Sprievodca vírovým prietokomerom: Kompenzácia tlaku a teploty

Vírový prietokomer meria objemový prietok zisťovaním frekvencie vírov, ktoré vytvára blafové teleso umiestnené v prúde toku – princíp známy ako von Kármánov efekt. Pre aplikácie zahŕňajúce paru, stlačený plyn alebo akúkoľvek kvapalinu, kde sa hustota výrazne mení s prevádzkovými podmienkami, štaardný vírivý prietokomer sám osebe nestačí. Varianty kompenzácie tlaku a teplotnej kompenzácie integrujú prídavné snímače priamo do tela meradla na výpočet hmotnostného prietoku alebo korigovaného objemového prietoku v reálnom čase, čím sa eliminuje potreba externého prístrojového vybavenia a manuálnych výpočtov korekcie. Výber správnej konfigurácie závisí od typu vašej kvapaliny, požadovanej presnosti a od toho, či sa počas normálnej prevádzky mení tlak, teplota alebo oboje.

Ako funguje Vortexový prietokomer

Princíp fungovania a vírový prietokomer je založená na dobre zavedenom fenoméne fluidnej dynamiky. Keď tekutina preteká cez nezjednodušenú prekážku – nazývanú bluff body alebo shedder bar – striedavé víry sa vytvárajú na každej strane tela v pravidelnom, opakujúcom sa vzore. Tento vzor sa nazýva von Kármánova vírová ulica.

Frekvencia, ktorou sa tieto víry vrhajú, je priamo úmerná rýchlosti tekutiny, vyjadrenej Strouhalovým vzťahom:

f = St × V / d

Kde f je frekvencia uvoľňovania víru, St je bezrozmerné Strouhalovo číslo (typicky 0,17 – 0,21 pre väčšinu dizajnov karosérie bluff), V je rýchlosť tekutiny a d je šírka blafového tela. Pretože Strouhalovo číslo zostáva takmer konštantné v širokom rozsahu Reynoldsových čísel, frekvencia vírov slúži ako spoľahlivý, lineárny indikátor rýchlosti prúdenia.

Detekčné metódy

Víry vytvárajú oscilačné kolísanie tlaku, ktoré sú detegované jednou z niekoľkých snímacích technológií zabudovaných do blafového telesa alebo v jeho blízkosti:

• Piezoelektrické snímače : Najbežnejší typ. Piezoelektrický kryštál generuje malý napäťový signál ako odpoveď na oscilačnú silu z každého víru. Tieto snímače nemajú žiadne pohyblivé časti a sú vysoko spoľahlivé v parnej a plynovej prevádzke.
• Kapacitné snímače : Detekujte tlakový rozdiel vytvorený vírmi pomocou pružnej membrány. Menej náchylné na rušenie vibráciami ako niektoré piezoelektrické konštrukcie.
• Ultrazvukové senzory : Niektoré pokročilé konštrukcie používajú ultrazvukové lúče nasmerované cez vývrt potrubia na detekciu fluktuácií rýchlosti vyvolaných vírom, čo umožňuje nerušivé meranie.

Bez ohľadu na metódu detekcie je výstup základného vírového prietokomeru a frekvenčný impulzný signál úmerný objemovému prietoku . Premena na hmotnostný prietok alebo štandardizovaný objemový prietok si vyžaduje znalosť hustoty tekutiny – čo je miesto, kde sa kompenzačné varianty stávajú nevyhnutnými.

Prečo je na presné meranie prietoku potrebná kompenzácia

Pulzný výstup vírového prietokomeru odráža skutočný objemový prietok v prevádzkových podmienkach – skutočný objem, ktorý v danom momente preteká meračom. Pre mnoho kvapalných aplikácií, kde je hustota relatívne stabilná, to stačí. Ale pre plyny, para a nadkritické tekutiny Vzťah medzi objemovým prietokom a hmotnostným prietokom je vysoko citlivý na tlak aj teplotu.

Zvážte nasýtenú paru pri dvoch rôznych tlakoch:

• O 5 barov (absolútne) , nasýtená para má hustotu približne 2,67 kg/m³
• O 10 bar (absolútne) hustota nasýtenej pary stúpne na približne 5,16 kg/m³

Rovnaký objemový prietok pri týchto dvoch podmienkach predstavuje takmer dvojnásobok hmotnostného toku pri 10 baroch v porovnaní s 5 barmi. Bez zohľadnenia tohto rozdielu v hustote by účtovanie parnej energie alebo systém riadenia procesu založený výlučne na objemovom výstupe niesli chyby presahujúce 30 – 50 % za premenlivých tlakových podmienok. Kompenzácia to priamo rieši dodávaním údajov o tlaku a/alebo teplote v reálnom čase do prietokového počítača, aby sa priebežne vypočítali opravené hodnoty.

Vírový prietokomer s kompenzáciou tlaku

A vírový prietokomer s kompenzáciou tlaku integruje tlakový vysielač – zvyčajne piezorezistívny alebo kapacitný tlakový senzor – do tela merača popri prvku na detekciu víru. Počítač s vnútorným prietokom používa namerané hodnoty tlaku spolu s nameranou frekvenciou vírenia na výpočet hustoty tekutiny z vopred načítaných tabuliek vlastností a potom odvodzuje hmotnostný prietok alebo korigovaný objemový prietok v reálnom čase.

Keď je samotná kompenzácia tlaku dostatočná

Kompenzácia tlaku je vhodná – a dostatočná – keď je teplota kvapaliny buď konštantná, alebo ju možno považovať za konštantnú v rámci prijateľnej tolerancie. Najčastejším scenárom je služba nasýtenej pary : pretože nasýtená para existuje pri pevnej teplote pre akýkoľvek daný tlak, samotné meranie tlaku plne definuje termodynamický stav tekutiny. Na stanovenie hustoty nie je potrebné žiadne samostatné meranie teploty.

Ďalšie vhodné aplikácie zahŕňajú:

• Systémy stlačeného vzduchu, kde je teplota prívodu relatívne stabilná, ale tlak v potrubí sa mení s cyklovaním kompresora
• Distribúcia dusíka alebo inertného plynu pri teplote blízkej okolitej teplote s premenlivým tlakom v zberači
• Meranie zemného plynu pri miernom kolísaní teploty (v rozmedzí ±10 °C od referenčnej hodnoty)

Typické špecifikácie

Väčšina vírových prietokomerov s kompenzáciou tlaku na trhu obsahuje integrované tlakové snímače dimenzované na 0–4 MPa alebo 0–10 MPa s typickou presnosťou merania tlaku ±0,5 % FS . Kombinovaná neistota merania prietoku po kompenzácii je vo všeobecnosti v rozsahu ±1,0 – 1,5 % odčítania pre paru a plyn v porovnaní s ±0,5–1,0 % pre samotný vírivý prvok merajúci objemový prietok v kvapalinách.

Vírový prietokomer s kompenzáciou teploty

A vírový prietokomer teplotnej kompenzácie integruje odporový teplotný detektor (RTD) — najčastejšie a Senzor Pt100 alebo Pt1000 triedy A — do meracieho prístroja alebo do jeho bezprostrednej vstupnej/dolnej prípojnej armatúry. Teplotný signál napája rovnaký vnútorný prietokový počítač, ktorý používa údaje o vlastnostiach tekutiny na odvodenie hustoty a výpočet hmotnosti alebo korigovaného prietoku.

Keď sa používa samotná kompenzácia teploty

Iba teplotná kompenzácia je menej bežná ako iba tlaková alebo kombinovaná kompenzácia, ale má legitímne využitie:

• Prúdenie kvapaliny pri konštantnom tlaku, ale premenlivej teplote : Okruhy horúcej vody, systémy tepelného oleja a slučky chladiacej vody, kde je tlak v potrubí regulovaný, ale teplota sa mení v závislosti od procesného zaťaženia
• Prietok plynu pri známom stabilnom prívodnom tlaku : Keď regulátor tlaku pevne drží predný tlak, ale teplota okolia alebo procesu sa mení sezónne alebo denne
• Prevod plynu pri regulovanom tlaku : Ak je tlak pevne stanovený zmluvou alebo reguláciou a iba teplota potrebuje aktívne monitorovanie

Umiestnenie RTD a čas odozvy

RTD sa zvyčajne inštaluje do teplomernej jímky 3–5 priemerov potrubia po prúde telesa vírového merača, aby nedošlo k narušeniu prietokového profilu v bode merania. Na konštrukcii teplomerovej jímky záleží: teplomerná jímka s hrubými stenami zvyšuje tepelné oneskorenie, čo môže spôsobiť prechodné chyby pri rýchlych zmenách teploty. Pre procesy s rýchlymi teplotnými výkyvmi, a termojamka so zníženým hrotom alebo rýchlo reagujúca s dobou odozvy do 5 sekúnd sa odporúča.

Vírový prietokomer s kombinovanou kompenzáciou tlaku a teploty

Najschopnejší a široko špecifikovaný variant integruje snímače tlaku aj teploty do jednej zostavy merača. So súčasným prístupom k obom premenným môže vnútorný počítač prietoku aplikovať úplnú stavovú rovnicu pre kvapalinu – poddajnosť skutočný výpočet hmotnostného prietoku bez akýchkoľvek predpokladov o prevádzkových podmienkach .

Táto konfigurácia je povinná pre:

• Prehriata para : Na rozdiel od nasýtenej pary existuje prehriata para pri teplotách nad krivkou nasýtenia pre akýkoľvek daný tlak. Tlak aj teplota sú nezávisle premenlivé a musia sa merať na určenie hustoty z tabuliek pary.
• Prevod zemného plynu do úschovy : Normy AGA (American Gas Association) a ISO pre meranie zemného plynu vyžadujú korekciu na základné podmienky pomocou tlaku aj teploty
• Variabilné procesné plyny : Prúdy zmiešaného plynu, bioplyn alebo odpadový plyn z procesu, kde zloženie a prevádzkové podmienky kolíšu
• Meranie parnej energie pre fakturáciu alebo alokáciu : Kde sa výstup BTU alebo kJ musí vypočítať presne pri meniacich sa podmienkach zaťaženia

Výrobcovia ako Yokogawa (séria digitálnych YEWFLO), Endress Hauser (Prowirl F 200) a Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) ponúkajú plne integrované multivariabilné vírové prietokomery, ktoré merajú vírovú frekvenciu, tlak a teplotu v jedinom procesnom pripojení s výstupom hmotnostného prietoku priamo cez HART, protokol FOUNDATION Fieldbus alebo ModbusATION Fieldbus.

Porovnanie: štandardné vs kompenzované vírivé prietokomery

Požiadavky na inštaláciu, ktoré ovplyvňujú presnosť

Bez ohľadu na konfiguráciu kompenzácie sú vírivé prietokomery citlivé na deformácie profilu prietoku spôsobené geometriou potrubia proti prúdu. Na dosiahnutie menovitej presnosti nie je možné vyjednávať splnenie požiadaviek na priamy chod.

Požiadavky na priame potrubie proti prúdu a po prúde

Nasledujúce požiadavky na priamy prietok platia pre väčšinu vírových prietokomerov za štandardných podmienok inštalácie. Skutočné požiadavky sa líšia podľa výrobcu a konštrukcie merača:

Citlivosť na vibrácie a pulzáciu

Vortexové prietokomery sú prirodzene náchylné na mechanické vibrácie, pretože ich senzory detegujú oscilujúce sily. Môžu spôsobiť vibrácie potrubia pri frekvenciách blízkych frekvencii vírenia falošné impulzy, výpadok signálu alebo nepravidelné údaje . Väčšina moderných digitálnych signálových procesorov obsahuje adaptívne filtrovanie na rozlíšenie medzi vírivými signálmi a vibračným hlukom, ale prostredie s vážnymi vibráciami – v blízkosti kompresorov, čerpadiel alebo parných turbín – by sa malo starostlivo vyhodnotiť. Praktickou nápravnou stratégiou je montáž merača na cievku izolovanú od vibrácií alebo jeho premiestnenie ďalej od zdroja vibrácií.

Úvahy o rozsahu prietoku a minimálnom prietoku

Každý vírivý prietokomer má minimálnu merateľnú rýchlosť prúdenia – zvyčajne 0,5–1,0 m/s pre kvapaliny and 3–5 m/s pre plyny a paru — pod ktorou sa vírenie stáva nepravidelným a signál nespoľahlivý. Tento spodný prah sa často nazýva medzná rýchlosť alebo minimálny detekovateľný prietok. Pod týmto bodom meradlo vydáva nulu bez ohľadu na skutočný prietok, čo sa musí brať do úvahy v aplikáciách so širokými požiadavkami na odstavenie.

Praktický prevodový pomer pre väčšinu vírových meračov je 10:1 až 20:1 v porovnaní s pomerom 100:1 alebo viac pre Coriolisove alebo magnetické prietokomery. Pre parné systémy, ktoré pravidelne pracujú pri nízkom zaťažení – napríklad počas spúšťania zariadenia alebo cez noc – môže toto obmedzenie spôsobiť značné medzery v meraní, pokiaľ nie je meradlo konzervatívne dimenzované na maximálny očakávaný prietok a nie na priemer.

Užitočné pravidlo pre veľkosť: vyberte veľkosť metra tam, kde je normálna prevádzková rýchlosť prúdenia plynu/pary sa pohybuje medzi 3 a 15 m/s a medzi 1 a 7 m/s pre kvapaliny. To zaisťuje, že prevádzkový bod zostane dobre v lineárnom rozsahu a zároveň ponecháva priestor pre prúdenie.

Výber správnej konfigurácie vírového prietokomeru

Na identifikáciu vhodného variantu vírivého prietokomeru pre vašu aplikáciu použite nasledujúce rozhodovacie kritériá:

1. Identifikujte svoju tekutú fázu a variabilitu : Kvapalina za stabilných podmienok → štandardný vír. Sýta para alebo plyn s premenlivým tlakom → kompenzácia tlaku. Prehriata para, zemný plyn alebo akýkoľvek plyn s kolísaním tlaku aj teploty → kombinovaná kompenzácia PT.
2. Určite, či je potrebný hmotnostný alebo objemový prietok : Účtovanie energie, prenos správy a riadenie spaľovania zvyčajne vyžadujú hmotnostný tok. Plnenie nádrže alebo dávkovanie procesu môže vyžadovať iba objemový prietok, v takom prípade môže stačiť štandardný alebo jednokompenzačný merač.
3. Skontrolujte Reynoldsovo číslo pri minimálnom prietoku : Vortexové merače vyžadujú minimálne Reynoldsovo číslo približne Re = 20 000 pre spoľahlivé zhadzovanie. V prípade viskóznych kvapalín alebo podmienok s veľmi nízkym prietokom nemusí byť tento prah dosiahnuteľný a mala by sa zvážiť alternatívna technológia.
4. Posúďte prostredie inštalácie : Vysoké vibrácie, pulzujúci prietok alebo nedostatočný priamy chod si môžu vyžadovať inú technológiu merača alebo významné úpravy potrubia, kým bude vírové meranie realizovateľné.
5. Vyhodnoťte komunikačné a integračné požiadavky : Kompenzované vírové merače poskytujú výstup viacerých procesných premenných. Pred špecifikovaním jednotky s viacerými premennými sa uistite, že riadiaci systém alebo infraštruktúra zberu údajov podporuje výstupný protokol merača — HART, Profibus alebo FOUNDATION Fieldbus.

Pre väčšinu aplikácií merania parnej energie – ktoré predstavujú najväčší prípad použitia pre kompenzované vírivé prietokomery – je kombinovaná tlaková a teplotná kompenzačná jednotka správnou špecifikáciou. Hraničné náklady v porovnaní s modelom len s tlakom sú skromné, zatiaľ čo zlepšenie presnosti pre prevádzku s prehriatou parou je podstatné a často vyžadované normami energetického manažmentu na mieste, ako je ISO 50001.