Когда вам нужна компенсация температуры или давления для точного измерения расхода?

Вихревые расходомеры измеряйте объемный или массовый расход жидкостей, газов и пара, создавая контролируемое вихревое движение в текущей жидкости и определяя частоту вторичных колебаний потока, которые точно коррелируют со скоростью потока. Они занимают четко определенную позицию в промышленном измерении расхода: более надежны и устойчивы к грязным жидкостям, чем вихревые счетчики, более точны в более широком диапазоне расхода, чем устройства дифференциального давления, и значительно более экономичны в установке и обслуживании, чем кориолисовы или магнитные счетчики, для многих технологических условий. В частности, для измерения расхода пара вихревой расходомер стал широко распространенным основным измерительным устройством благодаря сочетанию точности, минимального технического обслуживания и совместимости с жесткими условиями температуры и давления систем распределения пара и управления энергопотреблением.

Прямой ответ для инженеров, оценивающих характеристики вихревого расходомера, заключается в следующем: базовый вихревой расходомер измеряет только объемный расход, что достаточно для применений с жидкостями, где плотность практически постоянна. Для газов и пара, плотность которых значительно меняется в зависимости от температуры и давления, измерения только объемного расхода недостаточно для точного определения массового расхода или расхода энергии. Вихревой расходомер с температурной компенсацией оснащен датчиком температуры и преобразует измеренный объемный расход в массовый расход, используя плотность жидкости, зависящую от температуры. Вихревой расходомер с компенсацией давления оснащен датчиком давления для той же цели. Модель с полной компенсацией, оснащенная датчиками температуры и давления, рассчитывает массовый расход в реальном времени на основе измеренной комбинации объемного расхода, температуры и давления, что является конфигурацией, необходимой для точного учета энергии пара и коммерческого учета газа. В этой статье объясняется, как работает каждая конфигурация, где она применяется и какие спецификации определяют выбор.

Как работает вихревой расходомер: принцип работы и обнаружение расхода

Вихревой расходомер работает по принципу создания стабильного вращательного потока внутри корпуса расходомера и определения частоты вторичных колебаний потока, возникающих в результате взаимодействия между этим закрученным потоком и геометрией расходомера. Рабочая последовательность состоит из трех отдельных этапов: генерация вихря, формирование колебаний и определение частоты.

Генерация завихрения входным завихрителем

Когда жидкость поступает в расходомер, она проходит через неподвижный завихритель, состоящий из расположенных под углом лопастей, расположенных радиально вокруг оси трубы. Эти лопасти сообщают жидкости угловой момент, преобразуя осевой поток в винтовой вращающийся поток внутри измерительного отверстия. Завихритель представляет собой пассивный элемент, не требующий на этом этапе ни энергии, ни движущихся частей, что является одной из ключевых причин длительного срока службы вихревого расходомера и низких требований к техническому обслуживанию.

Формирование вторичных колебаний в зоне десвирля.

После завихрителя вращающийся поток поступает в расширяющуюся секцию и затем проходит через элемент завихрителя, предназначенный для частичного устранения вращения. Взаимодействие между остаточным вращающимся потоком и десвирлером порождает прецессирующее вторичное движение — разновидность вихревой прецессии, при которой ядро ​​закрученного потока колеблется вокруг оси трубы с частотой, прямо пропорциональной объемному расходу. Это прецессирующее движение является основным измеримым явлением вихревого расходомера. Соотношение Струхаля, определяющее выходной сигнал вихревого расходомера, устанавливает, что частота колебаний, деленная на скорость потока, представляет собой безразмерную константу (коэффициент К расходомера) в указанном рабочем диапазоне расходомера, обычно в диапазоне чисел Рейнольдса от 20 000 до нескольких миллионов. Эта линейная зависимость между частотой и скоростью потока делает вихревой расходомер надежным и точным измерительным устройством в широком диапазоне расходов без нелинейных поправок, требуемых устройствами дифференциального давления.

Методы обнаружения: пьезоэлектрические и емкостные датчики.

Колебательное движение потока обнаруживается одним или несколькими датчиками, установленными в корпусе расходомера. Обычно используются две технологии обнаружения:

• Пьезоэлектрические датчики: Обнаружение периодических колебаний давления или механических вибраций, создаваемых прецессирующим потоком в месте расположения датчика. Пьезоэлектрические чувствительные элементы генерируют сигнал напряжения, частота которого соответствует частоте колебаний потока, который электроника обработки сигналов преобразует в расход. Эти датчики надежны, быстро реагируют и подходят для применения в условиях высокотемпературного пара, где рабочая температура датчика может достигать 250 градусов Цельсия или выше при соответствующей изоляции датчика.
• Емкостные датчики: Обнаружение изменений емкости чувствительного элемента, поскольку колеблющийся поток циклически отклоняет элемент. Емкостное обнаружение особенно хорошо подходит для применений с газами низкого давления, где энергия колебаний потока мала, а пьезоэлектрические датчики могут иметь недостаточное соотношение сигнал/шум, обеспечивая стабильное обнаружение при скоростях потока всего 0,5 метра в секунду в некоторых конструкциях.

Выходной сигнал датчика любого типа представляет собой частотный сигнал, линейно пропорциональный объемному расходу, на основе которого электроника рассчитывает мгновенный расход, суммарный объем и, с соответствующей компенсацией, массовый расход и расход энергии. Типичные характеристики вихревого расходомера включают погрешность от плюс-минус 1,0 до 1,5 процента от диапазона измерения, при этом диапазон регулирования составляет от 10:1 до 25:1 в зависимости от жидкости и условий эксплуатации.

Температурная компенсация в вихревых расходомерах: зачем она нужна и как работает

Вихревой расходомер, измеряющий объемный расход, дает результат в кубических метрах в час (или эквивалентных единицах), который точно представляет объем жидкости, проходящей через счетчик в единицу времени. Для жидкостей с практически постоянной плотностью, таких как вода при умеренных температурах, это показание объема прямо пропорционально массовому расходу, поскольку плотность существенно не меняется с температурой в рабочем диапазоне. Однако для газов, пара и жидкостей, плотность которых сильно зависит от температуры, масса жидкости, представленная заданным объемным расходом, существенно меняется с температурой, что делает одни только объемные измерения недостаточными для точного управления процессом или учета энергии.

Как плотность газа и пара меняется с температурой

Для идеального газа при постоянном давлении плотность обратно пропорциональна абсолютной температуре: газ при 200 градусах Цельсия (473 Кельвина) имеет плотность примерно 62 процента того же газа при 20 градусах Цельсия (293 Кельвина) при том же давлении. В практических приложениях измерения промышленных газов температура технологического газа обычно варьируется от 50 до 150 градусов Цельсия вокруг номинальной рабочей точки по мере изменения технологических нагрузок, сезонных изменений температуры окружающей среды или изменения условий эксплуатации. Без температурной компенсации вихревой расходомер, измеряющий природный газ или сжатый воздух при номинальной температуре 150 градусов Цельсия, будет показывать погрешность показаний массового расхода примерно 15 процентов при отклонении температуры технологического процесса на плюс-минус 20 градусов Цельсия, что явно неприемлемо для коммерческого учета, учета энергии или приложений управления технологическими процессами, требующих точности выше 2–3 процентов.

Как реализована температурная компенсация

А вихревой расходомер с температурной компенсацией включает резистивный температурный детектор (RTD), обычно элемент Pt100 или Pt1000, установленный либо внутри корпуса счетчика непосредственно в потоке жидкости, либо в защитной гильзе, прилегающей к счетчику. Сигнал температуры непрерывно подается на процессор сигналов расходомера, который использует измеренную температуру и базу данных свойств жидкости, хранящуюся в процессоре, для расчета фактической плотности жидкости в условиях измерения. Объемный расход, полученный из частотного сигнала, затем умножается на эту расчетную плотность для получения выходных данных о массовом расходе в реальном времени. Одновременно встроенный или суммарный аккумулятор массового расхода отслеживает общую массу жидкости, прошедшей через счетчик, которая является количеством, необходимым для выставления счетов, учета энергии и управления периодическим процессом.

Для применений с паром, где взаимосвязь между температурой, давлением и плотностью соответствует таблицам пара IАPWS IF97, а не закону идеального газа, процессор вихревого расходомера с температурной компенсацией обращается к базе данных свойств пара на основе этих международно признанных стандартных таблиц, интерполируя значения плотности для любой измеренной температуры при указанном рабочем давлении. Для насыщенного пара при постоянном давлении только температура однозначно определяет все термодинамические свойства, включая плотность и удельную энтальпию, поэтому счетчик с температурной компенсацией может обеспечивать как массовый расход, так и поток энергии (в киловаттах или мегаваттах), не требуя датчика давления, при условии, что давление в системе стабильно и хорошо охарактеризовано.

Компенсация давления в вихревых расходомерах: применение и конфигурация

Компенсация давления касается второй основной переменной, влияющей на плотность жидкости при измерении расхода сжимаемой жидкости. Для газов при постоянной температуре плотность прямо пропорциональна абсолютному давлению: сжатый воздух при абсолютном давлении 6 бар примерно в шесть раз превышает плотность того же воздуха при абсолютном давлении 1 бар, что означает, что объемный расход 100 кубических метров в час при абсолютном давлении 6 бар представляет собой примерно 600 кубических метров в час в эквиваленте при стандартных условиях (часто определяемых как 0 градусов Цельсия или 15 градусов Цельсия и 1,01325 бар абсолютного давления). Преобразование фактического объемного расхода в стандартный объемный расход или массовый расход требует знания фактического рабочего давления, которое является функцией системы компенсации давления.

Интеграция датчика давления и обработка сигналов

А вихревой расходомер с компенсацией давления включает в себя датчик абсолютного давления или датчик избыточного давления (с поправкой на атмосферное давление, применяемой в процессоре), установленный либо непосредственно на корпусе расходомера, либо в соседней технологической линии. Сигнал давления подается на тот же сигнальный процессор, который получает сигнал частоты потока, что позволяет процессору рассчитать фактическую плотность газа на основе измеренного давления (а если также измеряется температура, то и на основании давления, и температуры одновременно).

Для применений с перегретым паром для полного определения термодинамического состояния и, следовательно, плотности и энтальпии пара необходимы как температура, так и давление: перегретый пар при заданном давлении может существовать в широком диапазоне температур и плотностей, поэтому ни система компенсации только по температуре, ни система компенсации только по давлению не может обеспечить точное измерение массового расхода во всем рабочем диапазоне. Полностью компенсированный вихревой расходомер с входами как по температуре, так и по давлению является подходящей спецификацией для измерения перегретого пара в любом приложении, где температура процесса и давление изменяются независимо во время работы.

Расчет стандартного объемного расхода сжатых газов

В приложениях по измерению сжатого газа, включая распределение природного газа, мониторинг сжатого воздуха и измерение промышленных технологических газов, требуемая производительность часто выражается в стандартных кубических метрах в час (См3/ч) или нормальных кубических метрах в час (Нм3/ч), а не массовый расход в килограммах в час. Стандартный или нормальный объемный расход представляет собой эквивалентный объем, который газ мог бы занять при определенных исходных условиях (0 градусов Цельсия и 1,01325 бар для обычных кубических метров или 15 градусов Цельсия и 1,01325 бар для стандартных кубических метров). Вихревой расходомер с компенсацией давления и температуры вычисляет этот стандартный объемный выход непосредственно на основе измеренного фактического объемного расхода, измеренной температуры и измеренного давления, применяя закон идеального газа или уравнение состояния реального газа для учета сжимаемости газа. Этот стандартный выходной объем является расчетной суммой за поставку природного газа, основой для расчетов технологического баланса материалов и необходимым выходным сигналом для нормативной отчетности во многих юрисдикциях.

Сравнение конфигураций вихревых расходомеров: когда указывать каждый тип

В следующей таблице приведены три основные конфигурации компенсации вихревых расходомеров, их выходные параметры измерения и области применения, в которых каждая из них является правильным выбором.

Измерение расхода пара: где используются вихревые расходомеры с компенсацией Excel

Измерение расхода пара является одним из наиболее требовательных применений в промышленных приборах для измерения расхода, поскольку пар сочетает в себе сжимаемость газа с фазозависимыми термодинамическими свойствами, которые значительно изменяются как в зависимости от температуры, так и давления, а измерительная система должна работать надежно при повышенных температурах и давлениях в средах, которые являются механически и термически требовательными. Вихревые расходомеры с компенсацией температуры и давления стали предпочтительным решением для измерения расхода пара в энергетике, перерабатывающих отраслях и централизованном теплоснабжении по нескольким причинам, которые отличают их от конкурирующих технологий.

Аdvantages of Swirl Flowmeters Over Vortex Meters for Steam

Как вихревые, так и вихревые счетчики используют определение расхода по частоте и могут быть оснащены компенсацией температуры и давления для измерения пара. Вихревой расходомер имеет несколько практических преимуществ при работе с паром:

• Нижняя минимальная скорость потока: Вихревые расходомеры обеспечивают надежное обнаружение сигнала при более низких скоростях потока, чем вихревые расходомеры, поскольку вихревые колебания имеют большую амплитуду для заданной скорости потока, чем сигнал образования вихря в большинстве конструкций. Это позволяет вихревому измерителю точно измерять параметры пара при низкой нагрузке, что важно в системах отопления, где потребность в паре широко варьируется между режимами полной нагрузки и режимами ожидания.
• Допуск на наличие пробок влажного пара и конденсата: Прочная механическая конструкция корпуса вихревого счетчика без тонкого обтекаемого корпуса, который является важнейшим элементом вихревого счетчика, обеспечивает лучшую устойчивость к условиям влажного пара и случайным пробкам конденсата, которые могут повредить или нарушить более хрупкую перегородку вихревого счетчика.
• Широкий диапазон рабочего давления: Вихревые расходомеры коммерчески доступны для рабочих давлений от 0,1 МПа до 4 МПа и выше, охватывая весь диапазон давлений распределения промышленного пара, от систем отопления низкого давления до технологического пара высокого давления.

Расчет потока энергии с помощью вихревых счетчиков с компенсацией температуры и давления

Если вихревой расходомер с компенсацией температуры и давления установлен в линии подачи пара и известна температура возврата конденсата, счетчик может рассчитывать и суммировать тепловую энергию, подаваемую паровой системой, в режиме реального времени. В расчете используются таблицы свойств пара IAPWS IF97 для определения удельной энтальпии подаваемого пара на основе измеренных температуры и давления, вычитается удельная энтальпия возвращающегося конденсата при его измеренной температуре и умножается разница энтальпии на измеренный массовый расход для получения выходной мощности в киловаттах. Возможность прямого измерения энергии без необходимости использования отдельного счетчика энергии или компьютера расхода делает вихревой расходомер с компенсацией температуры и давления комплексным инструментом управления энергией пара, который сочетает в себе измерение расхода, компенсацию плотности и расчет энергии в одном устройстве, что значительно упрощает контрольно-измерительные приборы, необходимые для соответствия системе энергоменеджмента ISO 50001 и распределения затрат на распределение пара.

Требования к установке и параметры спецификации

Правильная установка вихревого расходомера имеет важное значение для достижения заданной точности, поскольку вихревые расходомеры чувствительны к профилю скорости входящего потока. Неоднородные профили, вызванные входными фитингами, клапанами или изгибами, приводят к ошибкам в частоте колебаний, которые не полностью отражают среднюю скорость потока, что приводит к неточности измерений.

Требования к прямым трубам вверх и вниз по течению

Производители указывают минимальную длину прямой трубы перед и после вихревого расходомера, чтобы гарантировать, что профиль скорости на входе в расходомер полностью развит и не содержит компонентов завихрения, вносимых входными фитингами. Типичные требования составляют от 10 до 20 диаметров прямой трубы на входе и 5 диаметров трубы на выходе, при этом требуется большая прямая длина, когда фитинг на входе представляет собой двойное колено, расположенное вне плоскости, или частично открытый регулирующий клапан. Выпрямители потока могут уменьшить необходимую длину прямых труб, когда ограничения по установке не позволяют полностью удовлетворить требования, предъявляемые к исходному потоку.

Ориентация и дренаж конденсата

При использовании пара счетчик следует устанавливать на горизонтальном участке трубы, где это возможно, чтобы предотвратить накопление конденсата в корпусе счетчика, который может вызвать неустойчивые сигналы расхода и коррозию элементов. Если требуется вертикальная установка, поток пара должен быть направлен вверх через расходомер, чтобы обеспечить гравитационный отвод конденсата из измерительной секции. Пароотделитель после счетчика обеспечивает отвод конденсата и предотвращает затопление зоны измерения накопленным конденсатом.

Ключевые параметры спецификации для выбора вихревого расходомера

При выборе вихревого расходомера необходимо определить следующие параметры, чтобы обеспечить выбор правильной модели для конкретного применения:

1. Тип жидкости: Жидкость, газ или пар (насыщенный или перегретый), поскольку это определяет требуемый уровень компенсации, выбор смачиваемого материала и применимую базу данных свойств жидкости.
2. Диапазон рабочего давления: Минимальное и максимальное давление процесса, которое определяет номинальное давление корпуса расходомера и диапазон датчика давления в компенсированных моделях.
3. Диапазон рабочих температур: Минимальная и максимальная температура процесса, которая определяет температурный диапазон материалов измерителя и датчика.
4. Диапазон расхода: Минимальный и максимальный расход, которые определяют требуемый размер расходомера и подтверждают, что желаемый диапазон расхода находится в пределах указанного диапазона чисел Рейнольдса и динамического диапазона расходомера.
5. Требуемый вывод: Только объемный расход, массовый расход, стандартный объемный расход или расход энергии, который определяет необходимую конфигурацию компенсации.
6. Технологическое присоединение: Диаметр трубы, номинальное давление и стандарт фланца (ASME, EN, JIS), необходимые для места установки.
7. Выходной сигнал: Импульсный выход для суммирования, аналоговый сигнал от 4 до 20 мА для расхода, HART, Modbus или PROFIBUS для цифровой связи с системой управления установкой.

Вихревой расходомер в различных конфигурациях компенсации представляет собой надежное, точное и практически универсальное решение для измерения расхода в различных приложениях: от простого измерения жидкости до жестких требований учета энергии пара в программах управления промышленной энергией. Выбор между базовой конфигурацией, конфигурацией с температурной компенсацией, компенсацией давления и полной компенсацией зависит не от предпочтений бюджета, а от правильного соответствия измерительного устройства реальным физическим условиям технологической жидкости, что является единственным подходом, обеспечивающим точность и надежность, необходимые для измерения расхода в приложениях управления энергетикой и технологическими процессами.