Przewodnik po przepływomierzach Vortex: Kompensacja ciśnienia i temperatury

Przepływomierz wirowy mierzy przepływ objętościowy, wykrywając częstotliwość wirów wytwarzanych przez ciało urwiste umieszczone w strumieniu przepływu — zasada znana jako efekt von Kármána. W zastosowaniach obejmujących parę, sprężony gaz lub dowolny płyn, w którym gęstość zmienia się znacząco w zależności od warunków pracy, sam stiardowy przepływomierz wirowy nie wystarczy. Warianty z kompensacją ciśnienia i kompensacją temperatury integrują dodatkowe czujniki bezpośrednio w korpusie miernika w celu obliczenia przepływu masowego lub skorygowanego przepływu objętościowego w czasie rzeczywistym, eliminując potrzebę stosowania zewnętrznego oprzyrządowania i ręcznych obliczeń korekcyjnych. Wybór właściwej konfiguracji zależy od rodzaju płynu, wymaganej dokładności oraz tego, czy ciśnienie i temperatura lub oba zmieniają się podczas normalnej pracy.

Jak działa przepływomierz wirowy

Zasada działania A przepływomierz wirowy opiera się na dobrze ugruntowanym zjawisku dynamiki płynów. Kiedy płyn przepływa obok nieopływowej przeszkody – zwanej ciałem urwistym lub poprzeczką – po obu stronach ciała generowane są naprzemienne wiry według regularnego, powtarzającego się wzoru. Ten wzór nazywa się ulicą wirową von Kármána.

Częstotliwość powstawania tych wirów jest wprost proporcjonalna do prędkości płynu wyrażonej zależnością Śwrouhala:

f = St × V / d

Gdzie f jest częstotliwością wydzielania wirów, St jest bezwymiarową liczbą Strouhala (zwykle 0,17–0,21 dla większości projektów korpusów typu blef), V jest prędkością płynu, oraz d jest szerokością korpusu blefu. Ponieważ liczba Strouhala pozostaje prawie stała w szerokim zakresie liczb Reynoldsa, częstotliwość wirów służy jako niezawodny, liniowy wskaźnik prędkości przepływu.

Metody wykrywania

Wiry tworzą oscylacyjne wahania ciśnienia, które są wykrywane przez jedną z kilku technologii wykrywania wbudowanych w korpus urwiska lub w jego pobliżu:

• Czujniki piezoelektryczne : Najpopularniejszy typ. Kryształ piezoelektryczny generuje mały sygnał napięciowy w odpowiedzi na siłę oscylacyjną każdego wiru. Czujniki te nie mają ruchomych części i są wysoce niezawodne w pracy z parą i gazem.
• Czujniki pojemnościowe : Wykryj różnicę ciśnień wytworzoną przez wiry za pomocą elastycznej membrany. Mniej podatny na zakłócenia wibracyjne niż niektóre konstrukcje piezoelektryczne.
• Czujniki ultradźwiękowe : Niektóre zaawansowane konstrukcje wykorzystują wiązki ultradźwiękowe skierowane w poprzek otworu rury w celu wykrycia fluktuacji prędkości wywołanych wirami, co umożliwia nieinwazyjny pomiar.

Niezależnie od metody detekcji, wyjście podstawowego przepływomierza wirowego wynosi: częstotliwość sygnału impulsowego proporcjonalna do objętościowego natężenia przepływu . Przeliczenie tego na przepływ masowy lub znormalizowany przepływ objętościowy wymaga znajomości gęstości płynu – w tym przypadku niezbędne stają się warianty kompensacji.

Dlaczego kompensacja jest konieczna do dokładnego pomiaru przepływu

Wyjście impulsowe przepływomierza wirowego odzwierciedla rzeczywisty przepływ objętościowy w warunkach pracy – rzeczywistą objętość przechodzącą przez miernik w tym momencie. W przypadku wielu zastosowań cieczy, gdzie gęstość jest stosunkowo stabilna, jest to wystarczające. Ale dla gazy, para i płyny nadkrytyczne , związek między przepływem objętościowym a przepływem masowym jest bardzo wrażliwy zarówno na ciśnienie, jak i temperaturę.

Rozważ parę nasyconą pod dwoma różnymi ciśnieniami:

• O godz 5 barów (absolutne) para nasycona ma gęstość około 2,67 kg/m3
• O godz 10 barów (absolutne) , gęstość pary nasyconej wzrasta do około 5,16 kg/m3

Reprezentuje ten sam odczyt przepływu objętościowego w tych dwóch warunkach prawie dwukrotnie większy przepływ masowy przy 10 barach w porównaniu do 5 barów. Bez uwzględnienia tej różnicy gęstości, system rozliczeń za energię pary lub system kontroli procesu oparty wyłącznie na wydajności objętościowej mógłby powodować błędy przekraczające 30–50% w warunkach zmiennego ciśnienia. Kompensacja bezpośrednio rozwiązuje ten problem, dostarczając w czasie rzeczywistym dane dotyczące ciśnienia i/lub temperatury do komputera przepływu w celu ciągłego obliczania skorygowanych wartości.

Przepływomierz wirowy z kompensacją ciśnienia

A przepływomierz wirowy z kompensacją ciśnienia integruje przetwornik ciśnienia — zazwyczaj czujnik ciśnienia piezorezystancyjny lub pojemnościowy — w korpusie miernika obok elementu wykrywającego wir. Wewnętrzny komputer przepływu wykorzystuje odczyt ciśnienia w czasie rzeczywistym wraz ze zmierzoną częstotliwością wirów do obliczenia gęstości płynu na podstawie wstępnie załadowanych tabel właściwości, a następnie oblicza przepływ masowy lub skorygowany przepływ objętościowy w czasie rzeczywistym.

Kiedy sama kompensacja ciśnienia jest wystarczająca

Kompensacja ciśnienia jest odpowiednia — i wystarczająca — gdy temperatura płynu jest stała lub można ją założyć w ramach akceptowalnej tolerancji. Najczęstszym scenariuszem jest usługa pary nasyconej : ponieważ para nasycona istnieje w stałej temperaturze dla dowolnego ciśnienia, sam pomiar ciśnienia w pełni określa stan termodynamiczny płynu. Do określenia gęstości nie jest wymagany oddzielny pomiar temperatury.

Dodatkowe odpowiednie zastosowania obejmują:

• Układy sprężonego powietrza, w których temperatura zasilania jest stosunkowo stabilna, ale ciśnienie w układzie zmienia się w zależności od pracy sprężarki
• Dystrybucja azotu lub gazu obojętnego w temperaturze bliskiej temperaturze otoczenia przy zmiennym ciśnieniu w kolektorze
• Pomiar gazu ziemnego przy niewielkich wahaniach temperatury (w zakresie ±10°C wartości odniesienia)

Typowe specyfikacje

Większość przepływomierzy wirowych z kompensacją ciśnienia dostępnych na rynku jest wyposażona w zintegrowane czujniki ciśnienia o wartości znamionowej 0–4 MPa lub 0–10 MPa , z typową dokładnością pomiaru ciśnienia ±0,5% pełnej skali . Niepewność pomiaru przepływu złożonego po kompensacji mieści się zazwyczaj w przedziale: ±1,0–1,5% odczytu dla pary i gazu, w porównaniu z ±0,5–1,0% dla samego elementu wirowego mierzącego przepływ objętościowy w cieczach.

Przepływomierz wirowy z kompensacją temperatury

A przepływomierz wirowy z kompensacją temperatury integruje rezystancyjny detektor temperatury (RTD) — najczęściej a Czujnik Pt100 lub Pt1000 klasy A — do licznika lub jego bezpośredniego przyłącza przed/za nim. Sygnał temperatury zasila ten sam wewnętrzny komputer przepływu, który wykorzystuje dane dotyczące właściwości płynu do wyznaczania gęstości i obliczania masy lub skorygowanego przepływu.

Gdy stosowana jest wyłącznie kompensacja temperatury

Kompensacja wyłącznie temperaturowa jest mniej powszechna niż kompensacja oparta wyłącznie na ciśnieniu lub łączona, ale ma uzasadnione zastosowania:

• Przepływ cieczy przy stałym ciśnieniu, ale zmiennej temperaturze : Obiegi ciepłej wody, systemy oleju termicznego i pętle wody chłodzącej, w których ciśnienie w rurach jest regulowane, ale temperatura zmienia się w zależności od obciążenia procesu
• Przepływ gazu przy znanym stabilnym ciśnieniu zasilania : Gdy regulator ciśnienia utrzymuje wysokie ciśnienie przed regulatorem, ale temperatura otoczenia lub procesu zmienia się sezonowo lub w ciągu dnia
• Kontrolny przesył gazów pod regulowanym ciśnieniem : Tam, gdzie ciśnienie jest ustalone w umowie lub rozporządzeniu, a aktywne monitorowanie wymaga jedynie temperatury

Umiejscowienie RTD i czas reakcji

Czujnik RTD jest zazwyczaj instalowany w osłonie termometrycznej 3–5 średnic rury za rurociągiem korpusu wiromierza, aby uniknąć zakłócenia profilu przepływu w punkcie pomiarowym. Konstrukcja osłony termometrycznej ma znaczenie: osłona termometryczna o grubych ściankach zwiększa opóźnienie termiczne, które może powodować przejściowe błędy podczas szybkich zmian temperatury. W przypadku procesów charakteryzujących się szybkimi wahaniami temperatury, a osłona termometryczna ze zmniejszoną końcówką lub osłona termometryczna o krótkim czasie reakcji z czasem reakcji poniżej 5 sekund.

Przepływomierz wirowy z kombinowaną kompensacją ciśnienia i temperatury

Najbardziej wydajny i szeroko stosowany wariant integruje czujniki ciśnienia i temperatury w jednym zespole miernika. Mając dostęp do obu zmiennych jednocześnie, wewnętrzny komputer przepływu może zastosować pełne równanie stanu płynu – uplastycznienie obliczenie prawdziwego przepływu masowego bez żadnych założeń dotyczących warunków pracy .

Ta konfiguracja jest obowiązkowa dla:

• Przegrzana para : W przeciwieństwie do pary nasyconej, para przegrzana występuje w temperaturach powyżej krzywej nasycenia dla dowolnego ciśnienia. Zarówno ciśnienie, jak i temperatura są zmienne niezależnie i należy je zmierzyć, aby określić gęstość na podstawie tabel pary.
• Transfer rozliczeniowy gazu ziemnego : Normy AGA (American Gas Association) i ISO dotyczące pomiarów gazu ziemnego wymagają korekty do warunków podstawowych przy użyciu zarówno ciśnienia, jak i temperatury
• Zmienne gazy procesowe : Mieszane strumienie gazów, biogaz lub gaz odlotowy z procesu, w przypadku których zmienia się zarówno skład, jak i warunki operacyjne
• Pomiar energii pary do celów rozliczeń lub przydziału : Gdzie moc wyjściową BTU lub kJ należy dokładnie obliczyć przy zmieniających się warunkach obciążenia

Producenci tacy jak Yokogawa (seria cyfrowa YEWFLO), Endress Hauser (Prowirl F 200) i Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) oferują w pełni zintegrowane wielowymiarowe przepływomierze wirowe, które mierzą częstotliwość, ciśnienie i temperaturę wirów w jednym przyłączu procesowym, wyprowadzając przepływ masowy bezpośrednio za pośrednictwem protokołów HART, FOUNDATION Fieldbus lub Modbus.

Porównanie: standardowe i kompensowane przepływomierze wirowe

Wymagania instalacyjne wpływające na dokładność

Niezależnie od konfiguracji kompensacji, przepływomierze wirowe są wrażliwe na zniekształcenia profilu przepływu spowodowane geometrią rurociągu przed nim. Spełnienie wymagań dotyczących prostych przebiegów nie podlega negocjacjom w celu osiągnięcia znamionowej dokładności.

Wymagania dotyczące rur prostych przed i za rurociągiem

Poniższe wymagania dotyczące przebiegu prostego dotyczą większości przepływomierzy wirowych w standardowych warunkach instalacji. Rzeczywiste wymagania różnią się w zależności od producenta i konstrukcji licznika:

Czułość na wibracje i pulsacje

Przepływomierze wirowe są z natury podatne na wibracje mechaniczne, ponieważ ich czujniki wykrywają siły oscylacyjne. Mogą powodować wibracje rurociągu o częstotliwościach bliskich częstotliwości wydzielania wirów fałszywe impulsy, zanik sygnału lub błędne odczyty . Większość nowoczesnych cyfrowych procesorów sygnałowych obejmuje filtrowanie adaptacyjne w celu odróżnienia sygnałów wirowych od szumu wibracyjnego, ale środowiska o silnych wibracjach – w pobliżu sprężarek, pomp lub turbin parowych – powinny być dokładnie oceniane. Zamontowanie miernika na szpuli izolowanej od wibracji lub przeniesienie go dalej od źródła wibracji to praktyczne strategie zaradcze.

Zagadnienia dotyczące zakresu przepływu i przepływu minimalnego

Każdy przepływomierz wirowy ma zazwyczaj minimalną mierzalną prędkość przepływu 0,5–1,0 m/s dla cieczy and 3–5 m/s dla gazów i pary — poniżej którego wydzielanie wirów staje się nieregularne, a sygnał zawodny. Ten dolny próg jest często nazywany prędkością odcięcia lub minimalnym wykrywalnym przepływem. Poniżej tego punktu miernik podaje zero niezależnie od rzeczywistego przepływu, co należy uwzględnić w zastosowaniach o szerokich wymaganiach w zakresie zakresu.

Praktyczny współczynnik zakresu dla większości mierników wirowych wynosi 10:1 do 20:1 w porównaniu do 100:1 lub więcej w przypadku przepływomierzy Coriolisa lub przepływomierzy magnetycznych. W przypadku systemów parowych, które regularnie działają przy niskim obciążeniu – na przykład podczas uruchamiania instalacji lub w nocy – to ograniczenie może powodować znaczne luki w dozowaniu, chyba że licznik zostanie dobrany konserwatywnie pod kątem maksymalnego oczekiwanego przepływu, a nie średniego.

Przydatna zasada doboru rozmiaru: wybierz rozmiar miernika, w którym normalna robocza prędkość przepływu mieści się w zakresie od 3 do 15 m/s dla gazu/pary i od 1 do 7 m/s dla cieczy. Zapewnia to, że punkt pracy pozostaje w zakresie liniowym, pozostawiając przestrzeń na skoki przepływu.

Wybór właściwej konfiguracji przepływomierza Vortex

Aby zidentyfikować odpowiedni wariant przepływomierza wirowego dla swojej aplikacji, należy zastosować się do następujących kryteriów decyzyjnych:

1. Zidentyfikuj fazę płynną i zmienność : Ciecz w stabilnych warunkach → standardowy wir. Para nasycona lub gaz o zmiennym ciśnieniu → kompensacja ciśnienia. Para przegrzana, gaz ziemny lub dowolny gaz podlegający wahaniom ciśnienia i temperatury → kombinowana kompensacja PT.
2. Określ, czy wymagany jest przepływ masowy czy objętościowy : Rozliczanie energii, transfer rozliczeniowy i kontrola spalania zazwyczaj wymagają przepływu masowego. Napełnianie zbiornika lub dozowanie procesowe może wymagać jedynie przepływu objętościowego, w takim przypadku wystarczy miernik standardowy lub z pojedynczą kompensacją.
3. Sprawdź liczbę Reynoldsa przy minimalnym przepływie : Mierniki wirowe wymagają minimalnej liczby Reynoldsa wynoszącej około Re = 20 000 dla niezawodnego zrzucania. W przypadku lepkich cieczy lub warunków o bardzo niskim przepływie próg ten może nie być osiągalny i należy rozważyć alternatywną technologię.
4. Oceń środowisko instalacji : Wysokie wibracje, przepływ pulsacyjny lub niewystarczający przebieg prosty mogą wymagać innej technologii przepływomierza lub znacznych modyfikacji rurociągów, zanim pomiar wirowy stanie się opłacalny.
5. Oceń wymagania dotyczące komunikacji i integracji : Skompensowane mierniki wirowe generują wiele zmiennych procesowych. Przed określeniem jednostki wielowymiarowej upewnij się, że system sterowania lub infrastruktura gromadzenia danych obsługuje protokół wyjściowy licznika — HART, Profibus lub FOUNDATION Fieldbus.

W przypadku większości zastosowań związanych z pomiarem energii pary – które stanowią największy przypadek jednorazowego zastosowania skompensowanych przepływomierzy wirowych – właściwą specyfikacją jest kombinowany moduł kompensacji ciśnienia i temperatury. Koszt krańcowy w porównaniu z modelem ciśnieniowym jest skromny, natomiast poprawa dokładności w przypadku pary przegrzanej jest znaczna i często wymagana przez standardy zarządzania energią w zakładzie, takie jak ISO 50001.