Измерение расхода и количества вещества. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

В 1911 году Карман опубликовал работу, посвященную математическому анализу перемежающегося двойного ряда вихрей, образующихся после тела обтекания в турбулентном потоке жидкости. Важнейшей особенностью этого явления стала стабильность и высокая периодичность вихрей. Эта структура получила название дорожки Кармана. Закономерность широко известна и хорошо изучена в гидродинамике.

Суть эффекта заключается в том, что образование вихрей происходит поочередно на противоположных ребрах тела обтекания. При этом частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости потока.

Однако данный эффект имеет естественные ограничения. При малых скоростях поток ламинарно огибает препятствие без образования вихрей. Упорядоченное образование вихрей начинается только с определенного порога, который определяется числом Рейнольдса.

ЧислоРейно́льдса — безразмерное соотношение, которое, как принято считать, определяет ламинарный или турбулентный режим течения жидкости или газа. Число Рейнольдса также считается критерием подобия потоков.

Число Рейнольдса определяется следующим соотношением: , где ρ - плотность среды, v- характерная скорость, l- характерный размер, μ - динамическая вязкость среды.

При малом Re, порядка нескольких десятков, течение ламинарное. При Re более нескольких тысяч устанавливается развитый турбулентный режим. В вихревых расходомерах используется тот эффект, что в определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля практически постоянно. Благодаря этому коэффициент преобразования скорости потока в частоту вихрей становится независимым от плотности и вязкости измеряемой среды, и одинаков для всех типов сред.

Число Струхаля (S {\displaystyle {\mathsf {S}}}S, также S h {\displaystyle {\mathsf {Sh}}} Sh или S t {\displaystyle {\mathsf {St}}} St) - безразмерная величина, один из критериев подобия нестационарных (часто колебательных) течений жидкостей и газов. Для колебательных процессов число Струхаля обычно определяется соотношением: где f -f {\displaystyle f}  характерная частота процесса (например, частота образования вихрей), L {\displaystyle L} L - характерный линейный размер течения (например, гидравлический диаметр), V {\displaystyle V} V - характерная скорость потока.

Для непериодических процессов часто используется определение: гдеT {\displaystyle T} Т - характерное время процесса.

Следует отметить, что в силу природы эффекта при числах Рейнольдса ниже 20000 вихревые расходомеры не гарантируют точность измерения, так как число Струхаля в этом диапазоне значительно варьируется.

При измерении расхода жидкостей минимально возможная скорость обычно лежит в диапазоне 0,3…0,6 м/с. Плотность также влияет на ограничение минимальной скорости, но т.к. большинство жидкостей имеют плотность 0,8…1,2, то ограничение скорости незначительно зависит от типа жидкости. Плотность газов может различаться на порядки, поэтому необходимо жестко следить за ограничением по плотности среды, т.к. кинетическая энергия газов определяется и массой. Она должна быть такой, чтобы оказывать воздействия на тело обтекания.

Максимальные скорости в основном ограничиваются возможностью механических повреждений расходомеров, возникновением кавитации и эффектами второго порядка (генерация вихрей стенками трубопровода). В случае жидкостей эта величина лежит в пределах 5…10 м/с, но с ростом удельной массы уменьшается. Для газов предел лежит в диапазоне от 30 до 80 м/с.

Вихревые расходомеры обычно применяются для измерения расхода в потоках со скоростями выше минимальных. В случае измерения расхода жидкости при локальном понижении давления после вихреобразования ниже давления насыщенных паров жидкости возможно местное образование газовой фазы. Этот эффект называется кавитацией. При его возникновении измерение становится невозможным, и возникает опасность разрушения расходомера.

Кариолисовый расходомер.