Průvodce vírovým průtokoměrem: Kompenzace tlaku a teploty

Vírový průtokoměr měří objemový tok detekcí frekvence vírů, které uvolňuje blafové těleso umístěné v toku – princip známý jako von Kármánův efekt. Pro aplikace zahrnující páru, stlačený plyn nebo jakoukoli tekutinu, kde se hustota významně mění s provozními podmínkami, staardní vírový průtokoměr sám o sobě nestačí. Variantay kompenzace tlaku a teplotní kompenzace integrují přídavné senzory přímo do těla měřiče pro výpočet hmotnostního průtoku nebo korigovaného objemového průtoku v reálném čase, což eliminuje potřebu externích přístrojů a ručních korekčních výpočtů. Výběr správné konfigurace závisí na typu vaší kapaliny, požadované přesnosti a na tom, zda se během normálního provozu mění tlak, teplota nebo obojí.

Jak funguje Vortexový průtokoměr

Princip fungování a vírový průtokoměr je založen na dobře zavedeném fenoménu fluidní dynamiky. Když tekutina protéká kolem neprůchodné překážky – nazývané bluff body nebo shedder bar – střídavé víry jsou generovány na každé straně těla v pravidelném, opakujícím se vzoru. Tento vzor se nazývá von Kármánova vírová ulice.

Frekvence, při které se tyto víry uvolňují, je přímo úměrná rychlosti tekutiny, vyjádřené Strouhalovým vztahem:

f = St × V / d

Kde? f je frekvence vylučování víru, St je bezrozměrné Strouhalovo číslo (typicky 0,17–0,21 pro většinu designů blafového těla), V je rychlost tekutiny a d je šířka těla blafování. Protože Strouhalovo číslo zůstává téměř konstantní v širokém rozsahu Reynoldsových čísel, slouží frekvence víru jako spolehlivý, lineární indikátor rychlosti proudění.

Metody detekce

Víry vytvářejí oscilační kolísání tlaku, které jsou detekovány jednou z několika snímacích technologií zabudovaných v blafovém tělese nebo v jeho blízkosti:

• Piezoelektrické senzory : Nejběžnější typ. Piezoelektrický krystal generuje malý napěťový signál jako odpověď na oscilační sílu z každého víru. Tyto senzory nemají žádné pohyblivé části a jsou vysoce spolehlivé v parním a plynovém provozu.
• Kapacitní senzory : Detekce tlakového rozdílu vytvářeného víry pomocí pružné membrány. Méně náchylné k rušení vibrací než některé piezoelektrické konstrukce.
• Ultrazvukové senzory : Některé pokročilé konstrukce používají ultrazvukové paprsky nasměrované přes vrtání trubky k detekci kolísání rychlosti vyvolané vírem, což umožňuje neintruzivní měření.

Bez ohledu na metodu detekce je výstupem základního vírového průtokoměru a frekvenční pulzní signál úměrný objemovému průtoku . Převedení tohoto na hmotnostní průtok nebo standardizovaný objemový průtok vyžaduje znalost hustoty kapaliny – což je místo, kde se varianty kompenzace stávají zásadní.

Proč je pro přesné měření průtoku nutná kompenzace

Pulzní výstup vírového průtokoměru odráží skutečný objemový průtok za provozních podmínek – skutečný objem procházející měřičem v daném okamžiku. Pro mnoho kapalných aplikací, kde je hustota relativně stabilní, to stačí. Ale pro plyny, pára a nadkritické tekutiny Vztah mezi objemovým průtokem a hmotnostním průtokem je vysoce citlivý jak na tlak, tak na teplotu.

Zvažte nasycenou páru při dvou různých tlacích:

• v 5 barů (absolutně) sytá pára má hustotu přibližně 2,67 kg/m³
• v 10 bar (absolutní) , hustota nasycené páry stoupne na přibližně 5,16 kg/m³

Stejný objemový průtok za těchto dvou podmínek představuje téměř dvojnásobný hmotnostní tok při 10 barech oproti 5 barům. Bez zohlednění tohoto rozdílu v hustotě by fakturační systém za energii páry nebo systém řízení procesu založený pouze na objemovém výstupu nesl chyby přesahující 30–50 % za proměnlivých tlakových podmínek. Kompenzace to přímo řeší tím, že do průtokového počítače dodává údaje o tlaku a/nebo teplotě v reálném čase, aby se průběžně vypočítávaly korigované hodnoty.

Vírový průtokoměr s kompenzací tlaku

A tlaková kompenzace vírový průtokoměr integruje snímač tlaku – typicky piezorezistivní nebo kapacitní tlakový senzor – do těla měřiče vedle prvku pro detekci víru. Počítač s interním průtokem používá aktuální odečet tlaku spolu s naměřenou frekvencí víru k výpočtu hustoty tekutiny z předem načtených tabulek vlastností a poté odvodí hmotnostní průtok nebo korigovaný objemový průtok v reálném čase.

Když je samotná kompenzace tlaku dostatečná

Kompenzace tlaku je vhodná – a dostatečná – pokud je teplota kapaliny buď konstantní, nebo ji lze považovat za konstantní v rámci přijatelné tolerance. Nejběžnějším scénářem je servis nasycené páry : protože nasycená pára existuje při stálé teplotě pro jakýkoli daný tlak, samotné měření tlaku plně definuje termodynamický stav tekutiny. Pro stanovení hustoty není potřeba žádné samostatné měření teploty.

Mezi další vhodné aplikace patří:

• Systémy stlačeného vzduchu, kde je teplota přívodu relativně stabilní, ale tlak v potrubí se mění s cyklováním kompresoru
• Distribuce dusíku nebo inertního plynu při teplotě blízké okolní teplotě s proměnným tlakem ve sběrači
• Měření zemního plynu, kde je kolísání teploty mírné (v rozmezí ±10 °C od referenční hodnoty)

Typické specifikace

Většina vírových průtokoměrů s kompenzací tlaku na trhu obsahuje integrované tlakové senzory dimenzované na 0–4 MPa nebo 0–10 MPa obvykle s přesností měření tlaku ±0,5 % FS . Kombinovaná nejistota měření průtoku po kompenzaci je obecně v rozsahu ±1,0–1,5 % čtení pro páru a plyn ve srovnání s ±0,5–1,0 % pro samotný vířivý prvek měřící objemový průtok v kapalinách.

Vírový průtokoměr s kompenzací teploty

A teplotní kompenzace vírový průtokoměr integruje odporový teplotní detektor (RTD) — nejčastěji a Senzor Pt100 nebo Pt1000 třídy A — do měřiče nebo jeho bezprostřední předřazené/návazní přípojky. Teplotní signál napájí stejný vnitřní počítač průtoku, který používá data vlastností tekutiny k odvození hustoty a výpočtu hmotnosti nebo korigovaného průtoku.

Při použití samotné kompenzace teploty

Pouze teplotní kompenzace je méně běžná než pouze tlaková nebo kombinovaná kompenzace, ale má legitimní použití:

• Proudění kapaliny při konstantním tlaku, ale proměnlivé teplotě : Okruhy horké vody, systémy tepelného oleje a smyčky chladicí vody, kde je tlak v potrubí regulován, ale teplota se mění s procesním zatížením
• Průtok plynu při známém stabilním napájecím tlaku : Když regulátor tlaku pevně drží tlak před proudem, ale okolní nebo procesní teplota se sezónně nebo denně mění
• Převod plynů za regulovaného tlaku : Tam, kde je tlak pevně daný smlouvou nebo regulací a pouze teplota vyžaduje aktivní monitorování

Umístění RTD a doba odezvy

RTD se obvykle instaluje do teploměrné jímky 3–5 průměrů potrubí po proudu tělesa vírového měřiče, aby nedošlo k narušení průtokového profilu v místě měření. Důležitá je konstrukce teploměrné jímky: silnostěnná teploměrná jímka zvyšuje teplotní zpoždění, což může způsobit přechodné chyby při rychlých změnách teploty. Pro procesy s rychlými teplotními výkyvy, a teploměrná jímka s redukovaným hrotem nebo s rychlou odezvou s dobou odezvy pod 5 sekund se doporučuje.

Kombinovaný vírový průtokoměr s kompenzací tlaku a teploty

Nejschopnější a nejrozšířenější varianta integruje snímače tlaku i teploty do jediné sestavy měřiče. Díky současnému přístupu k oběma proměnným může počítač vnitřního průtoku aplikovat úplnou stavovou rovnici pro tekutinu – poddajnost skutečný výpočet hmotnostního průtoku bez jakýchkoliv předpokladů o provozních podmínkách .

Tato konfigurace je povinná pro:

• Přehřátá pára : Na rozdíl od syté páry existuje přehřátá pára při teplotách nad křivkou nasycení pro jakýkoli daný tlak. Jak tlak, tak teplota jsou nezávisle proměnné a musí být měřeny pro stanovení hustoty z parních tabulek.
• Převod zemního plynu do úschovy : Normy AGA (American Gas Association) a ISO pro měření zemního plynu vyžadují korekci na základní podmínky pomocí tlaku i teploty
• Proměnné procesní plyny : Proudy smíšeného plynu, bioplyn nebo odpadní plyn z procesu, kde složení i provozní podmínky kolísají
• Měření energie páry pro fakturaci nebo alokaci : Kde výstup BTU nebo kJ musí být přesně vypočítán při měnících se podmínkách zatížení

Výrobci jako Yokogawa (řada digitální YEWFLO), Endress Hauser (Prowirl F 200) a Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) nabízejí plně integrované multivariabilní vírové průtokoměry, které měří frekvenci víru, tlak a teplotu v jediném procesním připojení, přičemž hmotnostní průtok vydávají přímo přes HART, protokol FOUNDATION Fieldbus nebo ModbusATION Fieldbus.

Srovnání: Standardní vs kompenzované vířivé průtokoměry

Požadavky na instalaci, které ovlivňují přesnost

Bez ohledu na konfiguraci kompenzace jsou vírové průtokoměry citlivé na deformace profilu průtoku způsobené geometrií potrubí proti proudu. Pro dosažení jmenovité přesnosti nelze vyjednávat splnění požadavků na přímý provoz.

Požadavky na přímé potrubí proti proudu a po proudu

Následující požadavky na přímý průtok platí pro většinu vírových průtokoměrů za standardních instalačních podmínek. Skutečné požadavky se liší podle výrobce a konstrukce měřiče:

Citlivost na vibrace a pulsace

Vírové průtokoměry jsou přirozeně citlivé na mechanické vibrace, protože jejich senzory detekují oscilační síly. Mohou způsobit vibrace potrubí při frekvencích blízkých frekvenci víru falešné pulzy, výpadek signálu nebo nepravidelné načítání . Většina moderních digitálních signálových procesorů zahrnuje adaptivní filtrování pro rozlišení mezi vírovými signály a vibračním šumem, ale prostředí se silnými vibracemi – v blízkosti kompresorů, čerpadel nebo parních turbín – by měla být pečlivě vyhodnocena. Praktickou sanační strategií je montáž měřiče na cívku s izolací proti vibracím nebo jeho přemístění dále od zdroje vibrací.

Úvahy o rozsahu průtoku a minimálním průtoku

Každý vírový průtokoměr má minimální měřitelnou rychlost proudění – obvykle 0,5–1,0 m/s pro kapaliny and 3–5 m/s pro plyny a páru — pod kterou se vír šíří nepravidelně a signál je nespolehlivý. Tento spodní práh se často nazývá mezní rychlost nebo minimální detekovatelný průtok. Pod tímto bodem je výstup měřiče nulový bez ohledu na skutečný průtok, což je třeba vzít v úvahu v aplikacích s širokými požadavky na ztlumení.

Praktický poměr ztlumení pro většinu vírových měřičů je 10:1 až 20:1 ve srovnání s poměrem 100:1 nebo více u Coriolisových nebo magnetických průtokoměrů. U parních systémů, které pravidelně pracují při nízké zátěži – například během spouštění závodu nebo přes noc – může toto omezení způsobit značné mezery v měření, pokud není měřidlo dimenzováno konzervativně pro maximální očekávaný průtok, nikoli pro průměr.

Užitečné pravidlo pro velikost: vyberte velikost metru tam, kde je normální provozní rychlost proudění se pohybuje mezi 3 a 15 m/s pro plyn/páru a mezi 1 a 7 m/s pro kapaliny. Tím je zajištěno, že pracovní bod zůstane dobře v lineárním rozsahu a zároveň ponechává prostor pro proudění.

Výběr konfigurace pravého vírového průtokoměru

K identifikaci vhodné varianty vírového průtokoměru pro vaši aplikaci použijte následující rozhodovací kritéria:

1. Identifikujte svou tekutou fázi a variabilitu : Kapalina za stabilních podmínek → standardní vír. Sytá pára nebo plyn s proměnným tlakem → kompenzace tlaku. Přehřátá pára, zemní plyn nebo jakýkoli plyn s kolísáním tlaku i teploty → kombinovaná kompenzace P T.
2. Určete, zda je vyžadován hmotnostní nebo objemový průtok : Účtování energie, převod do úschovy a řízení spalování obvykle vyžadují hmotnostní tok. Plnění nádrže nebo procesní dávkování může vyžadovat pouze objemový průtok, v takovém případě může stačit standardní nebo jednokompenzační měřidlo.
3. Zkontrolujte Reynoldsovo číslo při minimálním průtoku : Vortexové měřiče vyžadují minimální Reynoldsovo číslo přibližně Re = 20 000 pro spolehlivé línání. U viskózních kapalin nebo podmínek s velmi nízkým průtokem nemusí být tato prahová hodnota dosažitelná a měla by být zvážena alternativní technologie.
4. Zhodnoťte prostředí instalace : Vysoké vibrace, pulzující průtok nebo nedostatečný přímý průběh mohou vyžadovat jinou technologii měřiče nebo významné úpravy potrubí, než bude vírové měření realizovatelné.
5. Vyhodnoťte požadavky na komunikaci a integraci : Kompenzované vírové měřiče vydávají více procesních proměnných. Před specifikováním jednotky s více proměnnými se ujistěte, že řídicí systém nebo infrastruktura sběru dat podporuje výstupní protokol měřiče — HART, Profibus nebo FOUNDATION Fieldbus.

Pro většinu aplikací měření energie páry – které představují největší případ použití pro kompenzované vírové průtokoměry – je kombinovaná jednotka pro kompenzaci tlaku a teploty správnou specifikací. Mezní náklady oproti modelu pouze s tlakem jsou skromné, zatímco zlepšení přesnosti provozu přehřáté páry je podstatné a často je vyžadováno normami pro řízení spotřeby energie na místě, jako je ISO 50001.