Hướng dẫn đo lưu lượng dòng xoáy: Bù áp suất và nhiệt độ

Lưu lượng kế xoáy đo lưu lượng thể tích bằng cách phát hiện tần số của các xoáy tạo ra bởi một khối vô tội vạ được đặt trong dòng chảy - một nguyên lý được gọi là hiệu ứng von Kármán. Đối với các ứng dụng liên quan đến hơi nước, khí nén hoặc bất kỳ chất lỏng nào có mật độ thay đổi đáng kể theo điều kiện vận hành, thì chỉ riêng lưu lượng kế xoáy tiêu chuẩn là không đủ. Các biến thể bù áp suất và bù nhiệt độ tích hợp các cảm biến bổ sung trực tiếp vào thân đồng hồ để tính toán lưu lượng khối lượng hoặc lưu lượng thể tích đã hiệu chỉnh trong thời gian thực, loại bỏ nhu cầu sử dụng thiết bị bên ngoài và tính toán hiệu chỉnh thủ công. Việc chọn cấu hình phù hợp tùy thuộc vào loại chất lỏng của bạn, độ chính xác cần thiết và liệu áp suất, nhiệt độ hay cả hai có thay đổi trong quá trình hoạt động bình thường hay không.

Máy đo lưu lượng dòng xoáy hoạt động như thế nào

Nguyên lý hoạt động của một lưu lượng kế xoáy dựa trên một hiện tượng động lực học chất lỏng đã được xác lập rõ ràng. Khi chất lỏng chảy qua một vật cản không được sắp xếp hợp lý - được gọi là vật thể vô tội vạ hoặc thanh đổ - các dòng xoáy xen kẽ được tạo ra ở mỗi bên của vật thể theo kiểu lặp đi lặp lại đều đặn. Mô hình này được gọi là đường xoáy von Kármán.

Tần số mà các xoáy này thoát ra tỷ lệ thuận với vận tốc chất lỏng, được biểu thị bằng mối quan hệ Strouhal:

f = St × V / d

Ở đâu f là tần số đổ xoáy, St là số Strouhal không thứ nguyên (thường 0,17–0,21 cho hầu hết các thiết kế cơ thể vô tội vạ), V là vận tốc chất lỏng và d là chiều rộng của thân bluff. Bởi vì số Strouhal gần như không đổi trong phạm vi số Reynolds rộng, tần số xoáy đóng vai trò là chỉ báo tuyến tính, đáng tin cậy về tốc độ dòng chảy.

Phương pháp phát hiện

Các xoáy tạo ra các dao động áp suất dao động được phát hiện bởi một trong một số công nghệ cảm biến được nhúng trong hoặc gần phần thân vô tội vạ:

• Cảm biến áp điện : Loại phổ biến nhất. Một tinh thể áp điện tạo ra tín hiệu điện áp nhỏ để đáp ứng với lực dao động từ mỗi xoáy. Những cảm biến này không có bộ phận chuyển động và có độ tin cậy cao trong dịch vụ hơi nước và khí đốt.
• Cảm biến điện dung : Phát hiện sự chênh lệch áp suất do xoáy tạo ra bằng màng ngăn linh hoạt. Ít bị nhiễu rung hơn một số thiết kế áp điện.
• Cảm biến siêu âm : Một số thiết kế tiên tiến sử dụng chùm tia siêu âm hướng qua lỗ ống để phát hiện sự dao động vận tốc do dòng xoáy gây ra, cho phép đo mà không xâm nhập.

Bất kể phương pháp phát hiện nào, đầu ra của lưu lượng kế xoáy cơ bản là tín hiệu xung tần số tỷ lệ thuận với tốc độ dòng thể tích . Việc chuyển đổi điều này thành lưu lượng khối hoặc lưu lượng thể tích tiêu chuẩn hóa đòi hỏi kiến ​​thức về mật độ chất lỏng - đó là lúc các biến thể bù trở nên cần thiết.

Tại sao cần bù đắp để đo lưu lượng chính xác

Đầu ra xung của lưu lượng kế xoáy phản ánh lưu lượng thể tích thực tế ở điều kiện vận hành - thể tích thực đi qua đồng hồ đo tại thời điểm đó. Đối với nhiều ứng dụng chất lỏng có mật độ tương đối ổn định, điều này là đủ. Nhưng đối với chất khí, hơi nước và chất lỏng siêu tới hạn , mối quan hệ giữa lưu lượng thể tích và lưu lượng khối rất nhạy cảm với cả áp suất và nhiệt độ.

Xét hơi bão hòa ở hai áp suất khác nhau:

• Tại 5 bar (tuyệt đối) , hơi nước bão hòa có mật độ xấp xỉ 2,67 kg/m³
• Tại 10 bar (tuyệt đối) , mật độ hơi bão hòa tăng lên xấp xỉ 5,16 kg/m³

Số đọc lưu lượng thể tích giống nhau ở hai điều kiện này thể hiện gần gấp đôi lưu lượng khối ở mức 10 bar so với 5 bar. Nếu không tính đến sự khác biệt về mật độ này, hệ thống kiểm soát quy trình hoặc thanh toán năng lượng hơi nước chỉ dựa trên sản lượng thể tích sẽ có sai số vượt quá 30–50% trong điều kiện áp suất thay đổi. Việc bù trực tiếp giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp dữ liệu áp suất và/hoặc nhiệt độ theo thời gian thực vào máy tính lưu lượng để tính toán các giá trị đã hiệu chỉnh một cách liên tục.

Đồng hồ đo lưu lượng xoáy bù áp

A lưu lượng kế xoáy bù áp tích hợp một bộ truyền áp suất - thường là cảm biến áp suất loại điện trở hoặc điện dung - vào thân máy đo cùng với bộ phận phát hiện dòng xoáy. Máy tính lưu lượng bên trong sử dụng số liệu áp suất trực tiếp cùng với tần số xoáy đo được để tính toán mật độ chất lỏng từ các bảng thuộc tính được tải sẵn, sau đó tính toán lưu lượng khối lượng hoặc lưu lượng thể tích đã hiệu chỉnh trong thời gian thực.

Khi chỉ cần bù áp là đủ

Việc bù áp suất là phù hợp - và đủ - khi nhiệt độ chất lỏng không đổi hoặc có thể được coi là không đổi trong phạm vi dung sai chấp nhận được. Kịch bản phổ biến nhất là dịch vụ hơi bão hòa : Bởi vì hơi bão hòa tồn tại ở nhiệt độ cố định đối với bất kỳ áp suất nhất định nào, chỉ riêng việc đo áp suất đã xác định đầy đủ trạng thái nhiệt động của chất lỏng. Không cần đo nhiệt độ riêng biệt để xác định mật độ.

Các ứng dụng phù hợp bổ sung bao gồm:

• Hệ thống khí nén có nhiệt độ cung cấp tương đối ổn định nhưng áp suất đường ống thay đổi theo chu kỳ máy nén
• Phân phối khí nitơ hoặc khí trơ ở nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường xung quanh với áp suất đầu thay đổi
• Đo khí tự nhiên trong đó sự thay đổi nhiệt độ ở mức khiêm tốn (trong khoảng ±10°C so với giá trị tham chiếu)

Thông số kỹ thuật điển hình

Hầu hết các lưu lượng kế xoáy bù áp trên thị trường đều có cảm biến áp suất tích hợp được đánh giá là 0–4 MPa hoặc 0–10 MPa , với độ chính xác đo áp suất thường ±0,5% FS . Độ không đảm bảo đo của phép đo lưu lượng kết hợp sau khi bù nhìn chung nằm trong khoảng ±1,0–1,5% chỉ số hơi nước và khí, so với ±0,5–1,0% đối với riêng phần tử xoáy đo lưu lượng thể tích trong chất lỏng.

Đồng hồ đo lưu lượng xoáy bù nhiệt độ

A lưu lượng kế xoáy bù nhiệt độ tích hợp máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) - phổ biến nhất là Cảm biến Pt100 hoặc Pt1000 loại A - vào đồng hồ hoặc đầu nối đồng hành phía dòng vào/hạ lưu ngay lập tức của nó. Tín hiệu nhiệt độ cung cấp cho cùng một máy tính lưu lượng bên trong, sử dụng dữ liệu thuộc tính chất lỏng để suy ra mật độ và tính toán khối lượng hoặc lưu lượng đã hiệu chỉnh.

Khi chỉ sử dụng bù nhiệt độ

Bù chỉ nhiệt độ ít phổ biến hơn bù chỉ áp suất hoặc bù kết hợp, nhưng có các ứng dụng hợp pháp:

• Dòng chất lỏng ở áp suất không đổi nhưng nhiệt độ thay đổi : Mạch nước nóng, hệ thống dầu truyền nhiệt và vòng nước làm mát nơi áp suất đường ống được điều chỉnh nhưng nhiệt độ thay đổi theo tải của quy trình
• Dòng khí ở áp suất cung cấp ổn định đã biết : Khi bộ điều áp giữ chặt áp suất đầu nguồn nhưng nhiệt độ môi trường hoặc quá trình thay đổi theo mùa hoặc theo ngày
• Lưu ký chuyển khí ở áp suất quy định : Khi áp suất được cố định theo hợp đồng hoặc quy định và chỉ cần theo dõi nhiệt độ

Vị trí RTD và thời gian phản hồi

RTD thường được lắp đặt ở vị trí giếng nhiệt Đường kính ống 3–5 ở hạ lưu của thân máy đo dòng xoáy để tránh làm ảnh hưởng đến biên dạng dòng chảy tại điểm đo. Vấn đề quan trọng trong thiết kế giếng nhiệt: giếng nhiệt có thành dày làm tăng độ trễ nhiệt, điều này có thể gây ra các lỗi nhất thời khi nhiệt độ thay đổi nhanh chóng. Đối với các quy trình có sự thay đổi nhiệt độ nhanh, giếng nhiệt giảm đầu hoặc phản ứng nhanh với thời gian phản hồi dưới 5 giây được khuyến nghị.

Đồng hồ đo lưu lượng xoáy bù áp suất và nhiệt độ kết hợp

Biến thể có khả năng nhất và được chỉ định rộng rãi tích hợp cả cảm biến áp suất và nhiệt độ vào một cụm đồng hồ đo duy nhất. Với quyền truy cập đồng thời vào cả hai biến, máy tính dòng chảy bên trong có thể áp dụng phương trình trạng thái đầy đủ cho chất lỏng - mang lại tính toán lưu lượng khối thực mà không có bất kỳ giả định nào về điều kiện vận hành .

Cấu hình này là bắt buộc đối với:

• Hơi nước quá nhiệt : Không giống như hơi bão hòa, hơi quá nhiệt tồn tại ở nhiệt độ trên đường cong bão hòa đối với bất kỳ áp suất nhất định nào. Cả áp suất và nhiệt độ đều có thể thay đổi độc lập và phải được đo để xác định mật độ từ bảng hơi nước.
• Chuyển nhượng quyền giám hộ khí đốt tự nhiên : Các tiêu chuẩn AGA (Hiệp hội Khí đốt Hoa Kỳ) và ISO để đo lường khí tự nhiên yêu cầu hiệu chỉnh các điều kiện cơ bản bằng cả áp suất và nhiệt độ
• Khí quá trình biến đổi : Dòng khí hỗn hợp, khí sinh học hoặc khí thải xử lý có thành phần và điều kiện vận hành đều biến động
• Đo năng lượng hơi nước để thanh toán hoặc phân bổ : Trong đó đầu ra BTU hoặc kJ phải được tính toán chính xác trong các điều kiện tải thay đổi

Các nhà sản xuất như Yokogawa (dòng YEWFLO kỹ thuật số), Endress Hauser (Prowirl F 200) và Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) cung cấp lưu lượng kế xoáy đa biến tích hợp đầy đủ để đo tần số xoáy, áp suất và nhiệt độ trong một kết nối quy trình duy nhất, xuất ra lưu lượng khối trực tiếp thông qua các giao thức HART, FOUNDATION Fieldbus hoặc Modbus.

So sánh: Lưu lượng kế xoáy tiêu chuẩn và bù

Yêu cầu cài đặt ảnh hưởng đến độ chính xác

Bất kể cấu hình bù nào, lưu lượng kế xoáy đều nhạy cảm với biến dạng biên dạng dòng chảy do hình dạng đường ống phía dòng vào gây ra. Việc đáp ứng các yêu cầu ngay lập tức là không thể thương lượng để đạt được độ chính xác được đánh giá.

Yêu cầu về ống thẳng thượng nguồn và hạ lưu

Các yêu cầu chạy thẳng sau đây áp dụng cho hầu hết các lưu lượng kế dạng xoáy trong điều kiện lắp đặt tiêu chuẩn. Yêu cầu thực tế khác nhau tùy theo nhà sản xuất và thiết kế đồng hồ:

Độ nhạy rung và xung

Lưu lượng kế dạng xoáy vốn dễ bị rung cơ học vì cảm biến của chúng phát hiện các lực dao động. Sự rung động của đường ống ở tần số gần với tần số đổ xoáy có thể gây ra xung sai, mất tín hiệu hoặc đọc thất thường . Hầu hết các bộ xử lý tín hiệu số hiện đại đều bao gồm tính năng lọc thích ứng để phân biệt giữa tín hiệu xoáy và nhiễu rung, nhưng môi trường rung động khắc nghiệt — gần máy nén, máy bơm hoặc tua bin hơi nước — cần được đánh giá cẩn thận. Gắn đồng hồ đo trên một đoạn ống cách ly rung hoặc di dời nó ra xa nguồn rung là những chiến lược khắc phục thực tế.

Phạm vi dòng chảy và cân nhắc dòng chảy tối thiểu

Mỗi lưu lượng kế xoáy đều có tốc độ dòng chảy tối thiểu có thể đo được - thường 0,5–1,0 m/s đối với chất lỏng và 3–5 m/s đối với khí và hơi nước - dưới mức đó sự phân tán xoáy trở nên không đều và tín hiệu không đáng tin cậy. Ngưỡng thấp hơn này thường được gọi là vận tốc cắt hoặc lưu lượng tối thiểu có thể phát hiện được. Dưới điểm này, đồng hồ xuất ra số 0 bất kể lưu lượng thực tế như thế nào, điều này phải được tính đến trong các ứng dụng có yêu cầu giảm dòng điện rộng.

Tỷ lệ quay vòng thực tế cho hầu hết các máy đo xoáy là 10:1 đến 20:1 , so với 100:1 hoặc cao hơn đối với Coriolis hoặc lưu lượng kế từ tính. Đối với hệ thống hơi nước thường xuyên hoạt động ở mức tải thấp - ví dụ, trong quá trình khởi động nhà máy hoặc qua đêm - hạn chế này có thể gây ra những khoảng trống đo đáng kể trừ khi đồng hồ có kích thước phù hợp cho lưu lượng dự kiến ​​tối đa thay vì trung bình.

Một quy tắc định cỡ hữu ích: chọn kích thước mét trong đó tốc độ dòng chảy hoạt động bình thường rơi vào khoảng từ 3 đến 15 m/s đối với khí/hơi nước và 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.

Chọn cấu hình lưu lượng kế xoáy phù hợp

Sử dụng các tiêu chí quyết định sau để xác định biến thể lưu lượng kế xoáy thích hợp cho ứng dụng của bạn:

1. Xác định pha chất lỏng và sự biến thiên của bạn : Chất lỏng ở điều kiện ổn định → xoáy tiêu chuẩn. Hơi hoặc khí bão hòa có áp suất thay đổi → bù áp suất. Hơi quá nhiệt, khí tự nhiên hoặc bất kỳ loại khí nào có cả sự thay đổi áp suất và nhiệt độ → bù P T kết hợp.
2. Xác định xem cần lưu lượng khối hay lưu lượng thể tích : Thanh toán năng lượng, chuyển giao quyền giám sát và kiểm soát quá trình đốt cháy thường yêu cầu dòng chảy lớn. Đổ đầy bể hoặc trộn quy trình có thể chỉ cần lưu lượng thể tích, trong trường hợp đó một đồng hồ bù tiêu chuẩn hoặc đơn có thể đủ.
3. Kiểm tra số Reynolds ở lưu lượng tối thiểu : Máy đo độ xoáy yêu cầu số Reynolds tối thiểu xấp xỉ Lại = 20.000 để đổ lông đáng tin cậy. Đối với chất lỏng nhớt hoặc điều kiện dòng chảy rất thấp, ngưỡng này có thể không đạt được và cần xem xét công nghệ thay thế.
4. Đánh giá môi trường cài đặt : Độ rung cao, dòng chảy dao động hoặc chạy thẳng không đủ có thể yêu cầu công nghệ đồng hồ khác hoặc sửa đổi đường ống đáng kể trước khi đo xoáy.
5. Đánh giá yêu cầu giao tiếp và tích hợp : Máy đo xoáy bù tạo ra nhiều biến số quy trình. Xác nhận rằng hệ thống điều khiển hoặc cơ sở hạ tầng thu thập dữ liệu hỗ trợ giao thức đầu ra của máy đo — HART, Profibus hoặc FOUNDATION Fieldbus — trước khi chỉ định đơn vị nhiều biến.

Đối với phần lớn các ứng dụng đo năng lượng hơi nước - đại diện cho trường hợp sử dụng lớn nhất cho lưu lượng kế xoáy bù - bộ bù áp suất và nhiệt độ kết hợp là thông số kỹ thuật chính xác. Chi phí cận biên so với mô hình chỉ áp suất là khiêm tốn, trong khi cải thiện độ chính xác cho dịch vụ hơi nước quá nhiệt là đáng kể và thường được yêu cầu bởi các tiêu chuẩn quản lý năng lượng tại địa điểm như ISO 50001.