Im industriellen Produktionssystem ist die Durchflussmessung ein Kernbestandteil, um Produktionsstabilität, Produktqualität und Kostenkontrolle zu gewährleisten. Ob es sich um den präzisen Transport von Rohstoffen und Produkten im petrochemischen Bereich, die direkten Auswirkungen von Dampf- und Wasserfluss auf die Energieerzeugungseffizienz in der Energiewirtschaft oder die Überwachung der Abwasser- und Abgasemissionen in der Umweltschutzindustrie handelt, die Genauigkeit der Durchflussdaten bestimmt direkt die Betriebsqualität des Produktionsprozesses.
Unter den verschiedenen Durchflussmessgeräten haben sich Wirbelzähler aufgrund ihrer einzigartigen technischen Vorteile zu den Kernausrüstungen für die industrielle Durchflussmessung entwickelt. Sie werden in industriellen Szenarien in verschiedenen Bereichen eingesetzt und liefern wichtige Daten zur Unterstützung des Produktionsbetriebs. Der folgende Artikel wird eine detaillierte Analyse des Funktionsprinzips, der technischen Eigenschaften, der Nutzungsspezifikationen und der Anwendungsszenarien von Wirbelzählern durchführen und die technische Essenz ihrer effizienten Messung aufzeigen.
Der Betrieb von Wirbelzählern basiert auf dem Kármánschen Wirbelstraßenphänomen in der Strömungsmechanik. Wenn Flüssigkeit mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den eingebauten Wirbelerzeuger (normalerweise ein nicht-stromlinienförmiger Staukörper) des Durchflussmessers strömt, bilden sich aufgrund der Auswirkungen von Flüssigkeitsviskosität und -trägheit abwechselnd rotierende Wirbel auf beiden Seiten des Staukörpers. Diese Wirbel bilden zwei regelmäßige Wirbelreihen mit entgegengesetzten Drehrichtungen stromabwärts, bekannt als die "Kármánsche Wirbelstraße".
Die Bildung dieses Phänomens ist ein unvermeidliches Ergebnis der Wechselwirkung zwischen Grenzschichtablösung und Flüssigkeitsstabilität. Wenn sich Flüssigkeit dem Staukörper nähert, bildet sich auf seiner Oberfläche eine Grenzschicht. Während die Flüssigkeit strömt, trennt sich die Grenzschicht an einer bestimmten Stelle am Staukörper und bildet unabhängige Wirbel, die sich abwechselnd stromabwärts ablösen und schließlich die Kármánsche Wirbelstraße bilden.
Das Kernprinzip des Kármánschen Wirbelstraßenphänomens ist, dass die Wirbelfrequenz positiv mit der Flüssigkeitsgeschwindigkeit korreliert. Je höher die Flüssigkeitsgeschwindigkeit, desto mehr Wirbel lösen sich pro Zeiteinheit von beiden Seiten des Staukörpers und desto höher ist die Wirbelfrequenz. Durch die genaue Messung dieser Frequenz kann die Flüssigkeitsgeschwindigkeit umgekehrt berechnet werden.
Die obige Beziehung wird quantitativ durch die Formel beschrieben: f = StV/d. In der Formel:
- f ist die Kármán-Wirbelfrequenz auf einer Seite des Wirbelerzeugers (Einheit: Hz), die die Wirbelablösungsrate widerspiegelt;
- V ist die durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit (Einheit: m/s), die der Kernmessparameter ist;
- d ist die Breite des Wirbelerzeugers (Einheit: m), ein wichtiger geometrischer Parameter des Staukörpers;
- St ist die Strouhal-Zahl (dimensionslos), die innerhalb eines bestimmten Reynolds-Zahl (Re)-Bereichs konstant bleibt.
Bei herkömmlichen Wirbelzählern, wenn Re im Bereich von 10²~10⁵ liegt, beträgt der Wert von St ungefähr 0,2. Innerhalb dieses Bereichs, wenn die Wirbelfrequenz f und die Breite des Wirbelerzeugers d bekannt sind, kann die Flüssigkeitsgeschwindigkeit V durch die Formel abgeleitet werden.
Nachdem die Flüssigkeitsgeschwindigkeit V erhalten wurde, kann die Volumenstromrate oder Massenstromrate durch Kombination mit der Querschnittsfläche der Rohrleitung weiter berechnet werden.
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Volumenstromratenberechnung: Wenn die Querschnittsfläche der Rohrleitung A (Einheit: m²) ist, lautet die Berechnungsformel für die Volumenstromrate Qv (Einheit: m³/s) Qv = V×A. Diese Formel zeigt, dass bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit, je größer die Querschnittsfläche der Rohrleitung, desto größer das Flüssigkeitsvolumen, das pro Zeiteinheit durchströmt; wenn die Querschnittsfläche der Rohrleitung konstant ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto größer die Volumenstromrate.
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Massenstromratenberechnung: Für Szenarien, in denen eine Massenstromratenmessung erforderlich ist, wird die Volumenstromrate mit der Flüssigkeitsdichte ρ (Einheit: kg/m³) multipliziert. Die Berechnungsformel lautet Qm = Qv×ρ = V×A×ρ (Einheit von Qm: kg/s).
Durch die obigen Berechnungen kann der Wirbelzähler das Wirbelablösungssignal in die für die industrielle Produktion erforderlichen Durchflussdaten umwandeln und so Daten zur Unterstützung der Produktionsüberwachung und -optimierung liefern.
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