Caudalímetro de vórtice

Un medidor de flujo de vórtice  es un tipo de medidor de flujo , cuyo principio se basa en medir la frecuencia de las oscilaciones que ocurren en el flujo en el proceso de formación de vórtices.

Los medidores de flujo (medidores) de la cantidad de una sustancia son elementos importantes de los sistemas de control de procesos y medición del consumo de energía en varias industrias y servicios comunitarios y de vivienda [1] [2] [3] [4] [5] . Los más versátiles y demandados hasta ahora son los medidores de flujo, que implementan el método de medir la caída de presión a través del orificio . Este método se puede utilizar para medir el caudal de casi todas las sustancias líquidas y gaseosas que se mueven a través de tuberías de diámetros pequeños y grandes en una amplia gama de sobrepresiones y temperaturas. Sin embargo, su desventaja es la dependencia cuadrática de la caída de presión sobre el caudal y, como resultado, rangos de medición dinámicos pequeños (1:3 ... 1:5) y un error significativo, alcanzando 3-5% en el inferior parte del rango [1] [2] . En este sentido, para solucionar problemas técnicos particulares, se han desarrollado otros métodos de medida de caudal más informativos (tacométricos, de potencia, electromagnéticos, ultrasónicos, ópticos, etc.), de los que ya existen más de 20 [2] . Al mismo tiempo, sigue siendo relevante la tarea de desarrollar e implementar en la práctica dicho método, que podría competir en universalidad con el método de medición de la caída de presión, pero proporcionó una mayor precisión de medición en un amplio rango dinámico.

Cómo funciona

En los caudalímetros de vórtice, para crear un movimiento de vórtice, se instala un cuerpo romo, generalmente en forma de trapezoide en la sección transversal, en la trayectoria del flujo impulsor de líquido, gas o vapor. El sistema de vórtices formado detrás de él se llama calle de vórtices de Karman . La frecuencia de los vórtices en primera aproximación es proporcional a la velocidad del flujo y depende del criterio adimensional ( número de Strouhal ) y del ancho del cuerpo del acantilado [2] [3] [4] [5] :

La ventaja de los caudalímetros de vórtice es la ausencia de elementos móviles dentro de la tubería, una falta de linealidad bastante baja (<1,0 %) en un amplio rango de medición (>1:10…1:40), señal de salida de frecuencia, así como la invariancia del método con respecto a las propiedades eléctricas y el estado agregado del medio en movimiento.

Los primeros caudalímetros de vórtice para líquidos aparecieron en la década de 1960 en los Estados Unidos , Japón y la URSS . Los primeros desarrollos de caudalímetros de vórtice para gas y vapor en Rusia datan de la década de 1990. A pesar del tiempo bastante largo de dominar estos dispositivos en tecnología de medición, la teoría y la práctica de los medidores de flujo de vórtice se desarrollan y mejoran constantemente. Hay una búsqueda de mejores soluciones de circuitos, diseños más eficientes y tecnológicamente avanzados de convertidores de flujo primario [4] [5] .

Esquema típico

Un esquema típico de un medidor de flujo de vórtice con sensores de presión piezoeléctricos como convertidores de la energía de flujo en la frecuencia de una señal eléctrica incluye una parte de flujo del medidor de flujo instalada con la ayuda de bridas en la tubería y contiene un cuerpo de farol, detrás del cual los sensores de presión se instalan en pares. Los sensores registran las pulsaciones de presión que surgen en el flujo como resultado de la formación de vórtices, y la frecuencia del proceso es proporcional a la velocidad del flujo. La colocación de sensores en pares permite amplificar la señal útil y minimizar la vibración y la interferencia acústica, ya que la señal de uno de ellos se invierte y se suma con la señal de otro sensor en el dispositivo de adaptación, y la señal de ruido se resta en el sumador. El medidor de flujo también contiene un transductor de normalización que genera una señal de pulso normalizada, por ejemplo, a 1 l/s , y una calculadora ubicada en una carcasa separada. La calculadora proporciona digitalización de la señal de información, cálculo de la cantidad total de líquido o gas que ha pasado por la tubería de presión durante un período de tiempo, indicación del caudal instantáneo y total, autodiagnóstico del dispositivo, almacenamiento de información en memoria no volátil y transferirlo a la computadora del nivel superior del sistema de medición o control [4] .

Convertidores de energía de flujo

Uno de los elementos más importantes de los caudalímetros de vórtice son los convertidores de energía de flujo en una señal eléctrica, que determinan en gran medida las capacidades operativas y el nivel técnico de los dispositivos. La documentación técnica de los caudalímetros de vórtice de las principales empresas nacionales y extranjeras contiene información extremadamente escasa sobre el principio de funcionamiento y el diseño de los convertidores de tipo de energía. Por lo tanto, la empresa EMCO (EE. UU.) solo informa que el sensor es una matriz piezorresistiva semiconductora. En la documentación de las empresas alemanas, no hay información sobre el principio de funcionamiento del sensor, aunque una de las patentes de Endress + Hauser describe un caudalímetro de vórtice con un sensor capacitivo unificado en forma de ala, instalado detrás del acantilado. cuerpo. Solo Yokogawa Electric (Japón) describe en detalle un transductor piezoeléctrico compensado por vibraciones , que consta de un conjunto de elementos piezoeléctricos en forma de arandelas, instalados al final del cuerpo del farol. También se conocen convertidores de energía de flujo inductivos, anemométricos , optoelectrónicos y otros [1] [2] .

Problemas

Cabe señalar que los procesos físicos que ocurren en la tubería detrás del cuerpo del acantilado son muy complejos. En el flujo se producen fluctuaciones de presión, temperatura, velocidad del sonido y otros parámetros físicos. A pesar del rápido desarrollo de los métodos numéricos para describir objetos complejos, todavía no existen modelos matemáticos satisfactorios de los procesos hidrodinámicos que ocurren en los caudalímetros de vórtice. La distribución espacio-temporal de las características físicas en un medio en movimiento según la velocidad, el estado de agregación y la viscosidad del medio no está completamente clara. El cuerpo romo durante la formación del vórtice experimenta un estado complejo de esfuerzo-deformación , donde hay oscilaciones de torsión y flexión , y otras. Todo esto da cabida a la creatividad de los desarrolladores y una gran cantidad de trabajo experimental para encontrar soluciones óptimas [5] .

Prevalencia

Actualmente, los caudalímetros de vórtice con sensores piezoeléctricos se utilizan para medir el caudal de líquido , gas y vapor en tuberías con un diámetro de 15 a 500 mm con un rango dinámico de 1:40 y superior y un error relativo (1 ... 1,5 %) a temperaturas medias controladas de -60 a 500 °C y presiones de hasta 30 MPa, lo que proporciona más del 5 % de los medios de contabilización de portadores de energía líquidos y gaseosos en el mercado mundial .

Notas

1. ↑ 1 2 3 GOST 8.563.1-97. Medición del caudal y cantidad de líquidos y gases por el método de caída de presión variable / Ed. A. B. Vasil'eva. - Minsk: Editorial de normas, 1997.
2. ↑ 1 2 3 4 5 Kremlevsky P. P. Caudalímetros y contadores de cantidad de sustancias. Directorio. - Ed. 5º, per. y adicional .. - San Petersburgo. : Mashinostroenie, 2002. - 409 p. - 3000 copias.
3. ↑ 1 2 Kiyasbeyli A. Sh., Perelshtein M. E. Instrumentos de medición Vortex. - M. : Mashinostroenie, 1978. - 152 p.
4. ↑ 1 2 3 4 Abramov G.S., Barychev A.V., Zimin M.I. Medición de caudal práctica en la industria. - M. : JSC VNIIOENG, 2000. - 472 p.
5. ↑ 1 2 3 4 Bogush M. V. Instrumentación piezoeléctrica: colección en 3 volúmenes. - Rostov-on-Don: Editorial SKNTs VSH, 2006. - T. 3. Sensores piezoeléctricos para condiciones de funcionamiento extremas. — 346 pág.