Для измерения расхода жидкостей, газов и пара очень часто применяют вихревые расходомеры, принцип работы которых основан на эффекте Кармана. Суть этого эффекта заключается в том, что на противоположных гранях тела обтекания, помещенного в турбулентный поток жидкости или газа, происходит поочередное образование вихрей из-за того, что периферийные слои среды не могут обтекать определенные контуры тела обтекания и отделяются от его поверхности. Образующаяся при этом гидродинамическая структура, называемая вихревой дорожкой Кармана, обладает хорошей стабильностью и высокой периодичностью вихрей.
При этом частота образования вихрей F прямо пропорциональна скорости потока V и числу Струхаля, и обратно пропорциональна ширине тела обтекания D. Число Струхаля - эмпирическая величина, определяемая внутренней геометрией расходомера и свойствами измеряемой среды.
Эффект образования вихрей имеет некоторые естественные ограничения: при малых скоростях потока (ламинарном потоке) происходит огибание потоком тела обтекания без образования вихрей. Стабильное образование вихрей начинается при превышении скоростью потока определенного порогового значения. Поток в этом случае становиться турбулентным. При ламинарном течении потока газа или жидкости различные слои этого потока хоть и движутся с разной скоростью, но при этом не перемешиваются. При турбулентном течении потока происходит активное перемешивание слоев потока, но при этом профиль усредненной скорости потока является более плоским, чем при ламинарном течении. Таким образом, скорость течения турбулентного потока в поперечном сечении трубопровода более равномерна, чем у ламинарного потока.
Характер течения потока (ламинарный, переходной или турбулентный) зависит от безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса.
При малых значениях числа Рейнольдса (Re≤1000) течение потока имеет ламинарный характер, область перехода от ламинарного течения к турбулентному (так называемый переходной поток) происходит при 1000≤Re≤2300, а при Re≥2300 течение потока приобретает явно выраженный турбулентный характер. В определенном диапазоне чисел Рейнольдса число Струхаля практически равно константе. Благодаря этому один и тот вихревой расходомер может применяться для измерения объемного расхода пара, газа и жидкости, так как частота образования вихрей не зависит от давления измеряемой среды, ее температуры и плотности.
Все же определяющее значение на качество измерения оказывает не конструкция вихреобразователя, а конструкция устройства детектирования вихрей. В зависимости от производителя или года выпуска вихревого расходомера он может иметь тот или иной способ детектирования вихрей. Различные способы детектирования вихрей имеют свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при выборе расходомера, исходя из условий эксплуатации, свойств измеряемой среды и т.п.
Манометрический способ детектирования вихрей применяется в вихревых расходомерах Метран 335, Метран 336 и др. В тело обтекания встроен датчик давления, конструктивно схожий с датчиком перепада давления. Несмотря на относительную простоту конструкции, детекторы вихрей данной конструкции имеют существенные недостатки. В частности, из-за того, что мембраны датчика давления имеют непосредственный контакт с измеряемой средой, увеличивается вероятность его выхода из строя вследствие гидродинамических ударов. Открытая конструкция мембран датчика давления предрасположена к образованию отложений и загрязнениям.
Лидирующие позиции в производстве вихревых расходомеров занимает японская компания Yokogawa с более чем 20% долей рынка. Производством вихревых расходомеров занимаются и другие известные компании, например, Endress+Hauser, Rosemount, ABB, Krohne.