Vodič za Vrtložni mjerač protoka: kompenzacija tlaka i temperature

Vrtložni mjerač protoka mjeri volumetrijski protok detektirajući frekvenciju vrtloga koje odbacuje strmo tijelo postavljeno u struju protoka — princip poznat kao von Kármánov efekt. Za primjene koje uključuju paru, komprimirani plin ili bilo koju tekućinu gdje se gustoća značajno mijenja s radnim uvjetima, stiardni vrtložni mjerač protoka sam po sebi nije dovoljan. Varijante kompenzacije tlaka i kompenzacije temperature integriraju dodatne senzore izravno u tijelo mjerača za izračunavanje masenog protoka ili ispravljenog volumetrijskog protoka u stvarnom vremenu, eliminirajući potrebu za vanjskim instrumentima i ručnim izračunima korekcije. Odabir prave konfiguracije ovisi o vrsti tekućine, potrebnoj točnosti i variraju li tlak, temperatura ili oboje tijekom normalnog rada.

Kako radi vrtložni mjerač protoka

Princip rada a vrtložni mjerač protoka temelji se na dobro utvrđenom fenomenu dinamike fluida. Kada tekućina teče pored nestrujne prepreke — koja se naziva bluff body ili shedder bar — naizmjenični vrtlozi generiraju se na svakoj strani tijela u pravilnom, ponavljajućem uzorku. Ovaj uzorak se naziva von Kármánova vrtložna ulica.

Frekvencija kojom se ti vrtlozi odbacuju izravno je proporcionalna brzini tekućine, izražena Svrouhalovim odnosom:

f = St × V / d

Gdje f je frekvencija odlijevanja vrtloga, St je bezdimenzionalni Strouhalov broj (obično 0,17–0,21 za većinu blef dizajna tijela), V je brzina fluida, i d je širina blef tijela. Budući da Strouhalov broj ostaje gotovo konstantan u širokom rasponu Reynoldsovih brojeva, frekvencija vrtloga služi kao pouzdan, linearni pokazatelj brzine protoka.

Metode otkrivanja

Vrtlozi stvaraju oscilirajuće fluktuacije tlaka koje detektira jedna od nekoliko senzorskih tehnologija ugrađenih u ili blizu tijela strmine:

• Piezoelektrični senzori : Najčešći tip. Piezoelektrični kristal generira mali naponski signal kao odgovor na oscilirajuću silu iz svakog vrtloga. Ovi senzori nemaju pokretnih dijelova i vrlo su pouzdani u radu s parom i plinom.
• Senzori kapacitivnosti : Otkrijte razliku tlaka koju stvaraju vrtlozi pomoću fleksibilne dijafragme. Manje osjetljiv na smetnje vibracija od nekih piezoelektričnih dizajna.
• Ultrazvučni senzori : Neki napredni dizajni koriste ultrazvučne zrake usmjerene preko provrta cijevi za otkrivanje fluktuacija brzine izazvanih vrtlogom, omogućujući neintruzivno mjerenje.

Bez obzira na metodu detekcije, izlaz osnovnog vrtložnog mjerača protoka je a frekvencijski impulsni signal proporcionalan volumetrijskom protoku . Pretvaranje ovoga u maseni protok ili standardizirani volumetrijski protok zahtijeva poznavanje gustoće tekućine — gdje varijante kompenzacije postaju bitne.

Zašto je potrebna kompenzacija za točno mjerenje protoka

Izlaz impulsa vrtložnog mjerača protoka odražava stvarni volumetrijski protok u radnim uvjetima — stvarni volumen koji u tom trenutku prolazi kroz mjerač. Za mnoge tekućine gdje je gustoća relativno stabilna, ovo je dovoljno. Ali za plinovi, para i superkritični fluidi , odnos između volumetrijskog protoka i masenog protoka vrlo je osjetljiv i na tlak i na temperaturu.

Razmotrimo zasićenu paru pri dva različita tlaka:

• na 5 bara (apsolutno) , zasićena para ima gustoću od približno 2,67 kg/m³
• na 10 bara (apsolutno) , gustoća zasićene pare raste do približno 5,16 kg/m³

Isto očitavanje volumetrijskog protoka pri ova dva uvjeta predstavlja gotovo dvostruko veći od masenog protoka na 10 bara u usporedbi s 5 bara. Bez uračunavanja ove razlike u gustoći, sustav naplate parne energije ili sustav kontrole procesa koji se temelji isključivo na volumetrijskom izlazu nosio bi pogreške veće od 30–50% pod uvjetima promjenjivog tlaka. Kompenzacija izravno rješava ovo unosom podataka o tlaku i/ili temperaturi u stvarnom vremenu u računalo protoka radi kontinuiranog izračunavanja ispravljenih vrijednosti.

Vrtložni mjerač protoka s kompenzacijom tlaka

A kompenzacija tlaka vortex flowmeter integrira transmiter tlaka — obično piezorezistivni ili senzor tlaka kapacitivnog tipa — u tijelo mjerača uz element za detekciju vrtloga. Računalo internog protoka koristi očitanje tlaka uživo uz izmjerenu frekvenciju vrtloga za izračunavanje gustoće tekućine iz unaprijed učitanih tablica svojstava, zatim izvodi maseni protok ili korigirani volumetrijski protok u stvarnom vremenu.

Kada je dovoljna sama kompenzacija tlaka

Kompenzacija tlaka je prikladna — i dovoljna — kada je temperatura tekućine konstantna ili se može pretpostaviti konstantnom unutar prihvatljive tolerancije. Najčešći scenarij je usluga zasićene pare : budući da zasićena para postoji na fiksnoj temperaturi za bilo koji dani tlak, samo mjerenje tlaka u potpunosti definira termodinamičko stanje tekućine. Za određivanje gustoće nije potrebno zasebno mjerenje temperature.

Dodatne prikladne primjene uključuju:

• Sustavi komprimiranog zraka gdje je temperatura dovoda relativno stabilna, ali tlak u cjevovodu varira s ciklusima kompresora
• Distribucija dušika ili inertnog plina na temperaturi bliskoj sobnoj s promjenjivim tlakom u kolektoru
• Mjerenje prirodnog plina gdje su temperaturne varijacije skromne (unutar ±10°C referentne vrijednosti)

Tipične specifikacije

Većina vrtložnih mjerača protoka s kompenzacijom tlaka na tržištu ima integrirane senzore tlaka za 0–4 MPa ili 0–10 MPa , s tipičnom točnošću mjerenja tlaka ±0,5% FS . Kombinirana mjerna nesigurnost protoka nakon kompenzacije općenito je u rasponu od ±1,0–1,5% očitanja za paru i plin, u usporedbi s ±0,5–1,0% za samo vrtložni element koji mjeri volumetrijski protok u tekućinama.

Vrtložni mjerač protoka s kompenzacijom temperature

A temperaturna kompenzacija vortex flowmeter integrira otporni temperaturni detektor (RTD) — najčešće a Pt100 ili Pt1000 senzor klase A — u mjerač ili njegov neposredni uzvodni/nizvodni prateći priključak. Signal temperature dovodi do istog internog računala protoka, koje koristi podatke o svojstvima tekućine za izvođenje gustoće i izračunavanje mase ili ispravljenog protoka.

Kada se koristi samo temperaturna kompenzacija

Kompenzacija samo temperaturom rjeđa je od kompenzacije samo tlakom ili kombiniranom kompenzacijom, ali ima legitimne primjene:

• Protok tekućine pri konstantnom tlaku, ali promjenjivoj temperaturi : Krugovi tople vode, sustavi termalnog ulja i petlje rashladne vode gdje je tlak cijevi reguliran, ali temperatura varira s procesnim opterećenjem
• Protok plina pri poznatom stabilnom opskrbnom tlaku : Kada regulator tlaka čvrsto drži uzvodni tlak, ali temperatura okoline ili procesa varira sezonski ili dnevno
• Skrbnički prijenos plinova pri reguliranom tlaku : Gdje je tlak fiksiran ugovorom ili propisom i samo temperatura treba aktivno praćenje

RTD postavljanje i vrijeme odziva

RTD se obično ugrađuje u zaštitni otvor 3–5 promjera cijevi nizvodno tijela vrtložnog mjerača kako bi se izbjegao poremećaj profila protoka na mjestu mjerenja. Dizajn zaštitne čaure je bitan: zaštitna čaura debelih stijenki povećava toplinsko kašnjenje, što može dovesti do prolaznih grešaka tijekom naglih promjena temperature. Za procese s brzim promjenama temperature, a termouložak sa smanjenim vrhom ili brzi odziv preporučuje se vrijeme odziva ispod 5 sekundi.

Vrtložni mjerač protoka s kombiniranom kompenzacijom tlaka i temperature

Najsposobnija i široko specificirana varijanta integrira senzore tlaka i temperature u jedan sklop mjerača. S pristupom objema varijablama istovremeno, interno računalo protoka može primijeniti punu jednadžbu stanja za tekućinu - dajući izračun stvarnog masenog protoka bez ikakvih pretpostavki o radnim uvjetima .

Ova konfiguracija je obavezna za:

• Pregrijana para : Za razliku od zasićene pare, pregrijana para postoji na temperaturama iznad krivulje zasićenja za bilo koji tlak. I tlak i temperatura su neovisno varijabilni i moraju se mjeriti kako bi se odredila gustoća iz parnih tablica.
• Prijenos skrbništva prirodnog plina : AGA (American Gas Association) i ISO standardi za mjerenje prirodnog plina zahtijevaju korekciju osnovnih uvjeta koristeći i tlak i temperaturu
• Promjenjivi procesni plinovi : Mješoviti tokovi plina, bioplin ili otpadni plin iz procesa gdje sastav i radni uvjeti fluktuiraju
• Mjerenje energije pare za naplatu ili dodjelu : gdje se izlaz BTU ili kJ mora točno izračunati kroz promjenjive uvjete opterećenja

Proizvođači kao što su Yokogawa (serija digitalYEWFLO), Endress Hauser (Prowirl F 200) i Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) nude potpuno integrirane multivarijabilne vrtložne mjerače protoka koji mjere vrtložnu frekvenciju, tlak i temperaturu u jednoj procesnoj vezi, izlazeći maseni protok izravno putem HART, FOUNDATION Fieldbus ili Modbus protokola.

Usporedba: Standardni i kompenzirani vrtložni mjerači protoka

Instalacijski zahtjevi koji utječu na točnost

Bez obzira na konfiguraciju kompenzacije, vrtložni mjerači protoka osjetljivi su na izobličenja profila protoka uzrokovana uzvodnom geometrijom cjevovoda. Ispunjavanje zahtjeva za izravnu vožnju nije predmet pregovaranja za postizanje nazivne točnosti.

Zahtjevi za ravne cijevi uzvodno i nizvodno

Sljedeći zahtjevi za ravnomjerni protok vrijede za većinu vrtložnih mjerača protoka pod standardnim uvjetima ugradnje. Stvarni zahtjevi ovise o proizvođaču i dizajnu mjerača:

Osjetljivost na vibracije i pulsiranje

Vrtložni mjerači protoka su inherentno osjetljivi na mehaničke vibracije jer njihovi senzori detektiraju oscilirajuće sile. Vibracije cjevovoda na frekvencijama bliskim frekvenciji odlijevanja vrtloga mogu uzrokovati lažni pulsevi, ispadanje signala ili nepravilna očitanja . Većina modernih procesora digitalnih signala uključuje adaptivno filtriranje za razlikovanje vrtložnih signala i buke vibracija, ali okruženja s jakim vibracijama - u blizini kompresora, pumpi ili parnih turbina - treba pažljivo procijeniti. Montaža mjerača na kalem izoliran od vibracija ili njegovo premještanje dalje od izvora vibracija praktične su strategije sanacije.

Razmatranja raspona protoka i minimalnog protoka

Svaki vrtložni mjerač protoka ima minimalnu mjerljivu brzinu protoka - obično 0,5–1,0 m/s za tekućine and 3–5 m/s za plinove i paru — ispod koje vrtložno rasipanje postaje nepravilno, a signal nepouzdan. Taj se donji prag često naziva granična brzina ili minimalni detektabilni protok. Ispod ove točke, mjerač daje nulu bez obzira na stvarni protok, što se mora uzeti u obzir u primjenama sa širokim zahtjevima za smanjivanje.

Praktični omjer smanjenja za većinu vortex mjerača je 10:1 do 20:1 , u usporedbi sa 100:1 ili više za Coriolisove ili magnetske mjerače protoka. Za parne sustave koji redovito rade pri niskom opterećenju - na primjer, tijekom pokretanja postrojenja ili preko noći - ovo ograničenje može uzrokovati značajne nedostatke u mjerenju osim ako mjerač nije dimenzioniran konzervativno za maksimalni očekivani protok, a ne za prosjek.

Korisno pravilo za određivanje veličine: odaberite veličinu metra gdje je normalna radna brzina protoka pada između 3 i 15 m/s za plin/paru a između 1 i 7 m/s za tekućine. To osigurava da radna točka ostaje unutar linearnog raspona dok ostavlja prostor za skokove protoka.

Odabir prave konfiguracije vrtložnog mjerača protoka

Upotrijebite sljedeće kriterije odlučivanja kako biste identificirali odgovarajuću varijantu vrtložnog mjerača protoka za svoju primjenu:

1. Odredite svoju tekuću fazu i varijabilnost : Tekućina u stabilnim uvjetima → standardni vrtlog. Zasićena para ili plin s promjenjivim tlakom → kompenzacija tlaka. Pregrijana para, prirodni plin ili bilo koji plin s varijacijama tlaka i temperature → kombinirana P T kompenzacija.
2. Odredite je li potreban maseni ili volumetrijski protok : Naplata energije, prijenos skrbništva i kontrola izgaranja obično zahtijevaju maseni protok. Punjenje spremnika ili doziranje procesa može zahtijevati samo volumetrijski protok, u kojem slučaju može biti dovoljan standardni mjerač ili mjerač s jednom kompenzacijom.
3. Provjerite Reynoldsov broj pri minimalnom protoku : Vortex mjerači zahtijevaju minimalni Reynoldsov broj od približno Re = 20 000 za pouzdano linjanje. Za viskozne tekućine ili uvjete vrlo niskog protoka, ovaj prag možda neće biti dostižan i treba razmotriti alternativnu tehnologiju.
4. Procijenite okruženje instalacije : Visoke vibracije, pulsirajući protok ili nedovoljno ravno kretanje mogu zahtijevati drugačiju tehnologiju mjerača ili značajne izmjene cjevovoda prije nego što vrtložno mjerenje postane održivo.
5. Ocijenite komunikacijske i integracijske zahtjeve : Kompenzirani vortex mjerač daje višestruke procesne varijable. Potvrdite da sustav upravljanja ili infrastruktura za prikupljanje podataka podržava izlazni protokol mjerača — HART, Profibus ili FOUNDATION Fieldbus — prije navođenja multivarijabilne jedinice.

Za većinu aplikacija za mjerenje energije pare - koje predstavljaju najveći pojedinačni slučaj upotrebe kompenziranih vrtložnih mjerača protoka - kombinirana jedinica za kompenzaciju tlaka i temperature ispravna je specifikacija. Granični trošak u odnosu na model samo s pritiskom je skroman, dok je poboljšanje točnosti za uslugu pregrijane pare značajno i često ga zahtijevaju standardi upravljanja energijom na lokaciji kao što je ISO 50001.