Руководство по вихревому расходомеру: компенсация давления и температуры

Вихревой расходомер измеряет объемный расход, определяя частоту вихрей, создаваемых обтекаемым телом, помещенным в поток потока — принцип, известный как эффект фон Кармана. Для применений, связанных с паром, сжатым газом или любой другой жидкостью, плотность которой значительно меняется в зависимости от условий эксплуатации, стандартного вихревого расходомера недостаточно. Варианты с компенсацией давления и температурной компенсацией включают дополнительные датчики непосредственно в корпус расходомера для расчета массового расхода или скорректированного объемного расхода в реальном времени, устраняя необходимость во внешних приборах и ручных корректирующих расчетах. Выбор правильной конфигурации зависит от типа жидкости, требуемой точности, а также от того, изменяются ли давление, температура или и то, и другое во время нормальной работы.

Как работает вихревой расходомер

Принцип работы А. вихревой расходомер основан на хорошо известном явлении гидродинамики. Когда жидкость течет мимо необтекаемого препятствия, называемого обтекаемым телом или перегородкой, на каждой стороне тела генерируются чередующиеся вихри в регулярном, повторяющемся порядке. Этот узор называется вихревой улицей Кармана.

Частота, с которой возникают эти вихри, прямо пропорциональна скорости жидкости, выражаемой соотношением Струхаля:

ж = ул. × В/д

Где f – частота образования вихрей, St - безразмерное число Струхаля (обычно 0,17–0,21 для большинства плоских конструкций кузовов), V - скорость жидкости, а d - ширина тела обтекания. Поскольку число Струхаля остается почти постоянным в широком диапазоне чисел Рейнольдса, частота вихрей служит надежным линейным индикатором скорости потока.

Методы обнаружения

Вихри создают колебательные колебания давления, которые обнаруживаются одной из нескольких сенсорных технологий, встроенных в обтекаемое тело или рядом с ним:

• Пьезоэлектрические датчики : Самый распространенный тип. Пьезоэлектрический кристалл генерирует небольшой сигнал напряжения в ответ на колебательную силу каждого вихря. Эти датчики не имеют движущихся частей и отличаются высокой надежностью при работе с паром и газом.
• Емкостные датчики : определение перепада давления, создаваемого вихрями, с помощью гибкой диафрагмы. Менее восприимчив к вибрационным помехам, чем некоторые пьезоэлектрические конструкции.
• Ультразвуковые датчики : В некоторых усовершенствованных конструкциях используются ультразвуковые лучи, направленные поперек канала трубы, для обнаружения колебаний скорости, вызванных вихрями, что позволяет проводить неинтрузивные измерения.

Независимо от метода обнаружения, выходной сигнал базового вихревого расходомера представляет собой частотный импульсный сигнал, пропорциональный объемному расходу . Преобразование этого значения в массовый расход или стандартизированный объемный расход требует знания плотности жидкости, и именно здесь становятся необходимыми варианты компенсации.

Почему для точного измерения расхода необходима компенсация

Импульсный выход вихревого расходомера отражает фактический объемный расход в рабочих условиях — реальный объем, проходящий через счетчик в данный момент. Для многих применений с жидкостями, где плотность относительно стабильна, этого достаточно. Но для газы, пар и сверхкритические жидкости , взаимосвязь между объемным расходом и массовым расходом очень чувствительна как к давлению, так и к температуре.

Рассмотрим насыщенный пар при двух разных давлениях:

• В 5 бар (абсолютное) , насыщенный пар имеет плотность примерно 2,67 кг/м³
• В 10 бар (абсолютное) , плотность насыщенного пара возрастает примерно до 5,16 кг/м³

Одно и то же показание объемного расхода при этих двух условиях представляет собой почти вдвое больший массовый расход при 10 бар по сравнению с 5 бар. Без учета этой разницы в плотности система учета энергии пара или система управления процессом, основанная исключительно на объемной производительности, будет содержать ошибки, превышающие 30–50% в условиях переменного давления. Компенсация напрямую решает эту проблему путем подачи данных о давлении и/или температуре в реальном времени в компьютер расхода для непрерывного расчета скорректированных значений.

Вихревой расходомер с компенсацией давления

А вихревой расходомер с компенсацией давления интегрирует датчик давления — обычно пьезорезистивный или емкостной датчик давления — в корпус счетчика рядом с элементом обнаружения вихрей. Внутренний компьютер расхода использует показания давления в реальном времени вместе с измеренной частотой вихрей для расчета плотности жидкости на основе предварительно загруженных таблиц свойств, а затем вычисляет массовый расход или скорректированный объемный расход в реальном времени.

Когда одной компенсации давления достаточно

Компенсация давления уместна и достаточна, когда температура жидкости либо постоянна, либо может считаться постоянной в пределах приемлемого допуска. Наиболее распространенным сценарием является обслуживание насыщенного пара : поскольку насыщенный пар существует при фиксированной температуре для любого заданного давления, только измерение давления полностью определяет термодинамическое состояние жидкости. Для определения плотности не требуется отдельного измерения температуры.

Аdditional suitable applications include:

• Системы сжатого воздуха, в которых температура подачи относительно стабильна, но давление в линии меняется в зависимости от цикла работы компрессора.
• Распределение азота или инертного газа при температуре, близкой к температуре окружающей среды, с переменным давлением в коллекторе
• Измерение природного газа при небольших колебаниях температуры (в пределах ±10°C от эталонного значения)

Типичные характеристики

Большинство представленных на рынке вихревых расходомеров с компенсацией давления оснащены встроенными датчиками давления, рассчитанными на 0–4 МПа или 0–10 МПа , с точностью измерения давления обычно ±0,5% полной шкалы . Суммарная неопределенность измерения расхода после компенсации обычно находится в диапазоне ±1,0–1,5% показаний для пара и газа по сравнению с ±0,5–1,0% для одного только вихревого элемента, измеряющего объемный расход в жидкостях.

Вихревой расходомер с температурной компенсацией

А вихревой расходомер с температурной компенсацией включает резистивный температурный детектор (RTD) — чаще всего Датчик Pt100 или Pt1000 класса A - в счетчик или его непосредственный сопутствующий фитинг выше или ниже по потоку. Сигнал температуры подается на тот же внутренний компьютер расхода, который использует данные о свойствах жидкости для определения плотности и расчета массы или скорректированного расхода.

Когда используется только температурная компенсация

Компенсация только по температуре встречается реже, чем компенсация только по давлению или комбинированная компенсация, но имеет законные применения:

• Поток жидкости при постоянном давлении, но переменной температуре : Контуры горячей воды, системы термомасла и контуры охлаждающей воды, где давление в трубах регулируется, но температура меняется в зависимости от технологической нагрузки.
• Расход газа при известном стабильном давлении подачи : Когда регулятор давления надежно удерживает давление на входе, но температура окружающей среды или процесса меняется в зависимости от сезона или суток.
• Коммерческий учет газов при регулируемом давлении : Там, где давление установлено контрактом или нормативными актами и активный мониторинг требует только температуры.

Размещение RTD и время отклика

RTD обычно устанавливается в защитной гильзе, расположенной 3–5 диаметров трубы после корпуса вихревого расходомера во избежание нарушения профиля потока в точке измерения. Конструкция защитной гильзы имеет значение: защитная гильза с толстыми стенками увеличивает тепловую задержку, что может привести к временным ошибкам при резких изменениях температуры. Для процессов с быстрыми колебаниями температуры термогильза с уменьшенным наконечником или быстродействующая защитная гильза рекомендуется время отклика менее 5 секунд.

Вихревой расходомер с комбинированной компенсацией давления и температуры

Самый функциональный и широко распространенный вариант объединяет датчики давления и температуры в единый узел счетчика. Имея доступ к обеим переменным одновременно, внутренний компьютер расхода может применить полное уравнение состояния жидкости, что дает точный расчет массового расхода без каких-либо предположений об условиях эксплуатации .

Эта конфигурация является обязательной для:

• Перегретый пар : В отличие от насыщенного пара, перегретый пар существует при температурах выше кривой насыщения для любого заданного давления. И давление, и температура являются независимыми переменными, и их необходимо измерять для определения плотности по таблицам пара.
• Коммерческий учет природного газа : Стандарты AGA (Американской газовой ассоциации) и ISO для измерения природного газа требуют поправки на базовые условия с использованием как давления, так и температуры.
• Переменные технологические газы : Смешанные газовые потоки, биогаз или технологические отходящие газы, состав и условия эксплуатации которых колеблются.
• Учет энергии пара для выставления счетов или распределения : Когда выходная мощность в БТЕ или кДж должна быть точно рассчитана с учетом изменяющихся условий нагрузки.

Такие производители, как Yokogawa (серия digitalYEWFLO), Endress Hauser (Prowirl F 200) и Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable), предлагают полностью интегрированные многопараметрические вихревые расходомеры, которые измеряют частоту вихрей, давление и температуру в одном технологическом соединении, выдавая массовый расход напрямую через протоколы HART, FOUNDATION Fieldbus или Modbus.

Сравнение: стандартные и компенсированные вихревые расходомеры

Требования к установке, влияющие на точность

Независимо от конфигурации компенсации, вихревые расходомеры чувствительны к искажениям профиля потока, вызванным геометрией трубопровода на входе. Соблюдение требований к прямолинейности не подлежит обсуждению для достижения номинальной точности.

Требования к прямым трубам вверх и вниз по течению

Следующие требования к прямолинейному трубопроводу применимы к большинству вихревых расходомеров при стандартных условиях установки. Фактические требования различаются в зависимости от производителя и конструкции счетчика:

Чувствительность к вибрации и пульсации

Вихревые расходомеры по своей природе чувствительны к механической вибрации, поскольку их датчики обнаруживают колебательные силы. Вибрация трубопровода на частотах, близких к частоте вихреобразования, может вызвать ложные импульсы, пропадание сигнала или ошибочные показания . Большинство современных процессоров цифровых сигналов включают в себя адаптивную фильтрацию для различения вихревых сигналов и вибрационного шума, но условия сильной вибрации — рядом с компрессорами, насосами или паровыми турбинами — следует тщательно оценивать. Практическими стратегиями устранения неисправности являются установка счетчика на виброизолированную катушку или перемещение его дальше от источника вибрации.

Диапазон расхода и соображения минимального расхода

Каждый вихревой расходомер имеет минимальную измеримую скорость потока — обычно 0,5–1,0 м/с для жидкостей и 3–5 м/с для газов и пара — ниже которого вихреобразование становится нерегулярным и сигнал становится ненадежным. Этот нижний порог часто называют скоростью отсечки или минимально обнаруживаемым потоком. Ниже этой точки счетчик выдает ноль независимо от фактического расхода, что необходимо учитывать в приложениях с широким диапазоном регулирования.

Практический диапазон регулирования для большинства вихревых счетчиков составляет от 10:1 до 20:1 по сравнению со 100:1 или более для кориолисовых или магнитных расходомеров. Для паровых систем, которые регулярно работают с низкой нагрузкой — например, во время запуска установки или в ночное время — это ограничение может привести к значительным перерывам в измерениях, если только счетчик не будет выбран консервативно для максимального ожидаемого расхода, а не для среднего.

А useful sizing rule: select a meter size where the нормальная рабочая скорость потока составляет от 3 до 15 м/с для газа/пара. и 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.

Выбор правильной конфигурации вихревого расходомера

Используйте следующие критерии принятия решения, чтобы определить подходящий вариант вихревого расходомера для вашего применения:

1. Определите свою жидкую фазу и изменчивость : Жидкость в стабильных условиях → стандартный вортекс. Насыщенный пар или газ с переменным давлением → компенсация давления. Перегретый пар, природный газ или любой газ с изменением давления и температуры → комбинированная компенсация P T.
2. Определите, требуется ли массовый или объемный расход : Выставление счетов за электроэнергию, коммерческий учет и контроль сгорания обычно требуют массового расхода. Для заполнения резервуаров или технологического дозирования может потребоваться только объемный расход, и в этом случае может быть достаточно стандартного счетчика или счетчика с одной компенсацией.
3. Проверьте число Рейнольдса при минимальном расходе : Вихревые счетчики требуют минимального числа Рейнольдса примерно Ре = 20 000 для надежного сброса. Для вязких жидкостей или условий очень низкого расхода этот порог может оказаться недостижимым, и следует рассмотреть альтернативную технологию.
4. Аssess the installation environment : Высокая вибрация, пульсирующий поток или недостаточный прямой участок могут потребовать использования другой технологии расходомера или значительной модификации трубопровода, прежде чем вихревое измерение станет жизнеспособным.
5. Оцените требования к коммуникации и интеграции : Компенсированные вихревые расходомеры выдают несколько переменных процесса. Прежде чем указывать многопараметрическую единицу измерения, убедитесь, что система управления или инфраструктура сбора данных поддерживает выходной протокол счетчика — HART, Profibus или FOUNDATION Fieldbus.

Для большинства применений измерения энергии пара, которые представляют собой наиболее распространенный вариант использования вихревых расходомеров с компенсацией, правильным вариантом является комбинированный блок компенсации давления и температуры. Предельные затраты по сравнению с моделью, работающей только под давлением, скромны, в то время как повышение точности для работы с перегретым паром существенно и часто требуется стандартами управления энергопотреблением на объекте, такими как ISO 50001.