راهنمای جریان سنج گرداب: جبران فشار و دما

یک جریان سنج گردابی جریان حجمی را با تشخیص فرکانس گردابه‌های ریخته شده توسط یک بدنه بلوفی که در جریان جریان قرار می‌گیرد، اندازه‌گیری می‌کند - این اصل به نام اثر فون کارمان شناخته می‌شود. برای کاربردهایی که شامل بخار، گاز فشرده یا هر سیالی است که در آن چگالی به طور قابل توجهی با شرایط عملیاتی تغییر می کند، یک فلومتر گردابی استاندارد به تنهایی کافی نیست. انواع جبران فشار و جبران دما، حسگرهای اضافی را مستقیماً در بدنه کنتور ادغام می کنند تا جریان جرمی یا جریان حجمی اصلاح شده را در زمان واقعی محاسبه کنند و نیاز به ابزار دقیق خارجی و محاسبات تصحیح دستی را از بین ببرند. انتخاب پیکربندی مناسب به نوع سیال، دقت مورد نیاز، و تغییر فشار، دما یا هر دو در طول کارکرد عادی بستگی دارد.

جریان سنج ورتکس چگونه کار می کند

اصل عملکرد a فلومتر گردابی بر اساس یک پدیده دینامیک سیالات به خوبی تثبیت شده است. هنگامی که مایع از کنار یک انسداد بدون جریان - به نام بدنه بلوف یا نوار ریزش - جریان می یابد، گرداب های متناوب در هر طرف بدن در یک الگوی منظم و تکرار شونده ایجاد می شود. این الگو را خیابان گرداب فون کارمان می نامند.

فرکانس ریزش این گرداب ها مستقیماً با سرعت سیال متناسب است که با رابطه استروهال بیان می شود:

f = St × V / d

کجا f فرکانس ریزش گرداب است، St عدد استروهال بدون بعد است (معمولا 0.17-0.21 برای اکثر طرح های بدن بلوف)، V سرعت سیال است و d عرض بدن بلوف است. از آنجایی که عدد استروهال در محدوده وسیعی از اعداد رینولدز تقریباً ثابت می ماند، فرکانس گرداب به عنوان یک شاخص خطی و قابل اعتماد برای سرعت جریان عمل می کند.

روش های تشخیص

گرداب ها نوسانات فشار نوسانی ایجاد می کنند که توسط یکی از چندین فناوری حسگر تعبیه شده در بدنه بلوف یا نزدیک آن شناسایی می شود:

• سنسورهای پیزوالکتریک : رایج ترین نوع. یک کریستال پیزوالکتریک یک سیگنال ولتاژ کوچک در پاسخ به نیروی نوسانی از هر گرداب تولید می کند. این سنسورها فاقد قطعات متحرک هستند و در سرویس بخار و گاز بسیار قابل اعتماد هستند.
• سنسورهای خازنی : اختلاف فشار ایجاد شده توسط گرداب ها را با استفاده از دیافراگم انعطاف پذیر تشخیص دهید. نسبت به برخی از طرح های پیزوالکتریک کمتر مستعد تداخل ارتعاش است.
• سنسورهای اولتراسونیک : برخی از طرح های پیشرفته از پرتوهای مافوق صوت هدایت شده در سراسر سوراخ لوله برای تشخیص نوسانات سرعت ناشی از گرداب استفاده می کنند که امکان اندازه گیری غیر نفوذی را فراهم می کند.

صرف نظر از روش تشخیص، خروجی یک فلومتر گرداب پایه a است سیگنال پالس فرکانس متناسب با نرخ جریان حجمی . تبدیل آن به جریان جرمی یا جریان حجمی استاندارد نیاز به دانش چگالی سیال دارد - جایی که انواع جبران ضروری می شوند.

چرا جبران برای اندازه گیری دقیق جریان ضروری است؟

خروجی پالس یک فلومتر گردابی جریان حجمی واقعی را در شرایط کاری منعکس می کند - حجم واقعی که در آن لحظه از متر عبور می کند. برای بسیاری از کاربردهای مایع که چگالی نسبتاً پایدار است، این کافی است. اما برای گازها، بخار و سیالات فوق بحرانی ، رابطه بین جریان حجمی و جریان جرمی به فشار و دما بسیار حساس است.

بخار اشباع را با دو فشار متفاوت در نظر بگیرید:

• در 5 بار (مطلق) ، بخار اشباع دارای چگالی تقریباً می باشد 2.67 کیلوگرم بر متر مکعب
• در 10 بار (مطلق) ، چگالی بخار اشباع تقریباً افزایش می یابد 5.16 کیلوگرم بر متر مکعب

قرائت جریان حجمی یکسان در این دو شرایط نشان دهنده آن است تقریبا دو برابر جریان جرمی در 10 بار در مقایسه با 5 بار. بدون در نظر گرفتن این اختلاف چگالی، سیستم صورتحساب انرژی بخار یا کنترل فرآیند که صرفاً بر اساس خروجی حجمی است، خطاهای بیش از حدی را به همراه خواهد داشت. 30-50٪ تحت شرایط فشار متغیر جبران به طور مستقیم با تغذیه داده های فشار و/یا دما در زمان واقعی به رایانه جریان برای محاسبه مقادیر تصحیح شده به طور مداوم به این موضوع می پردازد.

فلومتر گرداب جبران فشار

A فلومتر گردابی جبران فشار یک فرستنده فشار - معمولاً یک سنسور فشار پیزومقاومتی یا نوع خازنی - را در بدنه کنتور در کنار عنصر تشخیص گرداب ادغام می کند. رایانه جریان داخلی از خواندن فشار زنده در کنار فرکانس گرداب اندازه‌گیری شده برای محاسبه چگالی سیال از جداول ویژگی‌های از پیش بارگذاری شده استفاده می‌کند، سپس جریان جرمی یا جریان حجمی اصلاح‌شده را در زمان واقعی استخراج می‌کند.

زمانی که جبران فشار به تنهایی کافی است

جبران فشار زمانی مناسب - و کافی - زمانی است که دمای سیال ثابت باشد یا بتوان آن را در یک تلرانس قابل قبول ثابت فرض کرد. رایج ترین سناریو این است سرویس بخار اشباع : از آنجایی که بخار اشباع در یک دمای ثابت برای هر فشار معین وجود دارد، اندازه گیری فشار به تنهایی وضعیت ترمودینامیکی سیال را کاملاً مشخص می کند. برای تعیین چگالی نیازی به اندازه گیری دما جداگانه نیست.

برنامه های کاربردی مناسب اضافی عبارتند از:

• سیستم های هوای فشرده که در آن دمای عرضه نسبتاً پایدار است اما فشار خط با چرخه کمپرسور تغییر می کند
• توزیع نیتروژن یا گاز بی اثر در دمای نزدیک به محیط با فشار هدر متغیر
• اندازه گیری گاز طبیعی در جایی که تغییرات دما در حد متوسط است (در 10± درجه سانتیگراد یک مقدار مرجع)

مشخصات معمولی

اکثر فلومترهای گردابی جبران فشار موجود در بازار دارای سنسورهای فشار یکپارچه با درجه بندی شده هستند 0-4 مگاپاسکال یا 0-10 مگاپاسکال ، معمولاً با دقت اندازه گیری فشار ± 0.5٪ FS . عدم قطعیت اندازه گیری جریان ترکیبی پس از جبران به طور کلی در محدوده است ± 1.0-1.5٪ میزان خواندن برای بخار و گاز، در مقایسه با ± 0.5-1.0٪ برای عنصر گرداب به تنهایی که جریان حجمی در مایعات را اندازه‌گیری می‌کند.

فلومتر گرداب جبران دما

A فلومتر گردابی جبران دما یک آشکارساز دمای مقاومتی (RTD) را ادغام می کند - معمولاً a سنسور کلاس A Pt100 یا Pt1000 - وارد کنتور یا اتصالات همراه بالادست/پایین دست آن. سیگنال دما همان رایانه جریان داخلی را تغذیه می کند که از داده های ویژگی سیال برای استخراج چگالی و محاسبه جرم یا جریان اصلاح شده استفاده می کند.

هنگامی که از جبران دما به تنهایی استفاده می شود

جبران فقط دما نسبت به جبران فقط فشار یا ترکیبی رایج نیست، اما کاربردهای قانونی دارد:

• جریان مایع در فشار ثابت اما دمای متغیر مدارهای آب گرم، سیستم‌های روغن حرارتی و حلقه‌های آب خنک‌کننده که در آن فشار لوله تنظیم می‌شود اما دما با بار فرآیند تغییر می‌کند.
• جریان گاز در فشار منبع ثابت شناخته شده : هنگامی که یک تنظیم کننده فشار فشار بالادست را محکم نگه می دارد اما دمای محیط یا فرآیند به صورت فصلی یا روزانه تغییر می کند.
• انتقال گازها در فشار تنظیم شده : جایی که فشار به وسیله انقباض یا تنظیم ثابت است و فقط دما نیاز به نظارت فعال دارد

زمان قرار دادن و پاسخ RTD

RTD معمولاً در یک ترموول نصب می شود 3-5 قطر لوله در پایین دست از بدنه گرداب سنج برای جلوگیری از ایجاد اختلال در مشخصات جریان در نقطه اندازه گیری. طراحی ترموول مهم است: یک ترموول با دیواره سنگین تاخیر حرارتی را افزایش می دهد، که می تواند خطاهای گذرا را در طول تغییرات سریع دما ایجاد کند. برای فرآیندهایی با نوسانات سریع دما، الف ترموول نوک کاهش یافته یا پاسخ سریع با زمان پاسخ کمتر از 5 ثانیه توصیه می شود.

فلومتر گردابی جبرانی ترکیبی فشار و دما

تواناترین و گسترده ترین نوع سنسورهای فشار و دما را در یک مجموعه متر ادغام می کند. با دسترسی به هر دو متغیر به طور همزمان، کامپیوتر جریان داخلی می تواند معادله کامل حالت را برای سیال اعمال کند - بازده محاسبه جریان جرم واقعی بدون هیچ فرضی در مورد شرایط عملیاتی .

این پیکربندی برای موارد زیر الزامی است:

• بخار فوق گرم : بر خلاف بخار اشباع، بخار فوق گرم در دماهای بالاتر از منحنی اشباع برای هر فشار معین وجود دارد. فشار و دما هر دو به طور مستقل متغیر هستند و هر دو باید برای تعیین چگالی از جداول بخار اندازه گیری شوند.
• انتقال گاز طبیعی : استانداردهای AGA (انجمن گاز آمریکا) و ISO برای اندازه گیری گاز طبیعی نیاز به اصلاح شرایط پایه با استفاده از فشار و دما دارند.
• گازهای فرآیند متغیر : جریان های گاز مخلوط، بیوگاز، یا فرآیندهای خارج از گاز که در آن ترکیب و شرایط عملیاتی هر دو در نوسان هستند.
• اندازه گیری انرژی بخار برای صورتحساب یا تخصیص : جایی که خروجی BTU یا kJ باید در شرایط تغییر بار به طور دقیق محاسبه شود

سازندگانی مانند Yokogawa (سری دیجیتالYEWFLO)، Endress Hauser (Prowirl F 200) و Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) جریان سنج های گردابی چند متغیره کاملاً یکپارچه را ارائه می دهند که فرکانس گرداب، فشار و دما را در یک اتصال تک فرآیندی اندازه گیری می کنند، و مستقیماً جریان جرمی Vibus HH، باس خروجی FART، باس خروجی، جریان جرمی VIOUND. پروتکل ها

مقایسه: استاندارد در مقابل جریان سنج گرداب جبران شده

الزامات نصب که بر دقت تأثیر می گذارد

بدون در نظر گرفتن پیکربندی جبران، فلومترهای گردابی به اعوجاج پروفیل جریان ناشی از هندسه لوله‌کشی بالادست حساس هستند. برآوردن الزامات اجرای مستقیم برای دستیابی به دقت امتیازی غیرقابل مذاکره است.

الزامات لوله مستقیم بالادست و پایین دست

الزامات مستقیم زیر برای اکثر فلومترهای گردابی تحت شرایط نصب استاندارد اعمال می شود. الزامات واقعی بسته به سازنده و طراحی متر متفاوت است:

حساسیت به لرزش و ضربان

فلومترهای گرداب ذاتاً مستعد ارتعاشات مکانیکی هستند زیرا سنسورهای آنها نیروهای نوسانی را تشخیص می دهند. لرزش خط لوله در فرکانس های نزدیک به فرکانس ریزش گرداب می تواند باعث شود پالس های کاذب، قطع سیگنال یا خوانش های نامنظم . اکثر پردازنده‌های سیگنال دیجیتال مدرن شامل فیلتر تطبیقی ​​برای تمایز بین سیگنال‌های گرداب و نویز ارتعاش هستند، اما محیط‌های ارتعاشی شدید - نزدیک کمپرسورها، پمپ‌ها یا توربین‌های بخار - باید به دقت ارزیابی شوند. نصب کنتور بر روی یک قطعه قرقره ایزوله شده از ارتعاش یا جابجایی آن دورتر از منبع ارتعاش، استراتژی های عملی اصلاح هستند.

محدوده جریان و ملاحظات حداقل جریان

هر جریان سنج گردابی دارای حداقل سرعت جریان قابل اندازه گیری است - معمولا 0.5-1.0 متر بر ثانیه برای مایعات و 3-5 متر بر ثانیه برای گازها و بخار - در زیر آن ریزش گرداب نامنظم و سیگنال غیرقابل اعتماد می شود. این آستانه پایین اغلب سرعت قطع یا حداقل جریان قابل تشخیص نامیده می شود. در زیر این نقطه، خروجی متر بدون توجه به جریان واقعی، صفر است، که باید در برنامه های کاربردی با الزامات پراکندگی گسترده در نظر گرفته شود.

نسبت چرخش عملی برای اکثر گرداب سنج ها است 10:1 تا 20:1 ، در مقایسه با 100:1 یا بیشتر برای کوریولیس یا فلومترهای مغناطیسی. برای سیستم های بخار که به طور منظم با بار کم کار می کنند - به عنوان مثال، در هنگام راه اندازی کارخانه یا یک شبه - این محدودیت می تواند باعث ایجاد شکاف های اندازه گیری قابل توجهی شود، مگر اینکه اندازه کنتور برای حداکثر دبی مورد انتظار به جای میانگین، محافظه کارانه باشد.

یک قانون اندازه گیری مفید: اندازه متر را انتخاب کنید که در آن سرعت جریان عملیاتی معمولی بین 3 تا 15 متر بر ثانیه برای گاز/بخار است و between 1 and 7 m/s for liquids. This ensures the operating point stays well within the linear range while leaving headroom for flow surges.

انتخاب پیکربندی جریان سنج گردابی مناسب

از معیارهای تصمیم گیری زیر برای شناسایی نوع فلومتر گرداب مناسب برای برنامه خود استفاده کنید:

1. فاز مایع و تنوع خود را شناسایی کنید : مایع در شرایط پایدار → گرداب استاندارد. بخار یا گاز اشباع با فشار متغیر → جبران فشار. بخار فوق گرم، گاز طبیعی یا هر گازی با تغییرات فشار و دما ← جبران P T ترکیبی.
2. تعیین اینکه آیا جریان جرمی یا جریان حجمی مورد نیاز است : صورتحساب انرژی، انتقال نگهداری و کنترل احتراق معمولاً نیاز به جریان انبوه دارند. پر کردن مخزن یا بچینگ فرآیند ممکن است فقط به جریان حجمی نیاز داشته باشد، در این صورت ممکن است یک متر استاندارد یا تک جبرانی کافی باشد.
3. عدد رینولدز را در حداقل جریان بررسی کنید : گرداب متر به حداقل عدد رینولدز تقریباً نیاز دارد پاسخ = 20000 برای ریختن مطمئن برای مایعات چسبناک یا شرایط بسیار کم جریان، این آستانه ممکن است قابل دستیابی نباشد و باید یک فناوری جایگزین در نظر گرفته شود.
4. ارزیابی محیط نصب : ارتعاش زیاد، جریان ضربان دار، یا اجرای مستقیم ناکافی ممکن است نیاز به تکنولوژی متر متفاوت یا تغییرات قابل توجهی در لوله کشی داشته باشد قبل از اینکه اندازه گیری گردابی قابل اجرا باشد.
5. الزامات ارتباط و یکپارچگی را ارزیابی کنید : گرداب متر جبران شده چندین متغیر فرآیند را خروجی می دهد. قبل از تعیین یک واحد چند متغیره، تأیید کنید که سیستم کنترل یا زیرساخت جمع‌آوری داده از پروتکل خروجی کنتور - HART، Profibus، یا FOUNDATION Fieldbus - پشتیبانی می‌کند.

برای اکثر کاربردهای اندازه‌گیری انرژی بخار - که نشان‌دهنده بزرگ‌ترین مورد استفاده برای فلومترهای گرداب جبران‌شده است - یک واحد جبران فشار و دما ترکیبی مشخصات صحیحی است. هزینه نهایی بیش از یک مدل فقط فشار متوسط ​​است، در حالی که بهبود دقت برای سرویس بخار فوق گرم قابل توجه است و اغلب توسط استانداردهای مدیریت انرژی سایت مانند ISO 50001. مورد نیاز است.