Gids voor Vortex-flowmeters: druk- en temperatuurcompensatie

Een vortex-flowmeter meet de volumetrische stroming door de frequentie te detecteren van wervels die worden uitgestoten door een stomp lichaam dat in de stroomstroom is geplaatst - een principe dat bekend staat als het von Kármán-effect. Voor toepassingen met stoom, gecomprimeerd gas of welke vloeistof dan ook waarbij de dichtheid aanzienlijk verenert afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden, is een standaard vortex-flowmeter op zichzelf onvoldoende. Varianten voor drukcompensatie en temperatuurcompensatie integreren extra sensoren rechtstreeks in het meterlichaam om de massastroom of gecorrigeerde volumestroom in realtime te berekenen, waardoor de noodzaak voor externe instrumentatie en handmatige correctieberekeningen wordt geëlimineerd. Het kiezen van de juiste configuratie hangt af van uw vloeistoftype, de vereiste nauwkeurigheid en of druk, temperatuur of beide variëren tijdens normaal gebruik.

Hoe een Vortex-flowmeter werkt

Het werkingsprincipe van een Vortex-debietmeter is gebaseerd op een bekend vloeistofdynamisch fenomeen. Wanneer vloeistof langs een niet-gestroomlijnde obstructie stroomt - een zogenaamde bluff body ofshedder bar - worden aan elke kant van het lichaam afwisselende wervels gegenereerd in een regelmatig, herhalend patroon. Dit patroon wordt een von Kármán-vortexstraat genoemd.

De frequentie waarmee deze wervels worden uitgestoten is direct evenredig met de vloeistofsnelheid, uitgedrukt door de Strouhal-relatie:

f = St × V / d

Waar f is de vortex-uitwerpfrequentie, St is het dimensieloze Strouhal-getal (typisch 0,17–0,21 voor de meeste bluflichaamsontwerpen), V is de vloeistofsnelheid, en d is de breedte van het bluflichaam. Omdat het Strouhalgetal vrijwel constant blijft over een breed bereik van het Reynoldsgetal, dient de vortexfrequentie als een betrouwbare, lineaire indicator van de stroomsnelheid.

Detectiemethoden

De wervels creëren oscillerende drukschommelingen die worden gedetecteerd door een van de verschillende detectietechnologieën die in of nabij het rotslichaam zijn ingebed:

• Piëzo-elektrische sensoren : Het meest voorkomende type. Een piëzo-elektrisch kristal genereert een klein spanningssignaal als reactie op de oscillerende kracht van elke vortex. Deze sensoren hebben geen bewegende delen en zijn zeer betrouwbaar in de stoom- en gassector.
• Capaciteit sensoren : Detecteer het drukverschil veroorzaakt door wervels met behulp van een flexibel membraan. Minder gevoelig voor trillingsinterferentie dan sommige piëzo-elektrische ontwerpen.
• Ultrasone sensoren : Sommige geavanceerde ontwerpen maken gebruik van ultrasone stralen die over de pijpboring worden gericht om door wervelingen veroorzaakte snelheidsschommelingen te detecteren, waardoor niet-intrusieve metingen mogelijk zijn.

Ongeacht de detectiemethode is de output van een basisvortexflowmeter a frequentie-pulssignaal proportioneel aan de volumestroom . Om dit om te zetten in massastroom of gestandaardiseerde volumetrische stroming is kennis van de vloeistofdichtheid vereist – en dat is waar compensatievarianten essentieel worden.

Waarom compensatie nodig is voor nauwkeurige flowmeting

De pulsuitgang van een vortexflowmeter weerspiegelt de daadwerkelijke volumetrische stroom onder bedrijfsomstandigheden: het werkelijke volume dat op dat moment door de meter gaat. Voor veel vloeistoftoepassingen waarbij de dichtheid relatief stabiel is, is dit voldoende. Maar voor gassen, stoom en superkritische vloeistoffen , de relatie tussen volumetrische stroming en massastroom is zeer gevoelig voor zowel druk als temperatuur.

Overweeg verzadigde stoom bij twee verschillende drukken:

• Bij 5 bar (absoluut) , verzadigde stoom heeft een dichtheid van ongeveer 2,67kg/m³
• Bij 10 bar (absoluut) , stijgt de verzadigde stoomdichtheid tot ongeveer 5,16kg/m³

Dezelfde volumetrische stroomwaarde onder deze twee omstandigheden vertegenwoordigt bijna tweemaal de massastroom bij 10 bar vergeleken met 5 bar. Zonder rekening te houden met dit dichtheidsverschil, zou een facturatie- of procescontrolesysteem voor stoomenergie dat uitsluitend op de volumetrische output is gebaseerd, fouten met zich meebrengen die groter zijn dan de omvang 30–50% onder variabele drukomstandigheden. Compensatie pakt dit direct aan door realtime druk- en/of temperatuurgegevens in de flowcomputer in te voeren om continu gecorrigeerde waarden te berekenen.

Drukcompensatie Vortex-flowmeter

A drukcompensatie vortex-flowmeter integreert een druktransmitter - meestal een piëzoresistieve of capacitieve druksensor - in het meterhuis naast het vortexdetectie-element. De interne flowcomputer gebruikt de live drukmeting naast de gemeten vortexfrequentie om de vloeistofdichtheid te berekenen op basis van vooraf geladen eigenschappentabellen, en leidt vervolgens in realtime de massastroom of gecorrigeerde volumetrische stroom af.

Wanneer alleen drukcompensatie voldoende is

Drukcompensatie is geschikt – en voldoende – als de vloeistoftemperatuur constant is of als constant kan worden aangenomen binnen een aanvaardbare tolerantie. Het meest voorkomende scenario is verzadigde stoomservice : omdat verzadigde stoom bestaat bij een vaste temperatuur voor elke gegeven druk, definieert het meten van de druk alleen de thermodynamische toestand van de vloeistof volledig. Er is geen aparte temperatuurmeting nodig om de dichtheid te bepalen.

Bijkomende geschikte toepassingen zijn onder meer:

• Persluchtsystemen waarbij de aanvoertemperatuur relatief stabiel is, maar de lijndruk varieert naarmate de compressor in bedrijf is
• Distributie van stikstof of inert gas bij omgevingstemperatuur met variabele verzameldruk
• Aardgasmeting waarbij de temperatuurvariatie bescheiden is (binnen ±10°C van een referentiewaarde)

Typische specificaties

De meeste drukcompensatie-vortex-flowmeters op de markt zijn voorzien van geïntegreerde druksensoren die geschikt zijn voor: 0–4 MPa of 0–10 MPa , doorgaans met nauwkeurigheid van de drukmeting ±0,5% FS . De gecombineerde debietmeetonzekerheid na compensatie ligt doorgaans in het bereik van ±1,0–1,5% meetwaarde voor stoom en gas, vergeleken met ±0,5–1,0% voor alleen het vortexelement dat de volumetrische stroming in vloeistoffen meet.

Temperatuurcompensatie Vortex-flowmeter

A temperatuurcompensatie vortex-flowmeter integreert een weerstandstemperatuurdetector (RTD) - meestal a Pt100 of Pt1000 klasse A-sensor — in de meter of de directe stroomopwaartse/stroomafwaartse begeleidende fitting. Het temperatuursignaal voedt dezelfde interne stromingscomputer, die gegevens over vloeistofeigenschappen gebruikt om de dichtheid af te leiden en de massa of gecorrigeerde stroming te berekenen.

Wanneer alleen temperatuurcompensatie wordt gebruikt

Compensatie op basis van alleen temperatuur is minder gebruikelijk dan compensatie op basis van alleen druk of gecombineerde compensatie, maar heeft legitieme toepassingen:

• Vloeistofstroom bij constante druk maar variabele temperatuur : Warmwatercircuits, thermische oliesystemen en koelwatercircuits waarbij de leidingdruk wordt geregeld, maar de temperatuur varieert afhankelijk van de procesbelasting
• Gasstroom bij bekende stabiele toevoerdruk : Wanneer een drukregelaar de stroomopwaartse druk stevig vasthoudt, maar de omgevings- of procestemperatuur per seizoen of per dag varieert
• Bewaring van gassen bij gereguleerde druk : Waar de druk wordt vastgelegd door contract of regeling en alleen de temperatuur actieve monitoring nodig heeft

RTD-plaatsing en responstijd

De RTD wordt doorgaans geïnstalleerd in een thermowell 3–5 leidingdiameters stroomafwaarts van het lichaam van de vortexmeter om verstoring van het stromingsprofiel op het meetpunt te voorkomen. Het ontwerp van de thermowell is belangrijk: een thermowell met dikke wanden vergroot de thermische vertraging, wat tijdelijke fouten kan veroorzaken tijdens snelle temperatuurveranderingen. Voor processen met snelle temperatuurschommelingen is a thermowell met verminderde tip of snelle respons met een responstijd van minder dan 5 seconden wordt aanbevolen.

Gecombineerde druk- en temperatuurcompensatie Vortex-flowmeter

De meest capabele en breed gespecificeerde variant integreert zowel druk- als temperatuursensoren in één metersamenstel. Met gelijktijdige toegang tot beide variabelen kan de interne stromingscomputer de volledige toestandsvergelijking voor de vloeistof toepassen – en dat levert op echte massastroomberekening zonder enige aannames over de bedrijfsomstandigheden .

Deze configuratie is verplicht voor:

• Oververhitte stoom : In tegenstelling tot verzadigde stoom bestaat oververhitte stoom bij temperaturen boven de verzadigingscurve voor een gegeven druk. Zowel de druk als de temperatuur zijn onafhankelijk variabel en moeten beide worden gemeten om de dichtheid uit stoomtabellen te bepalen.
• Bewaring van aardgas : AGA (American Gas Association) en ISO-normen voor aardgasmetingen vereisen correctie van de basisomstandigheden met behulp van zowel druk als temperatuur
• Variabele procesgassen : Gemengde gasstromen, biogas of procesafgas waarbij zowel de samenstelling als de bedrijfsomstandigheden fluctueren
• Stoomenergiemeting voor facturering of toewijzing : Waar de BTU- of kJ-uitvoer nauwkeurig moet worden berekend onder veranderende belastingsomstandigheden

Fabrikanten zoals Yokogawa (digitalYEWFLO-serie), Endress Hauser (Prowirl F 200) en Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) bieden volledig geïntegreerde multivariabele vortexflowmeters die de vortexfrequentie, druk en temperatuur meten in een enkele procesverbinding, waarbij de massastroom rechtstreeks via HART-, FOUNDATION Fieldbus- of Modbus-protocollen wordt uitgevoerd.

Vergelijking: standaard versus gecompenseerde Vortex-flowmeters

Installatievereisten die de nauwkeurigheid beïnvloeden

Ongeacht de compensatieconfiguratie zijn vortexflowmeters gevoelig voor vervormingen van het stromingsprofiel veroorzaakt door de stroomopwaartse leidinggeometrie. Voor het bereiken van de nominale nauwkeurigheid kan niet worden onderhandeld over het voldoen aan de straight-run-vereisten.

Vereisten voor stroomopwaartse en stroomafwaartse rechte buizen

De volgende straight-run-vereisten zijn van toepassing op de meeste vortex-flowmeters onder standaard installatieomstandigheden. De werkelijke vereisten variëren per fabrikant en meterontwerp:

Trillings- en pulsatiegevoeligheid

Vortex-flowmeters zijn inherent gevoelig voor mechanische trillingen omdat hun sensoren oscillerende krachten detecteren. Pijpleidingtrillingen bij frequenties die dicht bij de vortex-uitwerpfrequentie liggen, kunnen dit veroorzaken valse pulsen, signaaluitval of onregelmatige metingen . De meeste moderne digitale signaalprocessors bevatten adaptieve filtering om onderscheid te maken tussen vortexsignalen en trillingsruis, maar omgevingen met ernstige trillingen – in de buurt van compressoren, pompen of stoomturbines – moeten zorgvuldig worden geëvalueerd. Het monteren van de meter op een trillingsgeïsoleerd spoelstuk of het verder van de trillingsbron verplaatsen zijn praktische herstelstrategieën.

Overwegingen voor stroombereik en minimale stroom

Elke vortex-flowmeter heeft doorgaans een minimaal meetbare stroomsnelheid 0,5–1,0 m/s voor vloeistoffen and 3–5 m/s voor gassen en stoom — waaronder de vortex-afscheiding onregelmatig wordt en het signaal onbetrouwbaar wordt. Deze lagere drempel wordt vaak de afsnijsnelheid of minimaal detecteerbare stroom genoemd. Beneden dit punt geeft de meter nul weer, ongeacht de werkelijke stroom, waarmee rekening moet worden gehouden in toepassingen met brede turndown-eisen.

De praktische turndown-ratio voor de meeste vortexmeters is 10:1 tot 20:1 , vergeleken met 100:1 of meer voor Coriolis of magnetische flowmeters. Voor stoomsystemen die regelmatig op lage belasting werken, bijvoorbeeld tijdens het opstarten van de installatie of 's nachts, kan deze beperking aanzienlijke meetverschillen veroorzaken, tenzij de meter conservatief is gedimensioneerd voor de maximaal verwachte stroom in plaats van voor het gemiddelde.

Een handige maatregel: selecteer een metermaat waarbij de de normale bedrijfsstroomsnelheid ligt tussen 3 en 15 m/s voor gas/stoom en tussen 1 en 7 m/s voor vloeistoffen. Dit zorgt ervoor dat het werkpunt ruim binnen het lineaire bereik blijft, terwijl er ruimte overblijft voor stroompieken.

De juiste Vortex-flowmeterconfiguratie selecteren

Gebruik de volgende beslissingscriteria om de juiste vortex-flowmetervariant voor uw toepassing te identificeren:

1. Identificeer uw vloeistoffase en variabiliteit : Vloeistof onder stabiele omstandigheden → standaardvortex. Verzadigde stoom of gas met variabele druk → drukcompensatie. Oververhitte stoom, aardgas of welk gas dan ook met zowel druk- als temperatuurvariatie → gecombineerde P T-compensatie.
2. Bepaal of massastroom of volumetrische stroom vereist is : Energiefacturering, overdracht van bewaring en controle van de verbranding vereisen doorgaans een massastroom. Voor het vullen van tanks of het batchen van processen is mogelijk alleen een volumetrische stroom nodig, in welk geval een standaard- of enkelvoudige compensatiemeter kan volstaan.
3. Controleer het Reynoldsgetal bij minimaal debiet : Vortexmeters vereisen een minimaal Reynoldsgetal van ongeveer Re = 20.000 voor een betrouwbare vervelling. Voor viskeuze vloeistoffen of omstandigheden met een zeer laag debiet is deze drempel mogelijk niet haalbaar en moet een alternatieve technologie worden overwogen.
4. Beoordeel de installatieomgeving : Hoge trillingen, pulserende stroming of onvoldoende rechte doorgang kunnen een andere metertechnologie of aanzienlijke leidingaanpassingen vereisen voordat vortexmeting haalbaar is.
5. Evalueer de communicatie- en integratievereisten : Gecompenseerde vortexmeters voeren meerdere procesvariabelen uit. Controleer of het besturingssysteem of de data-acquisitie-infrastructuur het uitvoerprotocol van de meter ondersteunt (HART, Profibus of FOUNDATION Fieldbus) voordat u een multivariabele eenheid specificeert.

Voor de meeste toepassingen voor het meten van stoomenergie – die het grootste gebruiksscenario voor gecompenseerde vortexstroommeters vertegenwoordigen – is een gecombineerde druk- en temperatuurcompensatie-eenheid de juiste specificatie. De marginale kosten ten opzichte van een model met alleen druk zijn bescheiden, terwijl de nauwkeurigheidsverbetering voor oververhitte stoom aanzienlijk is en vaak vereist is door normen voor energiebeheer op locatie, zoals ISO 50001.