Vortex Flowmeter Guide: Tryk- og temperaturkompensation

Et hvirvelflowmåler måler volumetrisk flow ved at detektere frekvensen af ​​hvirvler, der udskilles af et blufflegeme placeret i flowstrømmen - et princip kendt som von Kármán-effekten. Til applikationer, der involverer damp, komprimeret gas eller enhver væske, hvor massefylden ændrer sig væsentligt med driftsbetingelserne, er en stogard vortex-flowmåler utilstrækkelig i sig selv. Trykkompensation og temperaturkompensationsvarianter integrerer yderligere sensorer direkte i målerens krop for at beregne masseflow eller korrigeret volumetrisk flow i realtid, hvilket eliminerer behovet for ekstern instrumentering og manuelle korrektionsberegninger. Valg af den rigtige konfiguration afhænger af din væsketype, den nødvendige nøjagtighed, og om tryk, temperatur eller begge varierer under normal drift.

Sådan fungerer et Vortex-flowmåler

Driftsprincippet for en vortex flowmåler er baseret på et veletableret væskedynamisk fænomen. Når væske strømmer forbi en ikke-strømlinet forhindring - kaldet en bluff krop eller shedder bar - genereres der skiftende hvirvler på hver side af kroppen i et regelmæssigt, gentaget mønster. Dette mønster kaldes en von Kármán vortex-gade.

Frekvensen, hvormed disse hvirvler kastes, er direkte proportional med væskehastigheden, udtrykt ved Strouhal-forholdet:

f = St × V/d

Hvor f er hvirvelafgivelsesfrekvensen, St er det dimensionsløse Strouhal-nummer (typisk 0,17-0,21 for de fleste bluff kropsdesigns), V er væskehastigheden, og d er bredden af blufflegemet. Fordi Strouhal-tallet forbliver næsten konstant over et bredt Reynolds-talområde, fungerer hvirvelfrekvensen som en pålidelig, lineær indikator for strømningshastighed.

Detektionsmetoder

Hvirvlerne skaber oscillerende tryksvingninger, der detekteres af en af flere sensorteknologier, der er indlejret i eller nær blufflegemet:

• Piezoelektriske sensorer : Den mest almindelige type. En piezoelektrisk krystal genererer et lille spændingssignal som svar på den oscillerende kraft fra hver hvirvel. Disse sensorer har ingen bevægelige dele og er yderst pålidelige i damp- og gasservice.
• Kapacitans sensorer : Registrer trykforskellen skabt af hvirvler ved hjælp af en fleksibel membran. Mindre modtagelig for vibrationsinterferens end nogle piezoelektriske designs.
• Ultralydssensorer : Nogle avancerede designs bruger ultralydsstråler rettet hen over rørboringen for at detektere hvirvelinducerede hastighedsudsving, hvilket muliggør ikke-påtrængende måling.

Uanset detekteringsmetode er outputtet af en grundlæggende hvirvelstrømningsmåler en frekvenspulssignal proportionalt med volumetrisk flowhastighed . Konvertering af dette til masseflow eller standardiseret volumetrisk flow kræver viden om væskedensitet - det er her, kompensationsvarianter bliver afgørende.

Hvorfor kompensation er nødvendig for nøjagtig flowmåling

En vortex-flowmålers pulsudgang afspejler det faktiske volumetriske flow under driftsbetingelser - det reelle volumen, der passerer gennem måleren på det tidspunkt. Til mange væskeanvendelser, hvor densiteten er relativt stabil, er dette tilstrækkeligt. Men for gasser, damp og superkritiske væsker , forholdet mellem volumetrisk flow og masseflow er meget følsomt over for både tryk og temperatur.

Overvej mættet damp ved to forskellige tryk:

• Kl 5 bar (absolut) , har mættet damp en massefylde på ca 2,67 kg/m³
• Kl 10 bar (absolut) , stiger den mættede damptæthed til ca 5,16 kg/m³

Den samme volumetriske flowaflæsning ved disse to betingelser repræsenterer næsten det dobbelte af massestrømmen ved 10 bar i forhold til 5 bar. Uden at tage højde for denne densitetsforskel ville et dampenergifakturering eller processtyringssystem baseret udelukkende på volumetrisk output bære fejl, der overstiger 30-50 % under variable trykforhold. Kompensation adresserer dette direkte ved at føre realtidstryk- og/eller temperaturdata ind i flowcomputeren for kontinuerligt at beregne korrigerede værdier.

Trykkompensation Vortex Flowmåler

A trykkompenserende hvirvelflowmåler integrerer en tryktransmitter - typisk en piezoresistiv eller kapacitans-type tryksensor - i målerens krop ved siden af hvirveldetektionselementet. Den interne flowcomputer bruger den levende trykaflæsning sammen med den målte hvirvelfrekvens til at beregne væskedensiteten ud fra forudindlæste egenskabstabeller og udleder derefter masseflow eller korrigeret volumetrisk flow i realtid.

Når trykkompensation alene er tilstrækkelig

Trykkompensation er passende - og tilstrækkelig - når væsketemperaturen enten er konstant eller kan antages konstant inden for en acceptabel tolerance. Det mest almindelige scenarie er mættet damp service : Fordi mættet damp eksisterer ved en fast temperatur for et givet tryk, definerer kun måling af tryk fuldt ud væskens termodynamiske tilstand. Der kræves ingen separat temperaturmåling for at bestemme densiteten.

Yderligere egnede applikationer inkluderer:

• Trykluftsystemer, hvor fremløbstemperaturen er relativt stabil, men linjetrykket varierer med kompressorens cyklus
• Distribution af nitrogen eller inert gas ved næsten omgivende temperatur med variabelt samlerørstryk
• Naturgasmåling, hvor temperaturvariationen er beskeden (inden for ±10°C fra en referenceværdi)

Typiske specifikationer

De fleste trykkompenserende hvirvelflowmålere på markedet har integrerede tryksensorer, der er klassificeret til 0–4 MPa eller 0–10 MPa , med trykmålenøjagtighed typisk ±0,5 % FS . Den kombinerede flowmåleusikkerhed efter kompensation er generelt i området ±1,0-1,5 % af aflæsning for damp og gas sammenlignet med ±0,5–1,0 % for vortexelementet alene, der måler volumetrisk flow i væsker.

Temperaturkompensation Vortex Flowmåler

A temperaturkompensation vortex flowmåler integrerer en modstandstemperaturdetektor (RTD) - oftest en Pt100 eller Pt1000 klasse A sensor — ind i måleren eller dens umiddelbare opstrøms/nedstrøms ledsagerfitting. Temperatursignalet føder den samme interne flowcomputer, som bruger data om væskeegenskaber til at udlede tæthed og beregne masse eller korrigeret flow.

Når der bruges alene temperaturkompensation

Kun temperaturkompensation er mindre almindelig end tryk-kun eller kombineret kompensation, men har legitime applikationer:

• Væskeflow ved konstant tryk men variabel temperatur : Varmtvandskredsløb, termiske oliesystemer og kølevandskredsløb, hvor rørtrykket reguleres, men temperaturen varierer med procesbelastningen
• Gasflow ved kendt stabilt forsyningstryk : Når en trykregulator holder opstrømstrykket tæt, men omgivelses- eller procestemperaturen varierer sæsonmæssigt eller dagligt
• Overførsel af gasser ved reguleret tryk : Hvor trykket er fastsat ved kontrakt eller regulering og kun temperaturen behøver aktiv overvågning

FTU-placering og responstid

RTD'en er typisk installeret i en termobrønd placeret 3–5 rørdiametre nedstrøms af hvirvelmålerens krop for at undgå at forstyrre flowprofilen ved målepunktet. Termobrønds design betyder noget: en tungvægget termobrønd øger termisk forsinkelse, hvilket kan introducere forbigående fejl under hurtige temperaturændringer. For processer med hurtige temperaturudsving, en termobrønd med reduceret spids eller hurtig respons med en responstid på under 5 sekunder anbefales.

Kombineret tryk- og temperaturkompensation Vortex-flowmåler

Den mest dygtige og bredt specificerede variant integrerer både tryk- og temperatursensorer i en enkelt metersamling. Med adgang til begge variabler samtidigt kan den interne flowcomputer anvende den fulde tilstandsligning for væsken - hvilket giver efter sand massestrømsberegning uden nogen antagelser om driftsbetingelser .

Denne konfiguration er obligatorisk for:

• Overophedet damp : I modsætning til mættet damp eksisterer overhedet damp ved temperaturer over mætningskurven for et givet tryk. Både tryk og temperatur er uafhængigt variable og skal begge måles for at bestemme densiteten ud fra damptabeller.
• Overførsel af naturgasdepot : AGA (American Gas Association) og ISO-standarder for naturgasmåling kræver korrektion til basisbetingelser ved brug af både tryk og temperatur
• Variable procesgasser : Blandede gasstrømme, biogas eller procesafgangsgas, hvor sammensætning og driftsbetingelser begge svinger
• Dampenergimåling til fakturering eller tildeling : Hvor BTU eller kJ output skal beregnes nøjagtigt på tværs af skiftende belastningsforhold

Producenter som Yokogawa (digitalYEWFLO-serien), Endress Hauser (Prowirl F 200) og Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) tilbyder fuldt integrerede multivariable hvirvelstrømningsmålere, der måler hvirvelfrekvens, tryk og temperatur i en enkelt procesforbindelse, der udsender masseflow direkte via HART, FOUNDATION Fieldbus eller Mod-protokol.

Sammenligning: Standard vs kompenserede vortex flowmålere

Installationskrav, der påvirker nøjagtigheden

Uanset kompensationskonfiguration er hvirvelflowmålere følsomme over for strømningsprofilforvrængninger forårsaget af opstrøms rørgeometri. Opfyldelse af straight-run krav er ikke til forhandling for at opnå nominel nøjagtighed.

Krav til opstrøms og nedstrøms lige rør

Følgende krav til straight-run gælder for de fleste vortex-flowmålere under standardinstallationsforhold. Faktiske krav varierer efter producent og målerdesign:

Vibrations- og pulsationsfølsomhed

Vortex flowmålere er i sagens natur modtagelige for mekaniske vibrationer, fordi deres sensorer registrerer oscillerende kræfter. Rørledningsvibrationer ved frekvenser tæt på hvirvelafgivelsesfrekvensen kan forårsage falske impulser, signaludfald eller uregelmæssige aflæsninger . De fleste moderne digitale signalprocessorer inkluderer adaptiv filtrering for at skelne mellem hvirvelsignaler og vibrationsstøj, men alvorlige vibrationsmiljøer - nær kompressorer, pumper eller dampturbiner - bør evalueres omhyggeligt. Montering af måleren på et vibrationsisoleret spolestykke eller flytning af det længere fra vibrationskilden er praktiske afhjælpningsstrategier.

Flowområde og minimumsflowovervejelser

Hver hvirvelstrømsmåler har en minimal målbar strømningshastighed - typisk 0,5–1,0 m/s for væsker and 3–5 m/s for gasser og damp — under hvilken hvirvelafgivelse bliver uregelmæssig og signalet upålideligt. Denne nedre tærskel kaldes ofte afskæringshastigheden eller den minimale detekterbare strømning. Under dette punkt udsender måleren nul uanset det faktiske flow, hvilket skal tages i betragtning i applikationer med brede krav til nedlukning.

Det praktiske turndown-forhold for de fleste vortex-målere er 10:1 til 20:1 sammenlignet med 100:1 eller mere for Coriolis eller magnetiske flowmålere. For dampsystemer, der regelmæssigt fungerer ved lav belastning - for eksempel under opstart af anlægget eller natten over - kan denne begrænsning forårsage betydelige målespalter, medmindre måleren er dimensioneret konservativt til det maksimale forventede flow i stedet for gennemsnittet.

En nyttig størrelsesregel: vælg en meterstørrelse, hvor normal driftshastighed falder mellem 3 og 15 m/s for gas/damp og mellem 1 og 7 m/s for væsker. Dette sikrer, at operationspunktet forbliver et godt stykke inden for det lineære område, samtidig med at der efterlades frihøjde til strømstød.

Valg af den rigtige Vortex Flowmeter-konfiguration

Brug følgende beslutningskriterier til at identificere den passende vortex-flowmålervariant til din applikation:

1. Identificer din væskefase og variabilitet : Væske ved stabile forhold → standard vortex. Mættet damp eller gas med variabelt tryk → trykkompensation. Overophedet damp, naturgas eller enhver gas med både tryk- og temperaturvariation → kombineret P T-kompensation.
2. Bestem, om masseflow eller volumetrisk flow er påkrævet : Energifakturering, depotoverførsel og forbrændingskontrol kræver typisk masseflow. Tankfyldning eller procesbatching behøver muligvis kun volumetrisk flow, i hvilket tilfælde en standard- eller enkeltkompensationsmåler kan være tilstrækkelig.
3. Tjek Reynolds nummer ved minimum flow : Vortex-målere kræver et minimum Reynolds-tal på ca Re = 20.000 for pålidelig udskillelse. For tyktflydende væsker eller meget lavt flow er denne tærskel muligvis ikke opnåelig, og en alternativ teknologi bør overvejes.
4. Vurder installationsmiljøet : Høje vibrationer, pulserende flow eller utilstrækkelig lige løb kan kræve en anden målerteknologi eller væsentlige rørændringer, før vortexmåling er levedygtig.
5. Evaluer kommunikations- og integrationskrav : Kompenserede vortex-målere udsender flere procesvariable. Bekræft, at kontrolsystemet eller dataindsamlingsinfrastrukturen understøtter målerens outputprotokol — HART, Profibus eller FOUNDATION Fieldbus — før du specificerer en multivariabel enhed.

For størstedelen af ​​dampenergimåleapplikationer - som repræsenterer den største enkeltanvendelse for kompenserede hvirvelflowmålere - er en kombineret tryk- og temperaturkompensationsenhed den korrekte specifikation. De marginale omkostninger i forhold til en model med kun tryk er beskedne, mens nøjagtighedsforbedringen for overophedet dampservice er betydelig og ofte påkrævet af energistyringsstandarder på stedet såsom ISO 50001.