Лабораторная работа 3. Поверка вихре акустического расходомера

Часть 1. Задание

Изучить принцип действия и устройство вихре акустического расходомера.

Цель работы:

При выполнении 1-й части необходимо активно использовать методические указания к лабораторным работам и техническое описание и инструкцию по эксплуатации преобразователя расхода Метран -300ПР.

Контрольные вопросы:

1. Какой принцип положен в основу работы вихреакустического расходомера?

2. Укажите назначение призмы установленной на пути потока.

Вихревые расходомеры.

Вихревыми называются расходомеры, основанные на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.

Большим достоинством вихревых расходомеров является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода. Для восприятий колебаний потока, возникающих в вихревом преобразователе, в трубопроводе размещают либо преобразователи давления, либо термопреобразователи. Применение последних возможно потому, что пульсации давления связаны с пульсациями скорости, измерение которых удобно производить с помощью термоанализаторов. Теомопреобразователи применяются преимущественно при измерении расхода газа.

К числу других достоинств вихревых расходомеров следует отнести достаточно хорошую точность, оцениваемую погрешностью в 0,5-2% от предела шкалы, и линейность последней в большом диапазоне измерения.

В зависимости от способа организации вихреобразования имеются два существенно отличных друг от друга типа преобразователей расхода.

В первом из них периодически возникают при обтекании потоком какого- либо тела и образуют при этом пульсации давления.

Во втором типе преобразователей поток закручивается тем или другим способом, приобретая вращательно-поступательное движение, при котором при выходе потока из суженной части трубы в расширенную его ось перемещается и создает при этом импульсации давления.

Для исследования анализа и работы вихревых расходомеров целесообразно использование безразмерных критериев Струхала Sh и Рейнольдса Re. Первый из них характеризует периодические процессы, связанные с движением жидкости или газа, второй же- гидродинамические свойства потока.

Возникновение критерия Струхала было связано с получением пульсаций, возникающих в результате периодического образования и срыва вихрей при обтекании потоком воздуха неподвижного цилиндра:

Sh= (1),

где f- частота пульсаций, - скорость потока, d- характерный размер (например диаметр цилиндра).

Из этого выражения следует, что при постоянстве числа Sh частота срыва вихрей пропорциональна скорости. Следовательно, для линейности шкалы вихревого расходомера надо, чтобы число Sh оставалось постоянным в возможно большем диапазоне расходов чисел Re.

Преобразователи расхода с обтекаемым телом.

При обтекании потоком какого- либо тела, например цилиндра, возникает, возникает ускорение струи, вызывающее увеличение скорости и одновременно падение давления. За обтекаемым телом давление постепенно восстанавливается, а скорости падает. В идеальном потоке без трения преобразование потенциальной энергии в кинетическую и обратный процесс- переход из кинетической в потенциальную осуществляется без потерь и вихреобразования. В действительности вследствие потерь кинетической энергии и влияния мертвой зоны за отпекаемым телом, струи, непосредственно прилегающие к нему под влиянием нарастающего давления начинают уклоняться в область мертвой зоны, свертываться в вихрь, который отрывается от тела и стремится двигаться в обратном направлении. Это имеет место как в вихревой так и нижней точке обтекания цилиндра.

Рисунок 1 Схема образования вихрей

Но, так как развитие вихря с одной стороны препятствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой сторон происходит поочерёдно. В результате получаются две вихревые дорожки с шахматным распределением вихрей в них.

Частота срыва вихрей оценивается уравнением:

f= (2),

где - скорость потока вихря в зоне вихреобразования; - скорость вихря, направленная противоположно скорости ; е- расстояние между вихрями.

Подставляя значение (2) в выражение (1) получим зависимость:

Sh= = (1- )( ) (3),

где - диаметр обтекаемого цилиндра.

Зависимость между расходом Q₀ и частотой пульсации f, равной частоте срыва вихрей, можно получить из уравнения расхода:

Q₀= s (4),

где s-наименьшее поперечное сечение потока вокруг обтекаемого тела. Решая его с выражением (1) для числа Струхала, получим:

Q₀= (5),

откуда следует, что между расходом Q₀ и частотой f пульсаций существует прямая пропорциональность.

В качестве обтекаемого тела выбирают цилиндр, равнобедренный треугольник, обращенный основанием навстречу потоку, призму, имеющую в сечении форму трапеции.