Kiedy potrzebna jest kompensacja temperatury lub ciśnienia w celu dokładnego pomiaru przepływu?

Przepływomierze wirowe mierzyć objętościowe lub masowe natężenie przepływu cieczy, gazów i pary, wytwarzając kontrolowany ruch wirowy w przepływającym płynie i wykrywając częstotliwość oscylacji przepływu wtórnego, które są dokładnie skorelowane z prędkością przepływu. Zajmują dobrze określoną pozycję w przemysłowych pomiarach przepływu: są solidniejsze i tolerancyjne na brudne ciecze niż mierniki wirowe, dokładniejsze w szerszym zakresie przepływu niż urządzenia różnicowe i znacznie bardziej ekonomiczne w instalacji i konserwacji niż mierniki Coriolisa lub magnetyczne w wielu warunkach procesowych. W szczególności do pomiaru przepływu pary przepływomierz wirowy stał się powszechnie akceptowanym podstawowym urządzeniem pomiarowym ze względu na połączenie dokładności, niskich kosztów utrzymania i zgodności z wymagającymi warunkami temperatury i ciśnienia w systemach dystrybucji pary i zarządzania energią.

Bezpośrednia odpowiedź dla inżynierów oceniających specyfikacje przepływomierzy wirowych jest następująca: podstawowy przepływomierz wirowy mierzy tylko objętościowe natężenie przepływu, co jest wystarczające w zastosowaniach cieczy, gdzie gęstość jest zasadniczo stała. W przypadku gazów i pary, gdzie gęstość zmienia się znacząco wraz ze zmianą temperatury i ciśnienia, sam pomiar przepływu objętościowego nie jest wystarczający do dokładnego określenia przepływu masowego lub przepływu energii. Przepływomierz wirowy z kompensacją temperatury zawiera czujnik temperatury i przekształca zmierzony przepływ objętościowy na przepływ masowy, wykorzystując gęstość płynu zależną od temperatury. Przepływomierz wirowy z kompensacją ciśnienia dodaje czujnik ciśnienia w tym samym celu. W pełni skompensowany model, wyposażony zarówno w czujniki temperatury, jak i ciśnienia, oblicza przepływ masowy w czasie rzeczywistym na podstawie zmierzonej kombinacji przepływu objętościowego, temperatury i ciśnienia, co stanowi konfigurację wymaganą do dokładnego pomiaru energii pary i rozliczeniowego przesyłu gazu. W tym artykule wyjaśniono, jak działa każda konfiguracja, gdzie jest stosowana i jakie specyfikacje regulują wybór.

Jak działa przepływomierz wirowy: zasada działania i wykrywanie przepływu

Przepływomierz wirowy działa na zasadzie generowania stabilnego wzoru przepływu wirowego w korpusie przepływomierza i wykrywania częstotliwości oscylacji przepływu wtórnego, które wynikają z interakcji pomiędzy tym przepływem wirowym a geometrią przepływomierza. Sekwencja działania składa się z trzech odrębnych etapów: generowanie wiru, tworzenie oscylacji i wykrywanie częstotliwości.

Generowanie wiru przez zawirowator wlotowy

Gdy płyn wpływa do przepływomierza, przechodzi przez nieruchomy zespół zawirowywacza składający się z kątowych łopatek rozmieszczonych promieniowo wokół osi rury. Łopatki te nadają płynowi moment pędu, przekształcając przepływ osiowy w spiralny, obrotowy wzór przepływu w otworze miernika. Zawiracz jest elementem pasywnym, który na tym etapie nie wymaga zasilania ani żadnych ruchomych części, co jest jednym z kluczowych powodów długiej żywotności przepływomierza wirowego i niskich wymagań konserwacyjnych.

Wtórna formacja oscylacyjna w strefie Deswirla

Za zawirowatorem strumień wirujący wpływa do sekcji rozprężającej się, a następnie przechodzi przez element odwirowujący, którego zadaniem jest częściowe usuwanie rotacji. Interakcja pomiędzy resztkowym przepływem obrotowym a urządzeniem odwirowującym generuje poprzedzający ruch wtórny, rodzaj precesji wirowej, w której rdzeń wirującego przepływu oscyluje wokół osi rury z częstotliwością wprost proporcjonalną do objętościowego natężenia przepływu. Ten ruch poprzedzający jest głównym mierzalnym zjawiskiem przepływomierza wirowego. Zależność Strouhala regulująca sygnał wyjściowy przepływomierza wirowego ustala, że ​​częstotliwość oscylacji podzielona przez prędkość przepływu jest bezwymiarową stałą (współczynnik K miernika) w określonym zakresie roboczym miernika, zazwyczaj w zakresie liczby Reynoldsa od 20 000 do kilku milionów. Ta liniowa zależność pomiędzy częstotliwością i prędkością przepływu sprawia, że ​​przepływomierz wirowy jest niezawodnym i precyzyjnym urządzeniem pomiarowym w szerokim zakresie przepływu, bez nieliniowych poprawek wymaganych przez urządzenia różnicowe.

Metody wykrywania: czujniki piezoelektryczne i pojemnościowe

Ruch oscylacyjny jest wykrywany przez jeden lub więcej czujników zamontowanych w korpusie przepływomierza. Powszechnie stosowane są dwie technologie wykrywania:

• Czujniki piezoelektryczne: Wykryj okresowe wahania ciśnienia lub wibracje mechaniczne wytwarzane przez przepływ poprzedzający w miejscu lokalizacji czujnika. Piezoelektryczne elementy czujnikowe generują sygnał napięciowy, którego częstotliwość odpowiada częstotliwości oscylacji przepływu, który układ elektroniczny przetwarzający sygnał przekształca na natężenie przepływu. Czujniki te są wytrzymałe, szybko reagują i nadają się do zastosowań z parą wysokotemperaturową, gdzie temperatura robocza czujnika może osiągnąć 250 stopni Celsjusza lub więcej przy odpowiedniej izolacji czujnika.
• Czujniki pojemnościowe: Wykryj zmiany pojemności elementu czujnikowego, gdy przepływ oscylacyjny cyklicznie odchyla element. Detekcja pojemnościowa szczególnie dobrze nadaje się do zastosowań w gazach pod niskim ciśnieniem, gdzie energia oscylacji przepływu jest niska, a czujniki piezoelektryczne mogą mieć niewystarczający stosunek sygnału do szumu, zapewniając w niektórych konstrukcjach stabilną detekcję przy prędkościach przepływu tak niskich jak 0,5 metra na sekundę.

Sygnał wyjściowy dowolnego typu czujnika to sygnał częstotliwościowy, który jest liniowo proporcjonalny do objętościowego natężenia przepływu, z którego elektronika oblicza chwilowe natężenie przepływu, całkowitą objętość oraz, przy odpowiedniej kompensacji, przepływ masowy i przepływ energii. Typowe specyfikacje przepływomierza wirowego obejmują dokładność od plus minus 1,0 do 1,5 procent odczytu w stosunku do współczynnika zakresu, przy współczynnikach zakresu od 10:1 do 25:1 w zależności od płynu i warunków pracy.

Kompensacja temperatury w przepływomierzach wirowych: dlaczego jest potrzebna i jak działa

Przepływomierz wirowy mierzący przepływ objętościowy generuje wynik w metrach sześciennych na godzinę (lub równoważnych jednostkach), który dokładnie odzwierciedla objętość płynu przepływającego przez miernik w jednostce czasu. W przypadku cieczy o zasadniczo stałej gęstości, takich jak woda o umiarkowanych temperaturach, ten odczyt objętościowy jest wprost proporcjonalny do przepływu masowego, ponieważ gęstość nie zmienia się znacząco wraz z temperaturą w zakresie roboczym. Jednakże w przypadku gazów, pary i cieczy o gęstości silnie zależnej od temperatury masa płynu reprezentowana przez dane objętościowe natężenie przepływu zmienia się zasadniczo wraz z temperaturą, przez co sam pomiar objętości jest niewystarczający do dokładnego sterowania procesem lub rozliczania energii.

Jak zmienia się gęstość gazu i pary wraz z temperaturą

W przypadku gazu doskonałego pod stałym ciśnieniem gęstość jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej: gaz w temperaturze 200 stopni Celsjusza (473 kelwinów) ma gęstość około 62 procent tego samego gazu w temperaturze 20 stopni Celsjusza (293 kelwinów) i przy tym samym ciśnieniu. W praktycznych zastosowaniach do pomiaru gazów przemysłowych temperatura gazu procesowego zwykle waha się od 50 do 150 stopni Celsjusza wokół nominalnego punktu pracy w miarę zmiany obciążenia procesu, sezonowych zmian temperatury otoczenia lub zmiany warunków pracy. Bez kompensacji temperatury przepływomierz wirowy mierzący gaz ziemny lub sprężone powietrze w temperaturze nominalnej 150 stopni Celsjusza wykazywałby błąd odczytu przepływu masowego wynoszący około 15 procent przy skoku temperatury procesu o plus minus 20 stopni Celsjusza, co jest wyraźnie niedopuszczalne w przypadku transferu rozliczeniowego, rozliczania energii lub zastosowań związanych z kontrolą procesu wymagających dokładności większej niż 2 do 3 procent.

Jak realizowana jest kompensacja temperatury

A przepływomierz wirowy z kompensacją temperatury zawiera rezystancyjny detektor temperatury (RTD), zwykle element Pt100 lub Pt1000, montowany w korpusie miernika bezpośrednio w strumieniu płynu lub w osłonie termometrycznej przylegającej do licznika. Sygnał temperatury jest podawany w sposób ciągły do ​​procesora sygnałowego miernika, który wykorzystuje zmierzoną temperaturę i bazę danych właściwości cieczy przechowywaną w procesorze do obliczenia rzeczywistej gęstości płynu w warunkach pomiaru. Objętościowe natężenie przepływu z sygnału częstotliwości jest następnie mnożone przez obliczoną gęstość, aby uzyskać wynik masowego natężenia przepływu w czasie rzeczywistym. Jednocześnie zintegrowany lub zsumowany akumulator masowego przepływu śledzi całkowitą masę płynu, który przeszedł przez licznik, czyli ilość wymaganą do rozliczeń, rozliczania energii i kontroli procesu wsadowego.

W przypadku zastosowań z parą, gdzie związek między temperaturą, ciśnieniem i gęstością jest zgodny z tabelami pary IAPWS IF97, a nie z prawem gazu doskonałego, procesor przepływomierza wirowego z kompensacją temperatury uzyskuje dostęp do bazy danych właściwości pary w oparciu o uznane międzynarodowo standardowe tabele, interpolując wartości gęstości dla dowolnej zmierzonej temperatury przy określonym ciśnieniu roboczym. W przypadku pary nasyconej pod stałym ciśnieniem sama temperatura jednoznacznie określa wszystkie właściwości termodynamiczne, w tym gęstość i entalpię właściwą, zatem miernik z kompensacją temperatury może zapewnić zarówno przepływ masowy, jak i przepływ energii (w kilowatach lub megawatach) bez konieczności stosowania czujnika ciśnienia, pod warunkiem, że ciśnienie w systemie jest stabilne i dobrze scharakteryzowane.

Kompensacja ciśnienia w przepływomierzach wirowych: zastosowania i konfiguracja

Kompensacja ciśnienia dotyczy drugiej głównej zmiennej wpływającej na gęstość płynu w pomiarze przepływu ściśliwego. W przypadku gazów o stałej temperaturze gęstość jest wprost proporcjonalna do ciśnienia bezwzględnego: sprężone powietrze pod ciśnieniem bezwzględnym 6 barów ma w przybliżeniu sześciokrotność gęstości tego samego powietrza przy ciśnieniu bezwzględnym 1 bara, co oznacza, że ​​przepływ objętościowy 100 metrów sześciennych na godzinę przy ciśnieniu bezwzględnym 6 barów odpowiada w przybliżeniu ekwiwalentowi około 600 metrów sześciennych na godzinę w standardowych warunkach (często określanych jako 0 stopni Celsjusza lub 15 stopni Celsjusza i absolutne ciśnienie 1,01325 bara). Przeliczenie rzeczywistego przepływu objętościowego na standardowy przepływ objętościowy lub masowy wymaga znajomości rzeczywistego ciśnienia roboczego, które jest funkcją układu kompensacji ciśnienia.

Integracja czujnika ciśnienia i przetwarzanie sygnału

A przepływomierz wirowy z kompensacją ciśnienia integruje przetwornik ciśnienia absolutnego lub przetwornik ciśnienia względnego (z korekcją ciśnienia atmosferycznego zastosowaną w procesorze) montowany bezpośrednio na korpusie licznika lub w sąsiednim ciągu technologicznym. Sygnał ciśnienia jest podawany do tego samego procesora sygnałowego, który odbiera sygnał częstotliwości przepływu, umożliwiając procesorowi obliczenie rzeczywistej gęstości gazu na podstawie zmierzonego ciśnienia (a jeśli mierzona jest również temperatura, jednocześnie na podstawie ciśnienia i temperatury).

W przypadku zastosowań z parą przegrzaną do pełnego określenia stanu termodynamicznego, a tym samym gęstości i entalpii pary, wymagana jest zarówno temperatura, jak i ciśnienie, para przegrzana przy danym ciśnieniu może występować w szerokim zakresie temperatur i gęstości, więc ani system kompensacji obejmujący wyłącznie temperaturę, ani system kompensacji obejmujący wyłącznie ciśnienie nie może zapewnić dokładnego pomiaru przepływu masowego w pełnym zakresie roboczym. W pełni skompensowany przepływomierz wirowy z wejściami temperatury i ciśnienia jest właściwą specyfikacją do pomiaru pary przegrzanej w każdym zastosowaniu, gdzie zarówno temperatura procesu, jak i ciśnienie zmieniają się niezależnie podczas pracy.

Standardowe obliczanie przepływu objętościowego dla sprężonych gazów

W zastosowaniach związanych z pomiarami sprężonego gazu, w tym dystrybucją gazu ziemnego, monitorowaniem sprężonego powietrza i pomiarami gazów procesowych w przemyśle, wymaganą moc wyjściową często wyraża się w standardowych metrach sześciennych na godzinę (Sm3/h) lub normalnych metrach sześciennych na godzinę (Nm3/h), a nie w przepływie masowym w kilogramach na godzinę. Standardowy lub normalny przepływ objętościowy reprezentuje równoważną objętość, jaką zajmowałby gaz w określonych warunkach odniesienia (0 stopni Celsjusza i 1,01325 bara dla normalnych metrów sześciennych lub 15 stopni Celsjusza i 1,01325 barów dla standardowych metrów sześciennych). Przepływomierz wirowy z kompensacją ciśnienia i temperatury oblicza tę standardową objętość wyjściową bezpośrednio ze zmierzonego rzeczywistego przepływu objętościowego, zmierzonej temperatury i zmierzonego ciśnienia, stosując prawo gazu doskonałego lub równanie stanu gazu rzeczywistego w celu uwzględnienia ściśliwości gazu. Ta standardowa wielkość produkcji stanowi ilość rozliczeniową za dostawę gazu ziemnego, podstawę obliczeń bilansu materiałów procesowych i wymaganą wielkość produkcji na potrzeby sprawozdawczości regulacyjnej w wielu jurysdykcjach.

Porównanie konfiguracji przepływomierzy wirowych: kiedy określić każdy typ

Poniższa tabela podsumowuje trzy główne konfiguracje kompensacji przepływomierzy wirowych, ich wyjścia pomiarowe i zastosowania, w których każda z nich jest właściwym wyborem.

Pomiar przepływu pary: gdzie przepływomierze wirowe z kompensacją Excel

Pomiar przepływu pary jest jednym z najbardziej wymagających zastosowań w przemysłowych przyrządach przepływowych, ponieważ para łączy ściśliwość gazu z właściwościami termodynamicznymi zależnymi od fazy, które zmieniają się znacząco zarówno wraz z temperaturą, jak i ciśnieniem, a system pomiarowy musi działać niezawodnie w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach w środowiskach wymagających mechanicznie i termicznie. Przepływomierze wirowe z kompensacją temperatury i ciśnienia stały się preferowanym rozwiązaniem do pomiaru przepływu pary w gospodarce energetycznej, przemyśle przetwórczym i ciepłownictwie z kilku powodów, które odróżniają je od konkurencyjnych technologii.

Zalety przepływomierzy wirowych w porównaniu z miernikami wirowymi do pary

Zarówno mierniki wirowe, jak i wirowe wykorzystują detekcję przepływu w oparciu o częstotliwość i mogą być wyposażone w kompensację temperatury i ciśnienia do pomiaru pary. Przepływomierz wirowy ma kilka praktycznych zalet w zastosowaniach parowych:

• Dolna minimalna prędkość przepływu: Przepływomierze wirowe zapewniają niezawodne wykrywanie sygnału przy niższych prędkościach przepływu niż przepływomierze wirowe, ponieważ oscylacja generowana przez wir ma większą amplitudę dla danej prędkości przepływu niż sygnał wydzielania wirów w większości konstrukcji. Dzięki temu miernik wirowy może dokładnie mierzyć warunki pary przy niskim obciążeniu, co jest ważne w systemach grzewczych, w których zapotrzebowanie na parę różni się znacznie pomiędzy warunkami pełnego obciążenia i czuwania.
• Tolerancja mokrej pary i ślimaków kondensatu: Solidna konstrukcja mechaniczna korpusu wiromierza, pozbawiona smukłych przesłon, które są krytycznym elementem miernika wirowego, zapewnia lepszą tolerancję na warunki pary mokrej i sporadyczne kropelki kondensatu, które mogą uszkodzić lub zakłócić delikatniejszą listwę odprowadzającą wiromierza.
• Szeroki zakres ciśnienia roboczego: Przepływomierze wirowe są dostępne na rynku dla ciśnień roboczych od 0,1 MPa do 4 MPa i wyższych, obejmując pełny zakres ciśnień dystrybucji pary przemysłowej, od niskociśnieniowych systemów grzewczych po wysokociśnieniową parę technologiczną.

Obliczanie przepływu energii na podstawie mierników wirowych z kompensacją temperatury i ciśnienia

Kiedy w linii doprowadzającej parę zainstalowany jest przepływomierz wirowy z kompensacją temperatury i ciśnienia i znana jest również temperatura powrotu kondensatu, licznik może obliczyć i zsumować energię cieplną dostarczoną przez instalację parową w czasie rzeczywistym. Do obliczeń wykorzystuje się tabele właściwości pary IAPWS IF97 w celu określenia entalpii właściwej pary zasilającej na podstawie zmierzonej temperatury i ciśnienia, odejmuje entalpię właściwą powracającego kondensatu w zmierzonej temperaturze i mnoży różnicę entalpii przez zmierzone masowe natężenie przepływu, aby otrzymać moc wyjściową w kilowatach. Ta możliwość bezpośredniego pomiaru energii, bez konieczności stosowania oddzielnego licznika energii lub komputera przepływu, sprawia, że ​​przepływomierz wirowy z kompensacją temperatury i ciśnienia jest kompleksowym instrumentem do zarządzania energią pary, który łączy pomiar przepływu, kompensację gęstości i obliczanie energii w jednym urządzeniu, znacznie upraszczając oprzyrządowanie wymagane do zapewnienia zgodności z systemem zarządzania energią ISO 50001 i alokacji kosztów dystrybucji pary.

Wymagania instalacyjne i parametry specyfikacji

Prawidłowy montaż przepływomierza wirowego jest niezbędny do osiągnięcia określonej dokładności, ponieważ mierniki wirowe są wrażliwe na profil prędkości przepływu napływającego. Niejednorodne profile spowodowane przez złącza poprzedzające, zawory lub łuki wprowadzają błędy w częstotliwości oscylacji, które nie odzwierciedlają w pełni średniej prędkości przepływu, co skutkuje niedokładnością pomiaru.

Wymagania dotyczące rur prostych przed i za rurociągiem

Producenci określają minimalne długości prostych rur przed i za przepływomierzem wirowym, aby zapewnić, że profil prędkości wchodzącej do miernika jest w pełni rozwinięty i wolny od elementów wirowych wprowadzanych przez złączki przed przepływomierzem. Typowe wymagania to 3D prostej rury przed i 1D za nią.

Orientacja i odprowadzanie kondensatu

W przypadku zastosowań parowych licznik powinien być zainstalowany w poziomym odcinku rury, jeśli to możliwe, aby zapobiec gromadzeniu się kondensatu w korpusie licznika, co mogłoby powodować błędne sygnały przepływu i korozję elementów. Jeżeli wymagana jest instalacja pionowa, przepływ pary powinien być skierowany w górę przez licznik, aby umożliwić grawitacyjne odprowadzanie kondensatu z sekcji pomiarowej. Odwadniacz umieszczony za licznikiem zapewnia odprowadzanie kondensatu i zapobiega zalaniu strefy pomiarowej gromadzeniem się kondensatu.

Kluczowe parametry specyfikacji dotyczące wyboru przepływomierza wirowego

Podczas określania przepływomierza wirowego należy zdefiniować następujące parametry, aby mieć pewność, że zostanie wybrany właściwy model dla danego zastosowania:

1. Rodzaj płynu: Ciecz, gaz lub para (nasycona lub przegrzana), ponieważ określa to wymagany poziom kompensacji, wybór zwilżanego materiału i odpowiednią bazę danych właściwości cieczy.
2. Zakres ciśnienia roboczego: Minimalne i maksymalne ciśnienie procesowe, które określa ciśnienie znamionowe korpusu licznika i zasięg przetwornika ciśnienia w modelach skompensowanych.
3. Zakres temperatur pracy: Minimalna i maksymalna temperatura procesu, która określa temperaturę znamionową materiałów miernika i czujnika.
4. Zakres przepływu: Minimalne i maksymalne natężenia przepływu, które określają wymagany rozmiar licznika i potwierdzają, że żądany zakres przepływu mieści się w określonym zakresie liczby Reynoldsa i współczynniku regulacji licznika.
5. Wymagane wyjście: Tylko przepływ objętościowy, przepływ masowy, standardowy przepływ objętościowy lub przepływ energii, który określa wymaganą konfigurację kompensacji.
6. Przyłącze procesowe: Średnica rury, ciśnienie znamionowe i norma kołnierza (ASME, EN, JIS) wymagane dla miejsca instalacji.
7. Sygnał wyjściowy: Wyjście impulsowe do sumowania, analogowe 4 do 20 mA dla natężenia przepływu, HART, Modbus lub PROFIBUS do komunikacji cyfrowej z systemem sterowania instalacją.

Przepływomierz wirowy, w różnych konfiguracjach kompensacji, zapewnia niezawodne, dokładne i praktycznie wszechstronne rozwiązanie do pomiaru przepływu w zastosowaniach od prostego pomiaru cieczy po wymagające wymagania rozliczania energii pary w programach zarządzania energią przemysłową. Wybór pomiędzy konfiguracją podstawową, z kompensacją temperatury, z kompensacją ciśnienia i z pełną kompensacją nie jest kwestią preferencji budżetowych, ale prawidłowego dopasowania urządzenia pomiarowego do rzeczywistych warunków fizycznych płynu procesowego, co jest jedynym podejściem zapewniającym dokładność i niezawodność wymaganą przez pomiar przepływu w zastosowaniach związanych z kontrolą energii i procesami.