Vortex Flowmeter Guide: Trykk- og temperaturkompensasjon

En virvelstrømningsmåler måler volumetrisk strømning ved å oppdage frekvensen av virvler som avgis av et bløfflegeme plassert i strømningsstrømmen - et prinsipp kjent som von Kármán-effekten. For applikasjoner som involverer damp, komprimert gass eller annen væske hvor tettheten endres betydelig med driftsforholdene, er en stogard virvelstrømningsmåler utilstrekkelig alene. Trykkkompensasjons- og temperaturkompensasjonsvarianter integrerer ekstra sensorer direkte i målerens kropp for å beregne massestrøm eller korrigert volumetrisk strømning i sanntid, noe som eliminerer behovet for ekstern instrumentering og manuelle korreksjonsberegninger. Å velge riktig konfigurasjon avhenger av væsketypen din, nødvendig nøyaktighet og om trykk, temperatur eller begge varierer under normal drift.

Hvordan en Vortex Flowmeter fungerer

Driftsprinsippet til en virvelstrømningsmåler er basert på et veletablert væskedynamisk fenomen. Når væske strømmer forbi en ikke-strømlinjeformet hindring – kalt en bløff kropp eller shedder bar – genereres vekslende virvler på hver side av kroppen i et regelmessig, repeterende mønster. Dette mønsteret kalles en von Kármán virvelgate.

Frekvensen som disse virvlene blir kastet med er direkte proporsjonal med væskehastigheten, uttrykt ved Strouhal-forholdet:

f = St × V / d

Hvor f er hvirvelavgivelsesfrekvensen, St er det dimensjonsløse Strouhal-nummeret (vanligvis 0,17–0,21 for de fleste bløffe kroppsdesign), V er væskehastigheten, og d er bredden på bløffkroppen. Fordi Strouhal-tallet forblir nesten konstant over et bredt Reynolds-tallområde, fungerer virvelfrekvensen som en pålitelig, lineær indikator for strømningshastighet.

Deteksjonsmetoder

Virvlene skaper oscillerende trykksvingninger som oppdages av en av flere sensorteknologier innebygd i eller nær bløffkroppen:

• Piezoelektriske sensorer : Den vanligste typen. En piezoelektrisk krystall genererer et lite spenningssignal som svar på oscillerende kraft fra hver virvel. Disse sensorene har ingen bevegelige deler og er svært pålitelige ved bruk av damp og gass.
• Kapasitanssensorer : Oppdag trykkforskjellen skapt av virvler ved hjelp av en fleksibel membran. Mindre utsatt for vibrasjonsinterferens enn noen piezoelektriske design.
• Ultralydsensorer : Noen avanserte design bruker ultralydstråler rettet over rørhullet for å oppdage virvelinduserte hastighetssvingninger, noe som muliggjør ikke-påtrengende måling.

Uavhengig av deteksjonsmetode er utgangen til en grunnleggende virvelstrømningsmåler en frekvenspulssignal proporsjonalt med volumetrisk strømningshastighet . Konvertering av dette til massestrøm eller standardisert volumetrisk strømning krever kunnskap om væsketetthet - det er der kompensasjonsvarianter blir avgjørende.

Hvorfor kompensasjon er nødvendig for nøyaktig strømningsmåling

En virvelstrømningsmålers pulsutgang reflekterer den faktiske volumetriske strømningen under driftsforhold - det virkelige volumet som passerer gjennom måleren i det øyeblikket. For mange væskeanvendelser hvor densiteten er relativt stabil, er dette tilstrekkelig. Men for gasser, damp og superkritiske væsker , er forholdet mellom volumetrisk strømning og massestrøm svært følsomt for både trykk og temperatur.

Vurder mettet damp ved to forskjellige trykk:

• kl 5 bar (absolutt) , har mettet damp en tetthet på ca 2,67 kg/m³
• kl 10 bar (absolutt) , stiger mettet damptetthet til ca 5,16 kg/m³

Den samme volumetriske strømningsavlesningen ved disse to forholdene representerer nesten det dobbelte av massestrømmen ved 10 bar sammenlignet med 5 bar. Uten å ta hensyn til denne tetthetsforskjellen, vil et fakturerings- eller prosesskontrollsystem for dampenergi basert utelukkende på volumetrisk utgang ha feil som overstiger 30–50 % under variable trykkforhold. Kompensasjon adresserer dette direkte ved å mate sanntidstrykk- og/eller temperaturdata inn i strømningscomputeren for å beregne korrigerte verdier kontinuerlig.

Trykkkompensasjon Vortex Flowmeter

A trykkkompenserende virvelstrømningsmåler integrerer en trykktransmitter - vanligvis en piezoresistiv eller kapasitans-type trykksensor - i målerkroppen ved siden av virveldeteksjonselementet. Den interne strømningscomputeren bruker livetrykkavlesningen sammen med den målte virvelfrekvensen for å beregne væsketettheten fra forhåndslastede egenskapstabeller, og utleder deretter massestrøm eller korrigert volumetrisk strømning i sanntid.

Når bare trykkkompensasjon er tilstrekkelig

Trykkkompensering er passende – og tilstrekkelig – når væsketemperaturen enten er konstant eller kan antas konstant innenfor en akseptabel toleranse. Det vanligste scenariet er mettet damptjeneste : Fordi mettet damp eksisterer ved en fast temperatur for et gitt trykk, definerer måling av trykk alene den termodynamiske tilstanden til væsken. Ingen separat temperaturmåling er nødvendig for å bestemme tettheten.

Ytterligere egnede applikasjoner inkluderer:

• Trykkluftsystemer der tilførselstemperaturen er relativt stabil, men linjetrykket varierer med kompressorens syklus
• Nitrogen- eller inertgassfordeling ved nær omgivelsestemperatur med variabelt topptrykk
• Naturgassmåling der temperaturvariasjonen er beskjeden (innenfor ±10°C fra en referanseverdi)

Typiske spesifikasjoner

De fleste trykkkompenserende virvelstrømningsmålere på markedet har integrerte trykksensorer vurdert til 0–4 MPa eller 0–10 MPa , med trykkmålenøyaktighet typisk ±0,5 % FS . Den kombinerte strømningsusikkerheten etter kompensasjon er generelt i området ±1,0–1,5 % avlesning for damp og gass, sammenlignet med ±0,5–1,0 % for virvelelementet alene som måler volumetrisk strøm i væsker.

Temperaturkompensasjon Vortex Flowmeter

A temperaturkompensasjon virvelstrømningsmåler integrerer en motstandstemperaturdetektor (RTD) - oftest en Pt100 eller Pt1000 klasse A sensor — inn i måleren eller dens umiddelbare oppstrøms/nedstrøms medkobling. Temperatursignalet mater den samme interne strømningsdatamaskinen, som bruker data for væskeegenskaper for å utlede tetthet og beregne masse eller korrigert strømning.

Når kun temperaturkompensasjon brukes

Kun temperaturkompensasjon er mindre vanlig enn kun trykkkompensasjon eller kombinert kompensasjon, men har legitime applikasjoner:

• Væskestrøm ved konstant trykk men variabel temperatur : Varmtvannskretser, termiske oljesystemer og kjølevannssløyfer der rørtrykket reguleres, men temperaturen varierer med prosessbelastningen
• Gassstrøm ved kjent stabilt tilførselstrykk : Når en trykkregulator holder oppstrømstrykket tett, men omgivelses- eller prosesstemperaturen varierer sesongmessig eller daglig
• Depotoverføring av gasser ved regulert trykk : Der trykket er fastsatt ved kontrakt eller regulering og kun temperatur trenger aktiv overvåking

RTD-plassering og responstid

RTDen er vanligvis installert i en termobrønn plassert 3–5 rørdiametre nedstrøms av virvelmåleren for å unngå å forstyrre strømningsprofilen ved målepunktet. Termobrønndesign betyr noe: en tungvegget termobrønn øker termisk etterslep, noe som kan introdusere forbigående feil under raske temperaturendringer. For prosesser med raske temperatursvingninger, a termobrønn med redusert spiss eller rask respons med en responstid på under 5 sekunder anbefales.

Kombinert trykk- og temperaturkompensasjonsvirvelstrømningsmåler

Den mest kapable og vidt spesifiserte varianten integrerer både trykk- og temperatursensorer i en enkelt meterenhet. Med tilgang til begge variablene samtidig, kan den interne strømningscomputeren bruke hele tilstandsligningen for væsken – og gir etter sann massestrømsberegning uten noen forutsetninger om driftsforhold .

Denne konfigurasjonen er obligatorisk for:

• Overopphetet damp : I motsetning til mettet damp, eksisterer overopphetet damp ved temperaturer over metningskurven for et gitt trykk. Både trykk og temperatur er uavhengige variable og må begge måles for å bestemme tetthet fra damptabeller.
• Overføring av naturgass : AGA (American Gas Association) og ISO-standarder for naturgassmåling krever korreksjon til grunnforhold ved bruk av både trykk og temperatur
• Variable prosessgasser : Blandede gassstrømmer, biogass eller prosessavgass der sammensetning og driftsforhold varierer
• Dampenergimåling for fakturering eller tildeling : Hvor BTU eller kJ-utgang må beregnes nøyaktig på tvers av skiftende belastningsforhold

Produsenter som Yokogawa (digitalYEWFLO-serien), Endress Hauser (Prowirl F 200) og Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) tilbyr fullt integrerte multivariable virvelstrømningsmålere som måler virvelfrekvens, trykk og temperatur i en enkelt prosessforbindelse, og sender ut massestrøm direkte via HART, FOUNDATION Fieldbus, FOUNDATION.

Sammenligning: Standard vs kompenserte virvelstrømningsmålere

Installasjonskrav som påvirker nøyaktigheten

Uavhengig av kompensasjonskonfigurasjon, er virvelstrømningsmålere følsomme for strømningsprofilforvrengninger forårsaket av oppstrøms rørgeometri. Det er ikke omsettelig å oppfylle rettlinjede krav for å oppnå rangert nøyaktighet.

Krav til oppstrøms og nedstrøms rett rør

Følgende rettkjøringskrav gjelder for de fleste virvelstrømningsmålere under standard installasjonsforhold. Faktiske krav varierer etter produsent og målerdesign:

Vibrasjons- og pulsasjonsfølsomhet

Vortex-strømningsmålere er iboende mottakelige for mekanisk vibrasjon fordi sensorene deres oppdager oscillerende krefter. Rørledningsvibrasjoner ved frekvenser nær frekvensen av virvelavgivelse kan forårsake falske pulser, signalutfall eller uregelmessige avlesninger . De fleste moderne digitale signalprosessorer inkluderer adaptiv filtrering for å skille mellom virvelsignaler og vibrasjonsstøy, men alvorlige vibrasjonsmiljøer - nær kompressorer, pumper eller dampturbiner - bør vurderes nøye. Å montere måleren på et vibrasjonsisolert spolestykke eller flytte det lenger fra vibrasjonskilden er praktiske utbedringsstrategier.

Strømningsområde og minimumsstrømningshensyn

Hver virvelstrømningsmåler har en minimum målbar strømningshastighet - vanligvis 0,5–1,0 m/s for væsker and 3–5 m/s for gasser og damp — under hvilken virvelavgivelse blir uregelmessig og signalet upålitelig. Denne nedre terskelen kalles ofte cutoff-hastigheten eller minimum detekterbar strømning. Under dette punktet gir måleren null uavhengig av faktisk strømning, noe som må tas hensyn til i applikasjoner med store krav til nedreduksjon.

Det praktiske turndown-forholdet for de fleste virvelmålere er 10:1 til 20:1 , sammenlignet med 100:1 eller mer for Coriolis eller magnetiske strømningsmålere. For dampsystemer som regelmessig opererer med lav belastning - for eksempel under oppstart av anlegget eller over natten - kan denne begrensningen forårsake betydelige målegap med mindre måleren er dimensjonert konservativt for den maksimale forventede strømningen i stedet for gjennomsnittet.

En nyttig dimensjoneringsregel: velg en meterstørrelse der normal driftsstrømhastighet faller mellom 3 og 15 m/s for gass/damp og mellom 1 og 7 m/s for væsker. Dette sikrer at operasjonspunktet holder seg godt innenfor det lineære området, samtidig som det gis takhøyde for strømningsstøt.

Velge riktig konfigurasjon av Vortex Flowmeter

Bruk følgende beslutningskriterier for å identifisere den aktuelle virvelstrømningsmålervarianten for din applikasjon:

1. Identifiser væskefasen og variasjonen din : Væske ved stabile forhold → standard vortex. Mettet damp eller gass med variabelt trykk → trykkkompensasjon. Overopphetet damp, naturgass eller hvilken som helst gass med både trykk- og temperaturvariasjon → kombinert P T-kompensasjon.
2. Bestem om massestrøm eller volumetrisk strøm er nødvendig : Energifakturering, depotoverføring og forbrenningskontroll krever vanligvis massestrøm. Tankfylling eller prosessbatching trenger kanskje bare volumetrisk strøm, i så fall kan en standard- eller enkeltkompensasjonsmåler være tilstrekkelig.
3. Sjekk Reynolds-nummeret ved minimum flow : Vortex-målere krever et minimum Reynolds-tall på ca Re = 20 000 for pålitelig avføring. For tyktflytende væsker eller forhold med svært lav flyt kan denne terskelen kanskje ikke oppnås, og en alternativ teknologi bør vurderes.
4. Vurder installasjonsmiljøet : Høy vibrasjon, pulserende strømning eller utilstrekkelig rett løp kan kreve en annen målerteknologi eller betydelige rørmodifikasjoner før virvelmåling er levedyktig.
5. Vurdere kommunikasjons- og integreringskrav : Kompenserte virvelmålere gir ut flere prosessvariabler. Bekreft at kontrollsystemet eller datainnsamlingsinfrastrukturen støtter målerens utgangsprotokoll – HART, Profibus eller FOUNDATION Fieldbus – før du spesifiserer en multivariabel enhet.

For de fleste applikasjoner for dampenergimåling – som representerer den største enkeltbrukssaken for kompenserte virvelstrømningsmålere – er en kombinert trykk- og temperaturkompensasjonsenhet den riktige spesifikasjonen. Den marginale kostnaden over en modell med kun trykk er beskjeden, mens nøyaktighetsforbedringen for overopphetet damptjeneste er betydelig og ofte kreves av energistyringsstandarder på stedet som ISO 50001.