Mikor van szüksége hőmérséklet- vagy nyomáskompenzációra a pontos áramlásméréshez?

Örvényes áramlásmérők mérje meg a folyadékok, gázok és gőz térfogat- vagy tömegáramlási sebességét úgy, hogy az áramló folyadékban szabályozott örvénylő mozgást generál, és érzékeli a másodlagos áramlási rezgések gyakoriságát, amelyek pontosan korrelálnak az áramlási sebességgel. Jól meghatározott pozíciót foglalnak el az ipari áramlásmérésben: robusztusabbak és toleránsabbak a szennyezett folyadékokkal szemben, mint az örvénymérők, pontosabbak szélesebb áramlási tartományban, mint a nyomáskülönbség-készülékek, és lényegesen gazdaságosabb beszerelésük és karbantartásuk, mint a Coriolis vagy a mágneses mérők számos folyamat körülményei között. Különösen a gőzáram mérésénél az örvénylő áramlásmérő széles körben elfogadott elsődleges mérőeszközzé vált, mivel kombinációja pontossága, alacsony karbantartási igénye, valamint kompatibilitása a gőzelosztó és energiagazdálkodási rendszerek igényes hőmérsékleti és nyomási feltételeivel.

Az örvényáramlásmérő specifikációit értékelő mérnökök közvetlen válasza a következő: az alap örvényáramlásmérő csak a térfogati áramlási sebességet méri, ami elegendő olyan folyékony alkalmazásokhoz, ahol a sűrűség lényegében állandó. Gázok és gőzök esetében, ahol a sűrűség jelentősen változik mind a hőmérséklet, mind a nyomás hatására, a térfogatáram mérés önmagában nem elegendő a tömegáram vagy az energiaáram pontos meghatározásához. A hőmérséklet-kompenzációs örvényáram-mérő hozzáad egy hőmérséklet-érzékelőt, és a mért térfogatáramot tömegárammá alakítja a hőmérsékletfüggő folyadéksűrűség felhasználásával. A nyomáskompenzációs örvényárammérő egy nyomásérzékelőt is hozzáad ugyanerre a célra. A hőmérséklet- és nyomásérzékelőket is tartalmazó, teljesen kompenzált modell valós időben számítja ki a tömegáramot a térfogatáram, a hőmérséklet és a nyomás mért kombinációjából, ami a pontos gőzenergia-méréshez és a gáztárolási átvitelhez szükséges konfiguráció. Ez a cikk elmagyarázza, hogyan működnek az egyes konfigurációk, hol alkalmazzák őket, és milyen specifikációk szabályozzák a kiválasztást.

Hogyan működik az örvénylő áramlásmérő: működési elv és áramlásérzékelés

Az örvénylő áramlásmérő azon az elven működik, hogy stabil forgó áramlási mintát hoz létre a mérőtesten belül, és érzékeli a másodlagos áramlási rezgések frekvenciáját, amelyek az örvénylő áramlás és a mérő geometriája közötti kölcsönhatásból erednek. A működési szekvencia három különböző szakaszból áll: örvénygenerálás, oszcillációképződés és frekvenciaérzékelés.

Örvénygenerálás a bemeneti örvénylővel

Amint a folyadék belép az áramlásmérőbe, egy rögzített örvényegységen halad át, amely a cső tengelye körül sugárirányban elhelyezett ferde lapátokból áll. Ezek a lapátok szögimpulzusokat kölcsönöznek a folyadéknak, és az axiális áramlást spirálisan forgó áramlási mintává alakítják a mérő furatán belül. Az örvénylő egy passzív elem, amely ebben a szakaszban nem igényel áramot és mozgó alkatrészeket, ami az egyik fő oka az örvénylő áramlásmérő hosszú élettartamának és alacsony karbantartási igényének.

Másodlagos oszcilláció kialakulása a Deswirl zónában

Az örvénylő után a forgó áramlás egy táguló szakaszba lép, majd áthalad egy deswirler elemen, amely a forgás részleges eltávolítására szolgál. A visszamaradó forgó áramlás és a deswirler közötti kölcsönhatás precesszáló másodlagos mozgást hoz létre, az örvényprecesszió egy fajtáját, amelyben az örvénylő áramlási mag a térfogati áramlási sebességgel egyenesen arányos frekvenciával oszcillál a cső tengelye körül. Ez a precesszáló mozgás az örvénylő áramlásmérő elsődleges mérhető jelensége. Az örvénylő áramlásmérő kimenetét szabályozó Strouhal összefüggés megállapítja, hogy az oszcillációs frekvencia osztva az áramlási sebességgel egy dimenzió nélküli állandó (a mérő K-tényezője) a mérő meghatározott működési tartományában, jellemzően a Reynolds-szám 20 000 és több millió közötti tartományban. A frekvencia és az áramlási sebesség közötti lineáris kapcsolat teszi az örvénylő áramlásmérőt megbízható és pontos mérőeszközzé széles áramlási tartományban, a nyomáskülönbség-eszközök által megkövetelt nemlineáris korrekciók nélkül.

Észlelési módszerek: Piezoelektromos és kapacitív érzékelők

Az oszcilláló áramlási mozgást a mérőtestbe szerelt egy vagy több érzékelő érzékeli. Két észlelési technológia általánosan használt:

• Piezoelektromos érzékelők: Érzékelje a periodikus nyomásingadozásokat vagy mechanikai rezgéseket, amelyeket a precesszáló áramlás okoz az érzékelő helyén. A piezoelektromos érzékelőelemek olyan feszültségjelet állítanak elő, amelynek frekvenciája megegyezik az áramlási oszcillációs frekvenciával, amelyet a jelfeldolgozó elektronika áramlási sebességgé alakít át. Ezek az érzékelők robusztusak, gyorsan reagálnak, és alkalmasak magas hőmérsékletű gőzalkalmazásokhoz, ahol az érzékelők működési hőmérséklete elérheti a 250 Celsius-fokot vagy magasabbat, megfelelő érzékelőszigetelés mellett.
• Kapacitív érzékelők: Érzékelje az érzékelőelem kapacitásának változásait, amikor az oszcilláló áramlás ciklikusan eltéríti az elemet. A kapacitív érzékelés különösen jól alkalmazható alacsony nyomású gázalkalmazásokban, ahol az áramlási rezgési energia alacsony, és a piezoelektromos érzékelők jel-zaj aránya nem elegendő, így stabil érzékelést biztosít néhány konstrukcióban akár 0,5 méter/sec áramlási sebességnél is.

Mindkét szenzortípus jelkimenete a térfogatárammal lineárisan arányos frekvenciajel, amelyből az elektronika kiszámítja a pillanatnyi áramlási sebességet, az összesített térfogatot, valamint megfelelő kompenzációval a tömegáramot és az energiaáramot. Az örvénylő áramlásmérő tipikus specifikációi közé tartozik a plusz-mínusz 1,0–1,5 százalékos leolvasási pontosság a leállítási arányon belül, a 10:1 és 25:1 közötti lefutási arányok a folyadéktól és az üzemi körülményektől függően.

Hőmérséklet-kompenzáció örvénylő áramlásmérőkben: miért van rá szükség és hogyan működik

A térfogatáramot mérő örvénylő áramlásmérő köbméter per óra (vagy azzal egyenértékű egységben) kimenő teljesítményt ad, amely pontosan reprezentálja a mérőn egységnyi idő alatt áthaladó folyadék térfogatát. Lényegében állandó sűrűségű folyadékok, például mérsékelt hőmérsékletű víz esetében ez a térfogatáram egyenesen arányos a tömegárammal, mivel a sűrűség nem változik jelentősen a hőmérséklettel a működési tartományban. Az erősen hőmérsékletfüggő sűrűségű gázok, gőzök és folyadékok esetében azonban az adott térfogatáram által képviselt folyadék tömege jelentősen változik a hőmérséklettel, így a térfogatmérés önmagában nem elegendő a pontos folyamatszabályozáshoz vagy az energiaelszámoláshoz.

Hogyan változik a gáz és a gőz sűrűsége a hőmérséklettel

Állandó nyomású ideális gáz esetén a sűrűség fordítottan arányos az abszolút hőmérséklettel: egy 200 Celsius fokos (473 Kelvin) gáz sűrűsége körülbelül 62 százaléka ugyanennek a gáznak 20 Celsius fokon (293 Kelvin), azonos nyomáson. A gyakorlati ipari gázmérési alkalmazásokban a technológiai gáz hőmérséklete általában 50-150 Celsius-fokkal változik egy névleges működési pont körül, ahogy a folyamat terhelése változik, a környezeti hőmérséklet szezonálisan változik, vagy az üzemi feltételek változnak. Hőmérséklet-kompenzáció nélkül a földgázt vagy sűrített levegőt 150 Celsius-fok névleges hőmérsékleten mérő örvénylő áramlásmérő körülbelül 15 százalékos tömegáram-leolvasási hibát mutatna plusz-mínusz 20 Celsius-fokos folyamathőmérséklet-eltérés esetén, ami egyértelműen elfogadhatatlan a letéti átvitel, az energiaszámlázás vagy a folyamatszabályozási alkalmazásoknál3.

Hogyan történik a hőmérséklet-kompenzáció

A hőmérséklet-kompenzációs örvényáramlásmérő ellenállás-hőmérséklet-érzékelőt (RTD), jellemzően Pt100 vagy Pt1000 elemet integrál, amelyet vagy a mérőtestbe közvetlenül a folyadékáramba szerelnek fel, vagy a mérővel szomszédos védőcsőbe. A hőmérsékleti jelet folyamatosan táplálják a mérő jelfeldolgozójába, amely a mért hőmérséklet és a processzorban tárolt folyadéktulajdonságok adatbázisa alapján számítja ki a tényleges folyadéksűrűséget a mérési körülmények között. A frekvenciajelből származó térfogatáramot ezután megszorozzák ezzel a számított sűrűséggel, hogy valós idejű tömegáram-kimenetet kapjanak. Ezzel egyidejűleg az integrált vagy összesített tömegáram-tároló nyomon követi a mérőn áthaladó folyadék teljes tömegét, amely a számlázáshoz, az energiaelszámoláshoz és a szakaszos folyamatvezérléshez szükséges mennyiség.

Gőzalkalmazások esetében, ahol a hőmérséklet, a nyomás és a sűrűség közötti összefüggés az IAPWS IF97 gőztáblázatait követi, nem pedig egy ideális gáztörvényt, a hőmérséklet-kompenzációs örvényáramlásmérő processzora hozzáfér egy gőztulajdonság-adatbázishoz, amely ezeken a nemzetközileg elismert szabványtáblázatokon alapul, interpolálva a sűrűségértékeket bármely mért hőmérsékletre a megadott üzemi nyomáson. Állandó nyomású telített gőz esetén a hőmérséklet önmagában egyedileg határozza meg az összes termodinamikai tulajdonságot, beleértve a sűrűséget és a fajlagos entalpiát, így egy csak hőmérséklet-kompenzált mérőműszer mind tömegáramot, mind energiaáramlást (kilowattban vagy megawattban) biztosíthat nyomásérzékelő nélkül, feltéve, hogy a rendszer nyomása stabil és jól jellemezhető.

Nyomáskompenzáció örvénylő áramlásmérőkben: Alkalmazások és konfiguráció

A nyomáskompenzáció a második fő változóval foglalkozik, amely befolyásolja a folyadék sűrűségét az összenyomható áramlás mérésében. Állandó hőmérsékletű gázok esetén a sűrűség egyenesen arányos az abszolút nyomással: a sűrített levegő 6 bar abszolút nyomáson körülbelül hatszorosa ugyanazon levegő sűrűségének 1 bar abszolút nyomáson, ami azt jelenti, hogy a 100 köbméter/óra térfogatáram 6 bar abszolút nyomáson körülbelül 600 köbméter/óra egyenértéket jelent normál körülmények között (gyakran 0 Celius-1315 Celsius-fokként és 01315 Celsius-fokon). bár abszolút). A tényleges térfogatáram szabványos térfogatárammá vagy tömegárammá alakításához a tényleges üzemi nyomás ismerete szükséges, ami a nyomáskiegyenlítő rendszer funkciója.

Nyomásérzékelő integráció és jelfeldolgozás

A nyomáskompenzációs örvényáramlásmérő abszolút nyomástávadót vagy nyomásmérő távadót (a processzorban alkalmazott légköri nyomás korrekcióval) integrál, közvetlenül a mérőtestre vagy a szomszédos folyamatsorba szerelve. A nyomásjelet ugyanahhoz a jelfeldolgozóhoz vezetik, amely az áramlási frekvencia jelét veszi, így a processzor a mért nyomásból (és ha a hőmérsékletet is méri, akkor a nyomásból és a hőmérsékletből egyszerre) számíthatja ki a tényleges gázsűrűséget.

A túlhevített gőz alkalmazásoknál mind a hőmérséklet, mind a nyomás szükséges a termodinamikai állapot, így a gőz sűrűségének és entalpiájának teljes meghatározásához: adott nyomáson túlhevített gőz a hőmérséklet és sűrűség széles tartományában létezhet, így sem a hőmérsékletet, sem a nyomást kompenzáló rendszer nem képes pontos tömegáram mérést biztosítani a teljes működési tartományban. Egy teljesen kompenzált örvényáram-mérő hőmérséklet- és nyomásbemenettel a megfelelő specifikáció a túlhevített gőz mérésére minden olyan alkalmazásban, ahol a folyamat hőmérséklete és nyomása egymástól függetlenül változik működés közben.

Szabványos térfogatáram számítása sűrített gázokhoz

A sűrített gáz mérési alkalmazásokban, beleértve a földgázelosztást, a sűrített levegő felügyeletét és az ipari folyamatgáz mérését, a szükséges teljesítményt gyakran szabvány köbméter per óra (Sm3/h) vagy normál köbméter per óra (Nm3/h) mértékegységben fejezik ki, nem pedig kilogramm per óra tömegáramban. A szabványos vagy normál térfogatáram azt az egyenértékű térfogatot jelenti, amelyet a gáz meghatározott referenciafeltételek mellett elfoglalna (0 Celsius-fok és 1,01325 bar normál köbméter esetén vagy 15 Celsius fok és 1,01325 bar szabvány köbméter esetén). A nyomás- és hőmérsékletkompenzált örvényáram-mérő ezt a szabványos térfogatáramot közvetlenül a mért tényleges térfogatáramból, a mért hőmérsékletből és a mért nyomásból számítja ki, az ideális gáztörvényt vagy egy valós gázállapotegyenletet alkalmazva a gáz összenyomhatóságának figyelembevételére. Ez a szabványos mennyiségi kibocsátás a földgázellátás számlázási mennyisége, a folyamat anyagmérleg-számításainak alapja, valamint a hatósági jelentésekhez szükséges kibocsátás számos joghatóságban.

Az örvénylő áramlásmérő konfigurációk összehasonlítása: Mikor kell megadni az egyes típusokat

Az alábbi táblázat összefoglalja az örvénylő áramlásmérők három fő kompenzációs konfigurációját, mérési kimeneteiket és azokat az alkalmazásokat, ahol mindegyik a megfelelő választás.

Gőzáram mérés: ahol örvénylő áramlásmérők kompenzációs Excellel

A gőzáramlás mérése az egyik legigényesebb alkalmazás az ipari áramlási műszerezésben, mivel a gőz egyesíti a gáz összenyomhatóságát olyan fázisfüggő termodinamikai tulajdonságokkal, amelyek jelentősen változnak mind a hőmérséklet, mind a nyomás hatására, és a mérőrendszernek megbízhatóan kell működnie magas hőmérsékleten és nyomáson mechanikailag és hőigényes környezetben. A hőmérséklet- és nyomáskompenzációval rendelkező örvénylő áramlásmérők az energiagazdálkodásban, a feldolgozóiparban és a távfűtési alkalmazásokban előnyben részesített megoldássá váltak a gőzáram mérésére, több okból is, amelyek megkülönböztetik őket a versenytárs technológiáktól.

Az örvénylő áramlásmérők előnyei az örvénylő gőzmérőkkel szemben

Mind az örvény-, mind az örvénymérők frekvenciaalapú áramlásérzékelést használnak, és felszerelhetők hőmérséklet- és nyomáskompenzációval a gőzadagoláshoz. Az örvénylő áramlásmérőnek számos gyakorlati előnye van a gőz alkalmazásokhoz:

• Alsó minimális áramlási sebesség: Az örvénylő áramlásmérők megbízható jelérzékelést biztosítanak alacsonyabb áramlási sebességeknél, mint az örvénymérők, mivel az örvény által generált oszcilláció nagyobb amplitúdóval rendelkezik egy adott áramlási sebesség mellett, mint a legtöbb kivitelben az örvényleválasztó jel. Ez lehetővé teszi, hogy az örvénymérő pontosan mérje az alacsony terhelésű gőzviszonyokat, ami fontos olyan fűtési rendszerekben, ahol a gőzigény nagymértékben változik a teljes terhelés és a készenléti állapot között.
• Nedves gőz és kondenzátum tűrése: Az örvénymérő testének robusztus mechanikus felépítése, az örvénymérő kritikus elemét jelentő karcsú blöff test akadályozása nélkül, jobban tolerálja a nedves gőzkörülményeket és az esetenként előforduló kondenzátumokat, amelyek károsíthatják vagy megzavarhatják az örvénymérő sérülékenyebb szórórúdját.
• Széles üzemi nyomástartomány: Az örvénylő áramlásmérők a kereskedelemben kaphatók 0,1 MPa és 4 MPa közötti üzemi nyomásra, és lefedik az ipari gőzelosztó nyomások teljes skáláját az alacsony nyomású fűtőrendszerektől a nagynyomású technológiai gőzig.

Energiaáramlás számítása hőmérséklet- és nyomáskompenzált örvénymérőkből

Ha egy gőzellátó vezetékbe hőmérséklet- és nyomáskompenzált örvényáram-mérőt szerelnek be, és a kondenzátum visszatérő hőmérséklete is ismert, a mérő képes valós időben kiszámítani és összesíteni a gőzrendszer által szállított hőenergiát. A számítás az IAPWS IF97 gőztulajdonság-táblázatait használja a befújt gőz fajlagos entalpiájának meghatározására a mért hőmérsékletből és nyomásból, levonja a visszaáramló kondenzátum fajlagos entalpiáját a mért hőmérsékleten, és az entalpiakülönbséget megszorozza a mért tömegárammal, hogy megkapja a kilowattban kifejezett kimenő teljesítményt. Ez a közvetlen energiamérési képesség külön energiamérő vagy áramlási számítógép nélkül teszi a hőmérséklet- és nyomáskompenzált örvényáram-mérőt átfogó gőzenergia-menedzsment eszközzé, amely egyetlen eszközben egyesíti az áramlásmérést, a sűrűségkompenzációt és az energiaszámítást, jelentősen leegyszerűsítve az ISO 50001 energiagazdálkodási rendszernek való megfeleléshez és a gőzelosztási költségelosztáshoz szükséges műszerezést.

Telepítési követelmények és specifikációs paraméterek

Az örvénylő áramlásmérő helyes felszerelése elengedhetetlen a megadott pontosság eléréséhez, mert az örvénymérők érzékenyek a bejövő áramlás sebességprofiljára. A felfelé irányuló szerelvények, szelepek vagy ívek által okozott nem egyenletes profilok olyan hibákat okoznak az oszcillációs frekvenciában, amelyek nem tükrözik teljes mértékben az átlagos áramlási sebességet, ami mérési pontatlanságot eredményez.

Felfelé és lefelé irányuló egyenes csőre vonatkozó követelmények

A gyártók meghatározzák az egyenes cső minimális hosszát az örvénylő áramlásmérő előtt és után annak biztosítására, hogy a mérőbe belépő sebességprofil teljesen kifejlődjön, és mentes legyen az áramlás előtti szerelvények által bevezetett örvénykomponensektől. A tipikus követelmények az egyenes cső 3D-je az áramlás irányában és az 1D-s lefelé irányuló cső.

Tájolás és kondenzvíz elvezetés

Gőzalkalmazások esetén a mérőt lehetőség szerint vízszintes csőszakaszba kell felszerelni, hogy megakadályozzuk a kondenzátum felgyülemlését a mérőtestben, ami hibás áramlási jeleket és elemkorróziót okozna. Ahol függőleges beépítésre van szükség, a gőzáramot felfelé kell irányítani a mérőn keresztül, hogy lehetővé tegye a kondenzátum gravitációs elvezetését a mérési szakaszból. A mérő utáni gőzfogó biztosítja a kondenzvíz elvezetését, és megakadályozza, hogy a kondenzátum felgyülemlése elárassza a mérési zónát.

Az örvény áramlásmérő kiválasztásához szükséges legfontosabb specifikációs paraméterek

Az örvényárammérő meghatározásakor a következő paramétereket kell meghatározni annak biztosítására, hogy az alkalmazáshoz megfelelő modell legyen kiválasztva:

1. Folyadék típusa: Folyadék, gáz vagy gőz (telített vagy túlhevített), mivel ez határozza meg a szükséges kompenzációs szintet, a nedvesített anyag kiválasztását és az alkalmazandó folyadéktulajdonsági adatbázist.
2. Üzemi nyomás tartomány: Minimális és maximális folyamatnyomás, amely meghatározza a mérőtest nyomásértékét és a nyomástávadó tartományát a kompenzált modellekben.
3. Működési hőmérséklet tartomány: Minimális és maximális folyamathőmérséklet, amely meghatározza a mérő és az érzékelő anyagok hőmérsékleti besorolását.
4. Áramlási tartomány: Minimális és maximális áramlási sebességek, amelyek meghatározzák a szükséges mérőméretet, és megerősítik, hogy a kívánt áramlási tartomány a mérőben meghatározott Reynolds-szám tartományba és lefutási arányba esik.
5. Szükséges kimenet: Csak térfogatáram, tömegáram, standard térfogatáram vagy energiaáramlás, amely meghatározza a szükséges kompenzációs konfigurációt.
6. Folyamat kapcsolat: A telepítés helyéhez szükséges csőátmérő, nyomásérték és karimaszabvány (ASME, EN, JIS).
7. Kimeneti jel: Impulzuskimenet az összegzéshez, 4-20 mA analóg az áramlási sebességhez, HART, Modbus vagy PROFIBUS a digitális kommunikációhoz az üzemvezérlő rendszerrel.

Az örvénylő áramlásmérő a különféle kompenzációs konfigurációkban megbízható, pontos és gyakorlatilag sokoldalú megoldást kínál az áramlásmérésre az egyszerű folyadékméréstől az ipari energiagazdálkodási programok gőzenergia-elszámolásának igényes követelményeiig. Az alap, hőmérséklet-kompenzált, nyomáskompenzált és teljesen kompenzált konfigurációk közötti választás nem költségvetési preferencia kérdése, hanem a mérőeszköznek a folyamatfolyadék tényleges fizikai körülményeihez való megfelelő illeszkedése, ami az egyetlen megközelítés, amely biztosítja azt a pontosságot és megbízhatóságot, amelyet az energia- és folyamatszabályozási alkalmazásokban az áramlásmérés megkövetel.