Milloin tarvitset lämpötilan tai paineen kompensointia tarkkaan virtausmittaukseen?

Pyörrevirtausmittarit mittaa nesteiden, kaasujen ja höyryn tilavuus- tai massavirtausnopeutta kehittämällä hallittua pyörreliikettä virtaavaan nesteeseen ja havaitsemalla sekundäärivirtauksen värähtelyjen taajuuden, joka korreloi tarkasti virtausnopeuden kanssa. Niillä on hyvin määritelty asema teollisessa virtausmittauksessa: vankempi ja sietävämpi likaisia ​​nesteitä vastaan ​​kuin pyörremittarit, tarkempi laajemmalla virtausalueella kuin paine-erolaitteet ja huomattavasti taloudellisempi asentaa ja huoltaa kuin Coriolis tai magneettimittarit monissa prosessiolosuhteissa. Erityisesti höyryvirtauksen mittauksessa pyörrevirtausmittarista on tullut laajalti hyväksytty ensisijainen mittauslaite, koska se on yhdistelmä tarkkuutta, vähän huoltoa vaativaa toimintaa ja yhteensopivuutta höyrynjakelu- ja energianhallintajärjestelmien vaativien lämpötila- ja paineolosuhteiden kanssa.

Suora vastaus insinööreille, jotka arvioivat pyörrevirtausmittarin teknisiä tietoja, on tämä: peruspyörrevirtausmittari mittaa vain tilavuusvirtausta, mikä riittää nestemäisiin sovelluksiin, joissa tiheys on olennaisesti vakio. Kaasuille ja höyrylle, joiden tiheys muuttuu merkittävästi sekä lämpötilan että paineen mukaan, tilavuusvirtauksen mittaus ei yksin riitä tarkkaan massavirran tai energiavirran määrittämiseen. Lämpötilan kompensointipyörrevirtausmittari lisää lämpötila-anturin ja muuntaa mitatun tilavuusvirtauksen massavirtaukseksi käyttämällä lämpötilasta riippuvaa nestetiheyttä. Painetta kompensoiva pyörrevirtausmittari lisää paineanturin samaa tarkoitusta varten. Täysin kompensoitu malli, jossa on sekä lämpötila- että paineanturit, laskee massavirran reaaliajassa mitatusta tilavuusvirtauksen, lämpötilan ja paineen yhdistelmästä, mikä on konfiguraatio, jota tarvitaan tarkkaan höyryenergian mittaukseen ja kaasun varastointisiirtoon. Tässä artikkelissa kerrotaan, miten kukin kokoonpano toimii, missä niitä käytetään ja mitkä määritykset ohjaavat valintaa.

Pyörrevirtausmittarin toiminta: Toimintaperiaate ja virtauksen tunnistus

Pyörrevirtausmittari toimii periaatteella, että se tuottaa vakaan pyörivän virtauskuvion mittarin rungossa ja havaitsee sekundaarivirtauksen värähtelytaajuuden, joka johtuu tämän pyörteisen virtauksen ja mittarin geometrian välisestä vuorovaikutuksesta. Toimintajaksossa on kolme erillistä vaihetta: pyörteen muodostus, värähtelyn muodostus ja taajuuden havaitseminen.

Swirl Generation by Inlet Swirler

Kun neste tulee virtausmittariin, se kulkee kiinteän pyörrekokoonpanon läpi, joka koostuu kulmassa olevista siiveistä, jotka on järjestetty radiaalisesti putken akselin ympärille. Nämä siivet antavat nesteelle kulmamomentin muuttamalla aksiaalisen virtauksen kierteiseksi pyöriväksi virtauskuvioksi mittarin reiässä. Pyörre on passiivinen elementti, joka ei vaadi tehoa eikä liikkuvia osia tässä vaiheessa, mikä on yksi tärkeimmistä syistä pyörrevirtausmittarin pitkään käyttöikään ja vähäisiin huoltotarpeisiin.

Toissijainen värähtelyn muodostuminen Deswirl-vyöhykkeellä

Pyörittäjän jälkeen pyörivä virtaus tulee laajenevaan osaan ja kulkee sitten pyörteenpoistoelementin yli, joka on suunniteltu poistamaan osittain pyörimisen. Pyörivän jäännösvirtauksen ja pyörteenpoistolaitteen välinen vuorovaikutus synnyttää precessoivan toissijaisen liikkeen, eräänlaisen pyörreprecession, jossa pyörteisen virtauksen ydin värähtelee putken akselin ympäri taajuudella, joka on suoraan verrannollinen tilavuusvirtausnopeuteen. Tämä precessoiva liike on pyörrevirtausmittarin ensisijainen mitattavissa oleva ilmiö. Pyörrevirtausmittarin lähtöä säätelevä Strouhal-suhde osoittaa, että värähtelytaajuus jaettuna virtausnopeudella on dimensioton vakio (mittarin K-tekijä) mittarin määritellyllä toiminta-alueella, tyypillisesti Reynoldsin luku vaihtelee 20 000:sta useisiin miljooniin. Tämä taajuuden ja virtausnopeuden välinen lineaarinen suhde tekee pyörrevirtausmittarista luotettavan ja tarkan mittauslaitteen laajalla virtausalueella ilman paine-erolaitteiden vaatimia epälineaarisia korjauksia.

Havaitsemismenetelmät: Pietsosähköiset ja kapasitiiviset anturit

Värähtelevä virtausliike havaitaan yhdellä tai useammalla mittarin runkoon asennetulla anturilla. Kaksi tunnistustekniikkaa on yleisesti käytössä:

• Pietsosähköiset anturit: Tunnista jaksolliset paineenvaihtelut tai mekaaniset värähtelyt, jotka Pressoiva virtaus aiheuttaa anturin sijainnissa. Pietsosähköiset anturielementit muodostavat jännitesignaalin, jonka taajuus vastaa virtauksen värähtelytaajuutta, jonka signaalinkäsittelyelektroniikka muuntaa virtausnopeudeksi. Nämä anturit ovat kestäviä, reagoivat nopeasti ja sopivat korkean lämpötilan höyrysovelluksiin, joissa anturin käyttölämpötila voi nousta 250 celsiusasteeseen tai korkeampiin asianmukaisella anturieristyksellä.
• Kapasitiiviset anturit: Havaitse muutokset anturielementin kapasitanssissa, kun värähtelevä virtaus kääntää elementin syklisesti. Kapasitiivinen ilmaisu sopii erityisen hyvin matalapaineisiin kaasusovelluksiin, joissa virtauksen värähtelyenergia on alhainen ja pietsosähköisten antureiden signaali-kohinasuhde saattaa olla riittämätön, mikä tarjoaa vakaan havainnoinnin jopa 0,5 metrin sekunnissa joissakin malleissa.

Jommankumman anturityypin signaalilähtö on tilavuusvirtaan lineaarisesti verrannollinen taajuussignaali, josta elektroniikka laskee hetkellisen virtauksen, kokonaistilavuuden sekä sopivalla kompensaatiolla massavirran ja energiavirran. Tyypilliset pyörrevirtausmittarin tekniset tiedot sisältävät tarkkuuden plus tai miinus 1,0 - 1,5 prosenttia lukemasta alaslaskusuhteen aikana, ja laskusuhteet ovat 10:1 - 25:1 nesteen ja käyttöolosuhteiden mukaan.

Lämpötilan kompensointi pyörrevirtausmittareissa: miksi sitä tarvitaan ja miten se toimii

Pyörrevirtausmittari, joka mittaa tilavuusvirtausta, tuottaa kuutiometreinä tunnissa (tai vastaavissa yksiköissä), joka edustaa tarkasti mittarin läpi kulkevan nesteen määrää aikayksikköä kohti. Nesteille, joiden tiheys on olennaisesti vakio, kuten vesi kohtalaisessa lämpötilassa, tämä tilavuuslukema on suoraan verrannollinen massavirtaan, koska tiheys ei muutu merkittävästi lämpötilan mukaan toiminta-alueella. Kuitenkin kaasujen, höyryn ja nesteiden, joiden tiheys riippuu voimakkaasti lämpötilasta, nesteen massa, jota edustaa määrätty tilavuusvirtaus, muuttuu olennaisesti lämpötilan mukaan, mikä tekee tilavuusmittauksesta yksinään riittämättömän tarkan prosessin ohjauksen tai energian laskennan kannalta.

Kuinka kaasun ja höyryn tiheys muuttuu lämpötilan mukaan

Ihanteelliselle kaasulle vakiopaineessa tiheys on kääntäen verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan: 200 celsiusasteen (473 kelvinin) kaasun tiheys on noin 62 prosenttia samasta kaasusta 20 celsiusasteessa (293 kelviniä) samassa paineessa. Käytännön teollisissa kaasunmittaussovelluksissa prosessikaasun lämpötila vaihtelee yleensä 50-150 celsiusastetta nimellisen toimintapisteen ympärillä, kun prosessin kuormitukset muuttuvat, ympäristön lämpötilat vaihtelevat vuodenaikojen mukaan tai käyttöolosuhteet muuttuvat. Ilman lämpötilakompensaatiota maakaasua tai paineilmaa 150 celsiusasteen nimellislämpötilassa mittaava pyörrevirtausmittari näyttäisi noin 15 prosentin massavirtauslukeman virheen, kun prosessin lämpötilan vaihtelu on plus tai miinus 20 Celsius-astetta, mikä on selvästi mahdotonta hyväksyä säilytyksen siirrossa, energian laskutuksessa tai prosessinohjaussovelluksissa3.

Kuinka lämpötilan kompensointi toteutetaan

A lämpötilakompensoiva pyörrevirtausmittari integroi vastuslämpötilan ilmaisimen (RTD), tyypillisesti Pt100- tai Pt1000-elementin, joka on asennettu joko mittarin runkoon suoraan nestevirtaan tai mittarin viereiseen suojakoteloon. Lämpötilasignaali syötetään jatkuvasti mittarin signaaliprosessorille, joka laskee mitatun lämpötilan ja prosessoriin tallennetun nesteen ominaisuustietokannan avulla todellisen nestetiheyden mittausolosuhteissa. Taajuussignaalin tilavuusvirtausnopeus kerrotaan sitten tällä lasketulla tiheydellä reaaliaikaisen massavirtausnopeuden tuottamiseksi. Samanaikaisesti integroitu tai summattu massavirtaakku seuraa mittarin läpi kulkeneen nesteen kokonaismassaa, joka on laskutukseen, energialaskentaan ja eräprosessien ohjaukseen tarvittava määrä.

Höyrysovelluksissa, joissa lämpötilan, paineen ja tiheyden välinen suhde noudattaa IAPWS IF97 -höyrytaulukoita mieluummin kuin ihanteellinen kaasulaki, lämpötilan kompensointipyörrevirtausmittarin prosessori käyttää näihin kansainvälisesti tunnustettuihin standarditaulukkoihin perustuvaa höyryn ominaisuustietokantaa interpoloimalla tiheysarvot mille tahansa mitatulle lämpötilalle määritetyssä käyttöpaineessa. Kyllästetylle höyrylle vakiopaineessa lämpötila yksin määrittää yksilöllisesti kaikki termodynaamiset ominaisuudet, mukaan lukien tiheyden ja ominaisentalpian, joten vain lämpötilakompensoitu mittari voi tuottaa sekä massavirran että energiavirran (kilowatteina tai megawatteina) ilman paineanturia edellyttäen, että järjestelmän paine on vakaa ja hyvin karakterisoitu.

Paineenkompensointi pyörrevirtausmittareissa: Sovellukset ja kokoonpano

Painekompensointi koskee toista suurta muuttujaa, joka vaikuttaa nesteen tiheyteen kokoonpuristuvan virtauksen mittauksessa. Kaasuilla vakiolämpötilassa tiheys on suoraan verrannollinen absoluuttiseen paineeseen: paineilmalla 6 baarin absoluuttisella paineella on noin kuusi kertaa saman ilman tiheys 1 baarin absoluuttisella paineella, mikä tarkoittaa, että 100 kuutiometrin tilavuusvirtaus 6 baarin absoluuttisella paineella vastaa noin 600 kuutiometriä tunnissa, mikä vastaa vakioolosuhteissa (usein 0 Celsius-10 celsiusastetta ja 15 celsiusastetta). bar absoluuttinen). Todellisen tilavuusvirtauksen muuntaminen normaaliksi tilavuusvirtaukseksi tai massavirtaukseksi edellyttää todellisen käyttöpaineen tuntemista, joka on paineenkompensointijärjestelmän tehtävä.

Paineanturin integrointi ja signaalinkäsittely

A painekompensoiva pyörrevirtausmittari integroi absoluuttisen paineen lähettimen tai mittauspainelähettimen (ilmakehän paineen korjauksella prosessorissa), joka on asennettu joko suoraan mittarin runkoon tai viereiseen prosessilinjaan. Painesignaali syötetään samaan signaaliprosessoriin, joka vastaanottaa virtaustaajuussignaalin, jolloin prosessori voi laskea todellisen kaasutiheyden mitatusta paineesta (ja jos lämpötilaa myös mitataan, sekä paineesta että lämpötilasta samanaikaisesti).

Tulistetun höyryn sovelluksissa sekä lämpötilaa että painetta tarvitaan täysin määrittämään termodynaaminen tila ja siten höyryn tiheys ja entalpia: tulistettua höyryä tietyllä paineella voi esiintyä laajalla lämpötila- ja tiheysalueella, joten pelkkä lämpötilan tai pelkän paineen kompensointijärjestelmä ei pysty tarjoamaan tarkkaa massavirran mittausta koko toiminta-alueella. Täysin kompensoitu pyörrevirtausmittari, jossa on sekä lämpötila- että painetulot, on oikea määritys tulistetun höyryn mittaukseen kaikissa sovelluksissa, joissa sekä prosessin lämpötila että paine vaihtelevat itsenäisesti käytön aikana.

Puristettujen kaasujen vakiotilavuusvirtalaskelma

Painekaasumittaussovelluksissa, mukaan lukien maakaasun jakelu, paineilman valvonta ja teollisuusprosessikaasun mittaus, vaadittu teho ilmaistaan ​​usein standardikuutiometreinä tunnissa (Sm3/h) tai normaalikuutiometreinä tunnissa (Nm3/h) massavirtauksen sijaan kilogrammoina tunnissa. Normaali tai normaali tilavuusvirta edustaa vastaavaa tilavuutta, jonka kaasu käyttäisi määritellyissä vertailuolosuhteissa (0 celsiusastetta ja 1,01325 baaria normaalikuutiometreille tai 15 celsiusastetta ja 1,01325 baaria standardikuutiometreille). Paine- ja lämpötilakompensoitu pyörrevirtausmittari laskee tämän vakiotilavuusulostulon suoraan mitatusta todellisesta tilavuusvirtauksesta, mitatusta lämpötilasta ja mitatusta paineesta käyttämällä ideaalikaasulakia tai todellista kaasun tilayhtälöä kaasun kokoonpuristuvuuden huomioon ottamiseksi. Tämä vakiomäärä on maakaasun toimituksen laskutusmäärä, prosessimateriaalitaselaskennan perusta ja vaadittu tuotos viranomaisraportoinnissa monilla lainkäyttöalueilla.

Pyörrevirtausmittarin konfiguraatioiden vertailu: Milloin kukin tyyppi on määritettävä

Seuraavassa taulukossa on yhteenveto pyörrevirtausmittarien kolmesta pääkompensointikonfiguraatiosta, niiden mittaustuloksista ja sovelluksista, joissa jokainen on oikea valinta.

Höyryvirtauksen mittaus: missä pyörrevirtausmittarit Compensation Excelillä

Höyryvirtauksen mittaus on yksi vaativimmista sovelluksista teollisessa virtausinstrumentoinnissa, koska höyryssä yhdistyvät kaasun kokoonpuristuvuus ja faasiriippuvaiset termodynaamiset ominaisuudet, jotka muuttuvat merkittävästi sekä lämpötilan että paineen mukaan, ja mittausjärjestelmän tulee toimia luotettavasti korkeissa lämpötiloissa ja paineissa mekaanisesti ja lämpöä vaativissa ympäristöissä. Lämpötila- ja painekompensaatiolla varustetuista pyörrevirtausmittareista on tullut suosituin ratkaisu höyryvirran mittaukseen energianhallinnassa, prosessiteollisuudessa ja kaukolämpösovelluksissa useista syistä, jotka erottavat ne kilpailevista teknologioista.

Pyörrevirtausmittarien edut höyryn pyörremittareihin verrattuna

Sekä pyörre- että pyörremittarit käyttävät taajuuspohjaista virtauksen ilmaisua ja ne voidaan varustaa lämpötila- ja painekompensaatiolla höyryn mittausta varten. Pyörrevirtausmittarilla on useita käytännön etuja höyrysovelluksissa:

• Pienin minimivirtausnopeus: Pyörrevirtausmittarit ylläpitävät luotettavaa signaalin havaitsemista pienemmillä virtausnopeuksilla kuin pyörremittarit, koska pyörteen synnyttämän värähtelyn amplitudi on suurempi tietyllä virtausnopeudella kuin pyörteen hajoamissignaalilla useimmissa malleissa. Tämän ansiosta pyörremittari voi mitata tarkasti matalan kuormituksen höyryolosuhteet, mikä on tärkeää lämmitysjärjestelmissä, joissa höyryn tarve vaihtelee suuresti täyden kuorman ja valmiustilan välillä.
• Märän höyryn ja lauhteen sietokyky: Pyörremittarin rungon vankka mekaaninen rakenne, ilman pyörremittarin kriittistä elementtiä olevaa ohutta bluffirunkoa, kestää paremmin kosteita höyryolosuhteita ja satunnaisia kondenssivesilämpöjä, jotka voivat vahingoittaa tai häiritä pyörremittarin hauraampaa katkaisupalkkia.
• Laaja käyttöpainealue: Pyörrevirtausmittareita on kaupallisesti saatavilla käyttöpaineille 0,1 MPa - 4 MPa ja sitä korkeammille, ja ne kattavat kaikki teollisuuden höyrynjakopaineet matalapaineisista lämmitysjärjestelmistä korkeapaineiseen prosessihöyryyn.

Energiavirtalaskelma lämpötila- ja painekompensoiduista pyörremittareista

Kun lämpötila- ja painekompensoitu pyörrevirtausmittari asennetaan höyryn syöttölinjaan ja lauhteen paluulämpötila tiedetään myös, mittari pystyy laskemaan ja laskemaan ja laskemaan yhteen höyryjärjestelmän toimittaman lämpöenergian reaaliajassa. Laskennassa käytetään IAPWS IF97:n höyryn ominaisuustaulukoita tulohöyryn ominaisentalpian määrittämiseen mitatusta lämpötilasta ja paineesta, vähennetään palaavan lauhteen ominaisentalpia sen mitatussa lämpötilassa ja kerrotaan entalpia-ero mitatulla massavirtauksella saadakseen tehon kilowatteina. Tämä suora energian mittausominaisuus ilman erillistä energiamittaria tai virtaustietokonetta tekee lämpötila- ja painekompensoidusta pyörrevirtausmittarista kattavan höyryenergian hallintalaitteen, joka yhdistää virtauksen mittauksen, tiheyden kompensoinnin ja energialaskelman yhteen laitteeseen, mikä yksinkertaistaa merkittävästi ISO 50001 -energianhallintajärjestelmän vaatimustenmukaisuuden ja höyryn jakelukustannusten allokoinnin edellyttämää instrumentointia.

Asennusvaatimukset ja määritysparametrit

Pyörrevirtausmittarin oikea asennus on välttämätöntä määritellyn tarkkuuden saavuttamiseksi, koska pyörremittarit ovat herkkiä tulevan virtauksen nopeusprofiilille. Epätasaiset profiilit, jotka johtuvat ylävirran liittimistä, venttiileistä tai mutkista, aiheuttavat virheitä värähtelytaajuudessa, jotka eivät täysin edusta keskimääräistä virtausnopeutta, mikä johtaa mittausvirheisiin.

Ylävirran ja alavirran suoran putken vaatimukset

Valmistajat määrittävät suoran putken vähimmäispituudet pyörrevirtausmittarin eteen ja jälkeen sen varmistamiseksi, että mittariin tuleva nopeusprofiili on täysin kehittynyt ja että siinä ei ole pyörrekomponentteja, joita pyörrevirtausmittarit aiheuttavat. Tyypilliset vaatimukset ovat suoran putken 3D ylävirtaan ja 1D myötävirtaan.

Suuntaus ja kondenssiveden poisto

Höyrysovelluksissa mittari tulee asentaa vaakasuoraan putkiosaan mahdollisuuksien mukaan, jotta estetään kondenssiveden kerääntyminen mittarin runkoon, mikä aiheuttaisi virheellisiä virtaussignaaleja ja elementtien korroosiota. Jos vaaditaan pystysuora asennus, höyryvirtaus tulee suunnata ylöspäin mittarin läpi, jotta mahdollinen lauhde pääsee valumaan pois mittausosasta. Mittarin alavirran puolella oleva höyrylukko varmistaa lauhteenpoiston ja estää lauhteen kerääntymisen tulvimasta mittausaluetta.

Tärkeimmät spesifikaatioparametrit pyörrevirtausmittarin valinnassa

Pyörrevirtausmittaria määritettäessä on määritettävä seuraavat parametrit sen varmistamiseksi, että sovellukseen valitaan oikea malli:

1. Nesteen tyyppi: Neste, kaasu tai höyry (kyllästetty tai tulistettu), koska tämä määrittää vaaditun kompensointitason, kostutetun materiaalin valinnan ja sovellettavan nesteen ominaisuustietokannan.
2. Käyttöpainealue: Minimi ja maksimi prosessipaine, joka määrittää mittarin rungon paineluokituksen ja painelähettimen toiminta-alueen kompensoiduissa malleissa.
3. Käyttölämpötila-alue: Prosessin minimi- ja maksimilämpötila, joka määrää mittarin ja anturimateriaalien lämpötilaluokituksen.
4. Virtausalue: Vähimmäis- ja maksimivirtaukset, jotka määrittävät vaaditun mittarin koon ja vahvistavat, että haluttu virtausalue on mittarin määritellyn Reynoldsin lukualueen ja laskusuhteen sisällä.
5. Vaadittu lähtö: Vain tilavuusvirta, massavirta, vakiotilavuusvirta tai energiavirta, joka määrittää tarvittavan kompensointikonfiguraation.
6. Prosessiyhteys: Putken halkaisija, paineluokitus ja laippastandardi (ASME, EN, JIS) vaaditaan asennuspaikalle.
7. Lähtösignaali: Pulssilähtö summaamiseen, 4 - 20 mA analoginen virtausnopeudelle, HART, Modbus tai PROFIBUS digitaaliseen tiedonsiirtoon laitoksen ohjausjärjestelmän kanssa.

Pyörrevirtausmittari tarjoaa erilaisissa kompensointikokoonpanoissaan luotettavan, tarkan ja käytännöllisesti katsoen monipuolisen ratkaisun virtausmittaukseen sovelluksissa aina yksinkertaisesta nestemittauksesta teollisuuden energianhallintaohjelmien vaativiin höyryenergian laskentaan. Valinta perus-, lämpötilakompensoitujen, painekompensoitujen ja täysin kompensoitujen kokoonpanojen välillä ei ole budjetin mieltymys, vaan mittauslaitteen oikea sovittaminen prosessinesteen todellisiin fyysisiin olosuhteisiin, mikä on ainoa lähestymistapa, joka tarjoaa tarkkuuden ja luotettavuuden, jota virtauksen mittaus energia- ja prosessinsäätösovelluksissa vaatii.