چه زمانی برای اندازه گیری دقیق جریان به جبران دما یا فشار نیاز دارید؟

فلومترهای چرخشی سرعت جریان حجمی یا جرمی مایعات، گازها و بخار را با ایجاد یک حرکت چرخشی کنترل شده در سیال جاری و تشخیص فرکانس نوسانات جریان ثانویه که دقیقاً با سرعت جریان مرتبط است را اندازه گیری کنید. آنها موقعیت مشخصی را در اندازه‌گیری جریان صنعتی اشغال می‌کنند: قوی‌تر و متحمل‌تر از سیالات کثیف نسبت به دستگاه‌های گرداب سنج، دقیق‌تر در محدوده جریان وسیع‌تر نسبت به دستگاه‌های فشار دیفرانسیل، و نصب و نگهداری به طور قابل‌توجهی نسبت به کوریولیس یا کنتورهای مغناطیسی برای بسیاری از شرایط فرآیند، مقرون به صرفه‌تر هستند. به طور خاص برای اندازه گیری جریان بخار، فلومتر چرخشی به دلیل ترکیبی از دقت، عملیات تعمیر و نگهداری کم، و سازگاری با شرایط دما و فشار سخت سیستم های توزیع بخار و مدیریت انرژی، به یک دستگاه اندازه گیری اولیه پذیرفته شده تبدیل شده است.

پاسخ مستقیم برای مهندسانی که مشخصات فلومتر چرخشی را ارزیابی می کنند این است: یک فلومتر چرخشی پایه فقط سرعت جریان حجمی را اندازه گیری می کند که برای کاربردهای مایع که چگالی اساساً ثابت است کافی است. برای گازها و بخار، که چگالی به طور قابل توجهی با دما و فشار تغییر می کند، اندازه گیری جریان حجمی به تنهایی برای تعیین دقیق جریان جرم یا جریان انرژی کافی نیست. یک فلومتر چرخشی جبران دما یک سنسور دما اضافه می کند و با استفاده از چگالی سیال وابسته به دما، جریان حجمی اندازه گیری شده را به جریان جرمی تبدیل می کند. یک فلومتر چرخشی جبران فشار یک سنسور فشار برای همین منظور اضافه می کند. یک مدل کاملاً جبران شده با هر دو سنسور دما و فشار، جریان جرم را در زمان واقعی از ترکیب اندازه‌گیری شده جریان حجمی، دما و فشار محاسبه می‌کند، که پیکربندی مورد نیاز برای اندازه‌گیری دقیق انرژی بخار و انتقال گاز نگهدارنده است. این مقاله توضیح می‌دهد که هر پیکربندی چگونه کار می‌کند، هر کدام کجا اعمال می‌شود و چه مشخصاتی بر انتخاب حاکم است.

جریان سنج چرخشی چگونه کار می کند: اصل عملیاتی و تشخیص جریان

فلومتر چرخشی بر اساس اصل ایجاد یک الگوی جریان چرخشی پایدار در بدنه کنتور و تشخیص فرکانس نوسانات جریان ثانویه که از تعامل بین این جریان چرخشی و هندسه کنتور ایجاد می شود، عمل می کند. توالی عملیاتی دارای سه مرحله مجزا است: تولید چرخش، تشکیل نوسان و تشخیص فرکانس.

تولید چرخش توسط چرخاننده ورودی

هنگامی که سیال وارد فلومتر می شود، از یک مجموعه چرخان ثابت متشکل از پره های زاویه دار که به صورت شعاعی در اطراف محور لوله قرار گرفته اند عبور می کند. این پره ها تکانه زاویه ای را به سیال می دهند و جریان محوری را به یک الگوی جریان چرخشی مارپیچ در داخل سوراخ متر تبدیل می کنند. چرخان یک عنصر غیرفعال است که در این مرحله نیازی به برق و قطعات متحرک ندارد، که یکی از دلایل کلیدی عمر عملیاتی طولانی فلومتر چرخشی و نیاز به تعمیر و نگهداری کم است.

تشکیل نوسان ثانویه در منطقه Deswirl

در پایین دست چرخان، جریان دوار وارد بخش در حال انبساط می شود و سپس از روی یک عنصر deswirler که برای حذف بخشی از چرخش طراحی شده است عبور می کند. برهمکنش بین جریان دوار باقیمانده و دبیلر یک حرکت ثانویه پیش رونده ایجاد می‌کند، نوعی از حرکت گردابی که در آن هسته جریان چرخشی حول محور لوله با فرکانسی نوسان می‌کند که مستقیماً با سرعت جریان حجمی متناسب است. این حرکت پیشروی اولین پدیده قابل اندازه گیری جریان سنج چرخشی است. رابطه استروهال حاکم بر خروجی فلومتر چرخشی ثابت می کند که فرکانس نوسان تقسیم بر سرعت جریان یک ثابت بدون بعد (ضریب K متر) در محدوده کاری مشخص شده متر است، معمولاً محدوده عدد رینولدز از 20000 تا چند میلیون است. این رابطه خطی بین فرکانس و سرعت جریان چیزی است که فلومتر چرخشی را به یک دستگاه اندازه گیری قابل اعتماد و دقیق در یک محدوده جریان گسترده بدون اصلاحات غیرخطی مورد نیاز دستگاه های فشار دیفرانسیل تبدیل می کند.

روش‌های تشخیص: حسگرهای پیزوالکتریک و خازنی

حرکت جریان نوسانی توسط یک یا چند حسگر نصب شده در بدنه کنتور تشخیص داده می شود. دو فناوری تشخیص رایج هستند:

• سنسورهای پیزوالکتریک: نوسانات فشار دوره ای یا ارتعاشات مکانیکی تولید شده توسط جریان پیشرو در محل سنسور را تشخیص دهید. عناصر حسگر پیزوالکتریک یک سیگنال ولتاژ تولید می کنند که فرکانس آن با فرکانس نوسان جریان مطابقت دارد، که الکترونیک پردازش سیگنال آن را به نرخ جریان تبدیل می کند. این سنسورها قوی هستند، سریع پاسخ می‌دهند و برای کاربردهای بخار با دمای بالا که دمای کار سنسور ممکن است به ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد یا بالاتر با ایزولاسیون سنسور مناسب برسد، مناسب هستند.
• سنسورهای خازنی: با توجه به اینکه جریان نوسانی عنصر را به صورت دوره ای منحرف می کند، تغییرات در ظرفیت یک عنصر حسگر را تشخیص دهید. تشخیص خازنی به ویژه برای کاربردهای گاز فشار پایین که انرژی نوسان جریان کم است و حسگرهای پیزوالکتریک ممکن است نسبت سیگنال به نویز کافی نداشته باشند، به خوبی مناسب است و در برخی از طرح‌ها، تشخیص پایداری را در سرعت‌های جریان پایین تا 0.5 متر بر ثانیه ارائه می‌کند.

سیگنال خروجی از هر نوع سنسور یک سیگنال فرکانس است که به طور خطی با نرخ جریان حجمی متناسب است، که از آن الکترونیک نرخ جریان لحظه ای، حجم کل و با جبران مناسب، جریان جرم و جریان انرژی را محاسبه می کند. مشخصات فلومتر چرخشی معمولی شامل دقت مثبت یا منفی 1.0 تا 1.5 درصد قرائت بیش از نسبت چرخش، با نسبت چرخش 10:1 تا 25:1 بسته به سیال و شرایط عملیاتی است.

جبران دما در فلومترهای چرخشی: چرا لازم است و چگونه کار می کند

یک فلومتر چرخشی که جریان حجمی را اندازه گیری می کند، خروجی بر حسب متر مکعب در ساعت (یا واحدهای معادل) تولید می کند که به طور دقیق حجم سیال عبوری از کنتور را در واحد زمان نشان می دهد. برای مایعاتی با چگالی اساساً ثابت مانند آب در دماهای متوسط، این قرائت حجمی مستقیماً با جریان جرمی متناسب است، زیرا چگالی به طور قابل توجهی با دما در محدوده عملیاتی تغییر نمی کند. با این حال، برای گازها، بخار و مایعات با چگالی شدیداً وابسته به دما، جرم سیال که توسط یک دبی حجمی معین نشان داده می‌شود، به طور قابل ملاحظه‌ای با دما تغییر می‌کند و اندازه‌گیری حجمی به تنهایی برای کنترل دقیق فرآیند یا محاسبه انرژی کافی نیست.

چگونه چگالی گاز و بخار با دما تغییر می کند

برای یک گاز ایده آل در فشار ثابت، چگالی با دمای مطلق نسبت معکوس دارد: گازی در 200 درجه سانتیگراد (473 کلوین) دارای چگالی تقریباً 62 درصد از همان گاز در 20 درجه سانتیگراد (293 کلوین) در همان فشار است. در کاربردهای عملی اندازه گیری گاز صنعتی، دمای گاز فرآیند معمولاً بین 50 تا 150 درجه سانتیگراد در اطراف یک نقطه عملیاتی اسمی تغییر می کند زیرا بارهای فرآیند تغییر می کند، دمای محیط در فصل تغییر می کند یا شرایط عملیاتی تغییر می کند. بدون جبران دما، یک فلومتر چرخشی که گاز طبیعی یا هوای فشرده را در دمای اسمی 150 درجه سانتیگراد اندازه می‌گیرد، خطای قرائت جریان جرمی تقریباً 15 درصد را برای یک روند دمایی مثبت یا منفی 20 درجه سانتی‌گراد نشان می‌دهد، که به وضوح برای نگهداری، انتقال یا انتقال مجدد فرآیند به کنترل، استفاده از انرژی غیرقابل قبول است. درصد

نحوه اجرای جبران دما

A فلومتر چرخشی جبران دما یک آشکارساز دمای مقاومتی (RTD)، معمولاً یک عنصر Pt100 یا Pt1000، که در داخل بدنه کنتور مستقیماً در جریان سیال یا در یک ترموول در مجاورت متر نصب شده است. سیگنال دما به طور مداوم به پردازشگر سیگنال کنتور داده می شود که از دمای اندازه گیری شده و یک پایگاه داده ویژگی سیال ذخیره شده در پردازنده برای محاسبه چگالی واقعی سیال در شرایط اندازه گیری استفاده می کند. سپس نرخ جریان حجمی از سیگنال فرکانس در این چگالی محاسبه شده ضرب می شود تا یک خروجی نرخ جریان جرمی زمان واقعی تولید شود. به طور همزمان، انباشتگر جریان جرم یکپارچه یا کل، جرم کل سیال را که از کنتور عبور کرده است، ردیابی می کند، که مقدار مورد نیاز برای صورتحساب، حسابداری انرژی، و کنترل فرآیند دسته ای است.

برای کاربردهای بخار، که در آن رابطه بین دما، فشار و چگالی به جای قانون گاز ایده‌آل، از جداول بخار IAPWS IF97 پیروی می‌کند، پردازنده جریان سنج چرخشی جبران دما به پایگاه داده ویژگی بخار بر اساس این جداول استاندارد بین‌المللی دسترسی پیدا می‌کند و مقادیر چگالی را برای هر دمای اندازه‌گیری شده در فشار کاری مشخص شده درون یابی می‌کند. برای بخار اشباع در فشار ثابت، دما به تنهایی تمام خواص ترمودینامیکی از جمله چگالی و آنتالپی خاص را تعیین می‌کند، بنابراین یک متر جبران‌شده با دما می‌تواند هم جریان جرمی و هم جریان انرژی (بر حسب کیلووات یا مگاوات) را بدون نیاز به سنسور فشار فراهم کند، مشروط بر اینکه فشار سیستم پایدار و به خوبی مشخص شود.

جبران فشار در جریان سنج های چرخشی: کاربردها و پیکربندی

جبران فشار به دومین متغیر اصلی موثر بر چگالی سیال در اندازه گیری جریان تراکم پذیر می پردازد. برای گازهایی که در دمای ثابت هستند، چگالی مستقیماً با فشار مطلق متناسب است: هوای فشرده در 6 بار مطلق تقریباً شش برابر چگالی همان هوا در 1 بار مطلق است، که به این معنی است که جریان حجمی 100 متر مکعب در ساعت در 6 بار مطلق تقریباً معادل 600 متر مکعب در ساعت است که در شرایط استاندارد (اغلب به عنوان درجه سانتیگراد یا 15 درجه سانتیگراد تعریف می شود). 1.01325 بار مطلق). تبدیل جریان حجمی واقعی به جریان حجمی استاندارد یا جریان جرمی مستلزم آگاهی از فشار عملیاتی واقعی است که عملکرد سیستم جبران فشار است.

یکپارچه سازی سنسور فشار و پردازش سیگنال

A فلومتر چرخشی جبران فشار یک فرستنده فشار مطلق یا فرستنده فشار گیج (با تصحیح فشار اتمسفر اعمال شده در پردازنده) که مستقیماً روی بدنه کنتور یا در خط فرآیند مجاور نصب شده است. سیگنال فشار به همان پردازنده سیگنالی که سیگنال فرکانس جریان را دریافت می کند، تغذیه می شود و پردازنده را قادر می سازد تا چگالی گاز واقعی را از روی فشار اندازه گیری شده (و اگر دما نیز اندازه گیری شود، از فشار و دما به طور همزمان) محاسبه کند.

برای کاربردهای بخار سوپرهیت، هم دما و هم فشار برای تعریف کامل حالت ترمودینامیکی و در نتیجه چگالی و آنتالپی بخار مورد نیاز است: بخار فوق گرم در یک فشار معین می‌تواند در طیف وسیعی از دماها و چگالی‌ها وجود داشته باشد، بنابراین نه فقط یک دما و نه یک سیستم جبران فشار فقط نمی‌تواند اندازه‌گیری دقیق جریان جرم را در محدوده عملیاتی کامل ارائه دهد. فلومتر چرخشی کاملاً جبرانی با ورودی دما و فشار، مشخصات صحیحی برای اندازه‌گیری بخار فوق‌گرم در هر برنامه‌ای است که در آن دما و فشار فرآیند به طور مستقل در حین کار متفاوت است.

محاسبه استاندارد جریان حجم برای گازهای فشرده

در کاربردهای اندازه گیری گاز فشرده از جمله توزیع گاز طبیعی، پایش هوای فشرده و اندازه گیری گاز فرآیند صنعتی، خروجی مورد نیاز اغلب بر حسب متر مکعب استاندارد در ساعت (Sm3/h) یا متر مکعب معمولی در ساعت (Nm3/h) به جای دبی جرمی بر حسب کیلوگرم در ساعت بیان می شود. جریان حجمی استاندارد یا نرمال نشان دهنده حجم معادلی است که گاز در شرایط مرجع تعریف شده اشغال می کند (0 درجه سانتیگراد و 1.01325 بار برای متر مکعب معمولی، یا 15 درجه سانتیگراد و 1.01325 بار برای متر مکعب استاندارد). فلومتر چرخشی جبران شده با فشار و دما، این خروجی حجم استاندارد را مستقیماً از جریان حجمی واقعی اندازه‌گیری شده، دمای اندازه‌گیری‌شده و فشار اندازه‌گیری‌شده محاسبه می‌کند و قانون گاز ایده‌آل یا معادله گاز واقعی را برای محاسبه تراکم‌پذیری گاز اعمال می‌کند. این خروجی حجم استاندارد، مقدار صورت‌حساب عرضه گاز طبیعی، مبنای محاسبات تراز مواد فرآیند، و خروجی مورد نیاز برای گزارش‌دهی نظارتی در بسیاری از حوزه‌های قضایی است.

مقایسه پیکربندی های جریان سنج چرخشی: چه زمانی باید هر نوع را مشخص کرد

جدول زیر سه پیکربندی اصلی جبران فلومترهای چرخشی، خروجی های اندازه گیری آنها و کاربردهایی را که هر کدام انتخاب صحیحی هستند، خلاصه می کند.

اندازه گیری جریان بخار: جایی که جریان سنج های چرخشی با Compensation Excel

اندازه گیری جریان بخار یکی از پرکاربردترین کاربردها در ابزار دقیق جریان صنعتی است زیرا بخار تراکم پذیری گاز را با خواص ترمودینامیکی وابسته به فاز ترکیب می کند که به طور قابل توجهی با دما و فشار تغییر می کند و سیستم اندازه گیری باید در دماها و فشارهای بالا در محیط هایی که از نظر مکانیکی و حرارتی نیاز دارند به طور قابل اعتماد عمل کند. فلومترهای چرخشی با جبران دما و فشار به یک راه حل ترجیحی برای اندازه گیری جریان بخار در مدیریت انرژی، صنایع فرآیندی و کاربردهای گرمایش منطقه ای به دلایل متعددی تبدیل شده اند که آنها را از فناوری های رقیب متمایز می کند.

مزایای دبی سنج های چرخشی نسبت به مترهای گرداب برای بخار

هم چرخش سنج و هم ورتکس متر از تشخیص جریان مبتنی بر فرکانس استفاده می کنند و می توانند به جبران دما و فشار برای اندازه گیری بخار مجهز شوند. فلومتر چرخشی چندین مزیت عملی برای کاربردهای بخار دارد:

• حداقل سرعت جریان کمتر: فلومترهای چرخشی تشخیص سیگنال قابل اعتماد را در سرعت‌های جریان پایین‌تر از ورتکس‌مترها حفظ می‌کنند، زیرا نوسان تولید شده از چرخش برای یک سرعت جریان معین نسبت به سیگنال ریزش گردابی در اکثر طرح‌ها، دامنه بیشتری دارد. این به چرخش سنج اجازه می دهد تا شرایط بخار کم بار را با دقت اندازه گیری کند، که در سیستم های گرمایشی که در آن تقاضای بخار به طور گسترده ای بین شرایط بار کامل و حالت آماده به کار متفاوت است، مهم است.
• تحمل بخار مرطوب و راب میعانات: ساختار مکانیکی قوی بدنه گرداب سنج، بدون انسداد بدنه بلوف باریک که عنصر حیاتی یک گرداب سنج است، تحمل بهتری را در برابر شرایط بخار مرطوب و گهگاه راب های میعانات که می تواند به میله ریزش شکننده تر یک گرداب متر آسیب برساند یا مختل کند، فراهم می کند.
• محدوده فشار عملیاتی گسترده: فلومترهای چرخشی به صورت تجاری برای فشارهای کاری از 0.1 مگاپاسکال تا گیج 4 مگاپاسکال و بالاتر در دسترس هستند و طیف کاملی از فشارهای توزیع بخار صنعتی از سیستم های گرمایش با فشار پایین تا بخار فرآیند فشار بالا را پوشش می دهند.

محاسبه جریان انرژی از سنج های چرخشی جبران شده با دما و فشار

هنگامی که یک فلومتر چرخشی جبران شده دما و فشار در یک خط تامین بخار نصب می شود و دمای برگشت میعانات نیز مشخص می شود، متر می تواند انرژی حرارتی تحویل شده توسط سیستم بخار را در زمان واقعی محاسبه و جمع کند. این محاسبات از جداول ویژگی بخار IAPWS IF97 برای تعیین آنتالپی خاص بخار منبع از دما و فشار اندازه گیری شده استفاده می کند، آنتالپی مخصوص میعانات برگشتی را در دمای اندازه گیری شده آن کم می کند و اختلاف آنتالپی را در سرعت جریان جرمی اندازه گیری شده ضرب می کند تا توان خروجی بر حسب کیلووات به دست آید. این قابلیت اندازه‌گیری مستقیم انرژی، بدون نیاز به انرژی‌سنج یا رایانه جریان جداگانه، فلومتر چرخشی جبران‌شده دما و فشار را به ابزاری جامع برای مدیریت انرژی بخار تبدیل می‌کند که اندازه‌گیری جریان، جبران چگالی و محاسبه انرژی را در یک دستگاه واحد ترکیب می‌کند و ابزار دقیق مورد نیاز برای انطباق با سیستم مدیریت هزینه‌های بخار ISO 50001 و همه موارد را ساده‌تر می‌کند.

الزامات نصب و پارامترهای مشخصات

نصب صحیح یک فلومتر چرخشی برای دستیابی به دقت مشخص ضروری است، زیرا چرخش سنج به مشخصات سرعت جریان ورودی حساس است. پروفیل های غیر یکنواخت ناشی از اتصالات بالادست، دریچه ها یا خم ها خطاهایی را در فرکانس نوسان ایجاد می کنند که به طور کامل سرعت متوسط ​​جریان را نشان نمی دهد و در نتیجه عدم دقت اندازه گیری می شود.

الزامات لوله مستقیم بالادست و پایین دست

سازندگان حداقل طول لوله مستقیم در بالادست و پایین دست فلومتر چرخشی را مشخص می کنند تا اطمینان حاصل شود که پروفیل سرعت ورودی به کنتور کاملاً توسعه یافته است و از اجزای چرخشی وارد شده توسط اتصالات بالادستی عاری است. الزامات معمول عبارتند از 3 بعدی لوله مستقیم بالادست و 1 بعدی پایین دست.

جهت گیری و زهکشی میعانات

برای کاربردهای بخار، متر باید در قسمت لوله افقی نصب شود تا جایی که ممکن است برای جلوگیری از تجمع میعانات در بدنه کنتور که باعث سیگنال های جریان نامنظم و خوردگی عنصر می شود. در مواردی که نصب عمودی مورد نیاز است، جریان بخار باید از طریق متر به سمت بالا هدایت شود تا امکان تخلیه گرانشی هرگونه میعانات از بخش اندازه گیری فراهم شود. یک تله بخار در پایین دست کنتور تخلیه میعانات را فراهم می کند و از انباشته شدن میعانات در ناحیه اندازه گیری جلوگیری می کند.

پارامترهای کلیدی مشخصات برای انتخاب فلومتر چرخشی

هنگام تعیین یک فلومتر چرخشی، پارامترهای زیر باید برای اطمینان از انتخاب مدل صحیح برای برنامه تعریف شوند:

1. نوع سیال: مایع، گاز یا بخار (اشباع یا فوق گرم)، زیرا سطح جبران مورد نیاز، انتخاب مواد خیس شده و پایگاه داده خواص سیال قابل اجرا را تعیین می کند.
2. محدوده فشار عملیاتی: حداقل و حداکثر فشار فرآیند که درجه فشار بدنه کنتور و محدوده فرستنده فشار را در مدل های جبرانی تعیین می کند.
3. محدوده دمای عملیاتی: حداقل و حداکثر دمای فرآیند، که درجه بندی دمای متر و مواد سنسور را تعیین می کند.
4. محدوده جریان: حداقل و حداکثر دبی، که اندازه کنتور مورد نیاز را تعیین می کند و تأیید می کند که محدوده جریان مورد نظر در محدوده اعداد رینولدز مشخص شده و نسبت خاموشی کنتور قرار می گیرد.
5. خروجی مورد نیاز: فقط جریان حجمی، جریان جرمی، جریان حجمی استاندارد یا جریان انرژی، که پیکربندی جبرانی مورد نیاز را تعیین می کند.
6. اتصال فرآیند: قطر لوله، درجه فشار و استاندارد فلنج (ASME، EN، JIS) برای محل نصب مورد نیاز است.
7. سیگنال خروجی: خروجی پالس برای کل، آنالوگ 4 تا 20 میلی آمپر برای سرعت جریان، HART، Modbus یا PROFIBUS برای ارتباط دیجیتال با سیستم کنترل کارخانه.

فلومتر چرخشی، در پیکربندی های جبرانی مختلف خود، راه حلی قابل اعتماد، دقیق و عملاً همه کاره برای اندازه گیری جریان در کاربردهای مختلف از اندازه گیری ساده مایعات گرفته تا الزامات سخت حسابداری انرژی بخار در برنامه های مدیریت انرژی صنعتی ارائه می دهد. انتخاب بین پیکربندی‌های پایه، دمای جبران‌شده، فشار جبران‌شده و کاملاً جبران‌شده به اولویت بودجه نیست، بلکه مربوط به تطبیق صحیح دستگاه اندازه‌گیری با شرایط فیزیکی واقعی سیال فرآیند است، که تنها رویکردی است که دقت و قابلیت اطمینانی را ارائه می‌دهد که اندازه‌گیری جریان در برنامه‌های کاربردی کنترل انرژی و فرآیند نیاز دارد..