемный расход Q может быть определен как

(4.41)

следовательно,

(4.42)

Имеется много методов для измерения частоты вихрей. Например, можно измерять давление потока за обтекаемым телом. При возникновении вихря статическое давление уменьшается. Таким образом, по частоте изменения давления, измеряемого кварцевым пьезоэлементом, можно судить о частоте вихрей, а значит, и о расходе вещества.

В другом методе вихри оказывают воздействие на луч ультразвуковой волны. Этот метод реализован в вихреакустических расходомерах (рис. 4.51). Преобразователь в этом случае представляет собой моноблочную конструкцию, состоящую из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены: тело обтекания — призма трапецеидального сечения 1, пьезоизлучатели (ПИ) 2, пьезоприемники (ПП) 3 и термодатчик 7.

Электронный блок включает в себя генератор 4, фазовый детектор 5, микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов 6, смонтированные на печатной плате.

Рис. 4.51 — Вихреакустические расходомеры

Тело обтекания (ТО) установлено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании ТО потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна скорости потока, а следовательно, и расходу.

За ТО в корпусе проточной части диаметрально противоположно друг другу установлены стаканчики, в которых собраны ультразвуковой пьезоизлучатель (ПИ) и пьезоприемник (ПП).

В зависимости от типа преобразователи имеют два конструктивных исполнения:

1)однолучевые преобразователи — одна пара ПИ, ПП (Dу 25– 200 мм);

2)двухлучевые преобразователи — две пары ПИ, ПП (Dу 250– 300 мм).

привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться по кривой ОВ, причем его скорость относительно диска быстро изменяет свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него действовала сила fc , перпендикулярная направлению движения шарика.

Сила Кориолиса не является «настоящей» в смысле механики Ньютона. При рассмотрении движений относительно инерциальной системы отсчета такая сила вообще не существует. Она вводится искусственно при рассмотрении движений в системах отсчета, вращающихся относительно инерциальных, чтобы придать уравнениям движения в таких системах формально такой же вид, что и в инерциальных системах отсчета.

Чтобы заставить шарик катиться вдоль ОА, нужно сделать направляющую, выполненную в виде ребра. При качении шарика направляющее ребро действует на него с некоторой силой. Относительно вращающейся системы (диска) шарик движется с постоянной по направлению скоростью. Это можно объяснить тем, что эта сила уравновешивается приложенной к шарику силой инерции:

где — масса; — скорость относительно принятой системы отсчета; — угловая скорость вращения диска.

Сила Кориолиса вызывает кориолисово ускорение. Выражение для этого ускорения имеет вид:

Ускорение направлено перпендикулярно векторам , и максимально, если относительная скорость точки ортогональна угловой скорости вращения подвижной системы отсчета. Кориолисово ускорение равно нулю, если угол между векторами , равен нулю или π, либо если хотя бы один из этих векторов равен нулю.

Следовательно, в общем случае, при использовании уравнений Ньютона во вращающейся системе отсчета, возникает необходимость учитывать центробежную, центростремительную силы инерции, а также кориолисову силу.

Таким образом, всегда лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. Сила Кориолиса возникает только в случае, когда те-

ло изменяет свое положение по отношению к вращающейся системе отсчета.

Эта закономерность является основой принципа действия расходомеров, схема датчика которых показана на рисунке 4.54.

Жидкость, массовый расход Q которой необходимо измерить, течет со скоростью v через измерительную трубку U-образной формы (4.53). Трубку приводят в колебательное движение относительно оси ОО', перпендикулярной рукавам U-образной трубки; мгновенная угловая скорость трубки равна W. При отсутствии расхода жидкости оба рукава трубки колеблются синфазно, т. е. угол Ɵ поворота трубки равен нулю. При ненулевом расходе жидкости возникает сила Кориолиса, которая действует на рукава трубки в разных направлениях, так как жидкость течет в них в разные стороны.

Рис. 4.53 — Чувствительный элемент кориолисовых расходомеров:

а— при отсутствии расхода; б — при наличии расхода;

в— вид на чувствительный элемент спереди при наличии расхода

Врезультате рукава колеблются со сдвигом по фазе. Величину этого сдвига можно определить по сигналам преобразователей перемещения, укрепленных на рукавах трубки. В расходомере «Метран360» для этой цели применяют индуктивные преобразователи перемещений.

А в качестве устройства возбуждения колебаний применяют электромагнит переменного тока. Колебания трубки происходят на ее собственной частоте, которая зависит от массы трубки вместе с находящейся в ней жидкостью. Так как объем трубки всегда постоянный, то масса трубки однозначно зависит от плотности заполняющей ее среды.

Таким образом, по частоте колебаний трубки можно определить плотность, находящейся в ней жидкости.