Lưu lượng kế xoáy là gì và nó hoạt động như thế nào?

Dòng xoáy là gì: Vật lý đằng sau lưu lượng kế dòng xoáy

dòng xoáy là gì trong bối cảnh đo lường dòng chảy? Nó đề cập đến hiện tượng đổ xoáy, một hiệu ứng cơ học chất lỏng xảy ra khi một dòng chất lỏng gặp một vật thể vô tội vạ (không được sắp xếp hợp lý). Chất lỏng chảy không thể đi theo những đường viền sắc nét của phần thân vô tội vạ, tách ra khỏi bề mặt của nó và tạo thành các xoáy xen kẽ theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ thoát ra từ hai bên của phần thân theo kiểu đều đặn, lặp đi lặp lại. Mô hình xoáy xen kẽ này được gọi là đường xoáy Karman, được đặt theo tên của nhà vật lý người Mỹ gốc Hungary cácodore von Kármán, người đã mô tả toán học về hiện tượng này vào đầu thế kỷ XX.

Số Strouhal: Tại sao tần số xoáy bằng vận tốc dòng chảy

Mối quan hệ vật lý quan trọng giúp cho việc tách dòng xoáy trở nên hữu ích cho việc đo dòng chảy là mối quan hệ Strouhal. Đối với một hình dạng khối lồi nhất định trong một đường ống nhất định, tỷ lệ giữa tần số xoáy (f) với vận tốc chất lỏng (V) chia cho kích thước đặc trưng của khối khối (d) là một hằng số không thứ nguyên được gọi là số Strouhal (St):

St = f × d -> V

Đối với thân máy đo lưu lượng xoáy được thiết kế tốt, số Strouhal là không đổi trong phạm vi số Reynolds khoảng 10.000 đến 4.000.000 , nghĩa là tần số phóng điện tỷ lệ thuận với vận tốc trên phạm vi rộng này. Sắp xếp lại mối quan hệ Strouhal cho:

f = St × V -> d

Vì St và d được cố định đối với thân đồng hồ cho trước, việc đo tần số f trực tiếp sẽ cho ra vận tốc V, và nhân với diện tích mặt cắt ống đã biết sẽ cho ra tốc độ dòng thể tích. Đây là toàn bộ nguyên tắc hoạt động của một Lưu lượng kế xoáy : đếm xoáy, tính vận tốc, tính thể tích. Máy đo hệ số K (xung trên một đơn vị thể tích) mã hóa số Strouhal kết hợp và hình dạng ống thành một hằng số hiệu chuẩn duy nhất chuyển đổi số xung thô thành tốc độ dòng chảy trong thiết bị điện tử của máy phát.

Cách phát hiện các xoáy: Công nghệ cảm biến

Sự dao động áp suất xen kẽ được tạo ra bởi các dòng xoáy bị bong ra là nhỏ (thường là 0,1 đến 10% áp suất dòng ) nhưng có thể đo lường được. thương mại Lưu lượng kế xoáy thiết kế sử dụng một số công nghệ cảm biến để phát hiện những biến động áp suất này:

• Cảm biến áp điện: Công nghệ phát hiện xoáy được sử dụng rộng rãi nhất. Một tinh thể áp điện được gắn bên trong hoặc phía sau thanh chắn tạo ra một điện tích nhỏ để đáp ứng với ứng suất cơ học gây ra bởi mỗi biến động áp suất. Cảm biến áp điện rất mạnh mẽ, không cần nguồn điện bên ngoài cho chính bộ phận cảm biến và hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rất rộng.
• Cảm biến điện dung: Một màng mỏng bị lệch để đáp ứng với áp suất xoáy xen kẽ, làm thay đổi điện dung của phần tử máy dò. Cảm biến điện dung cung cấp độ nhạy cao ở tốc độ dòng chảy thấp và được sử dụng trong một số thiết kế đồng hồ cao cấp để mở rộng phạm vi hoạt động sang chế độ dòng chảy thấp.
• Phát hiện xoáy siêu âm: Một số thiết kế đồng hồ sử dụng chùm tia siêu âm đi qua đường ống vuông góc với dòng chảy. Mỗi dòng xoáy đi qua sẽ điều chỉnh chùm tia siêu âm và tần số điều chế này là tần số phát ra dòng xoáy. Phát hiện siêu âm không có bộ phận chuyển động bị ướt và được sử dụng trong các ứng dụng dịch vụ có độ tinh khiết cao và ăn mòn.

Số Reynolds và dòng chảy tối thiểu: Giới hạn thực tế của dòng xoáy

Mối quan hệ Strouhal chỉ giữ ở trên số Reynolds tối thiểu, thông thường Re lớn hơn 10.000 đến 20.000 tùy thuộc vào thiết kế đồng hồ cụ thể. Dưới ngưỡng này, sự thoát xoáy trở nên không đều và không định kỳ, khiến cho việc đo lưu lượng chính xác là không thể. Điều này xác định tốc độ dòng chảy tối thiểu có thể đo được đối với một chất lỏng nhất định trong một kích thước đồng hồ nhất định. Vận tốc tối thiểu cần thiết để duy trì Re trên 10.000 phụ thuộc vào độ nhớt động học của chất lỏng: đối với nước ở 20°C, vận tốc này xấp xỉ 0,3 đến 0,5 m/s , trong khi đối với dầu nhớt (trên 10 cSt) thì có thể cao hơn đáng kể. Giới hạn số Reynolds này là lý do chính khiến lưu lượng kế xoáy không phù hợp cho các ứng dụng chất lỏng có độ nhớt cao.

Máy đo lưu lượng dòng xoáy dạng chèn: Thiết kế, lắp đặt và định cỡ cho đường ống lớn

các đồng hồ đo lưu lượng xoáy chèn là một dụng cụ kiểu đầu dò được thiết kế để lắp vào thông qua một lần chạm vào thành ống thay vì lắp đặt nội tuyến như một đoạn ống cuộn đầy đủ lỗ khoan. Đầu dò kéo dài vào mặt cắt ngang của đường ống đến độ sâu nơi nó lấy mẫu tốc độ dòng chảy tại một điểm cụ thể và vận tốc điểm này được sử dụng để tính toán vận tốc trung bình và tốc độ dòng thể tích của toàn bộ mặt cắt ngang của đường ống thông qua mối quan hệ giữa tốc độ và dòng chảy đã được hiệu chỉnh. Máy đo xoáy kiểu chèn là sự lựa chọn chủ yếu cho các đường ống ở trên khoảng DN 200 (8 inch) nơi mà các máy đo xoáy hoàn toàn có lỗ khoan trở nên rất đắt tiền và nặng nề.

Cấu tạo của máy đo lưu lượng xoáy kiểu chèn

Một điển hình đồng hồ đo lưu lượng xoáy chèn bao gồm:

• Thân đầu dò chèn: Trục đầu dò hình trụ hoặc thuôn dài đi xuyên qua thành ống và đi vào dòng chảy. Chiều dài đầu dò phù hợp với đường kính ống nên thanh đổ ở đầu đầu dò được đặt ở độ sâu đo thích hợp, thường là ở 15 đến 20% tính từ đường tâm ống hoặc tại chính đường tâm tùy thuộc vào giả định biên dạng vận tốc được sử dụng trong hiệu chuẩn.
• Thanh trượt ở đầu đầu dò: Thân dốc hình chữ T hoặc hình chữ D tạo ra dòng xoáy tại điểm đo. Hình dạng của bộ đổ được gia công với dung sai chính xác để đảm bảo số Strouhal nhất quán và có thể lặp lại.
• Cách ly tuyến đóng gói hoặc van bi: Đầu dò được bịt kín chống lại áp suất đường ống bằng một đệm kín tại điểm mà đầu dò thoát ra khỏi thành ống. Máy đo dòng xoáy chèn vòi nóng bao gồm một van cách ly cho phép đầu dò được lắp vào hoặc rút lại trong khi đường ống chịu áp suất và dòng chảy mà không bị gián đoạn quá trình.
• Vỏ máy phát: Vỏ thiết bị điện tử được gắn phía trên đầu dò, chứa mạch điều hòa tín hiệu, màn hình hiển thị (tùy chọn) và thiết bị điện tử đầu ra. Vỏ được xếp hạng IP65 hoặc IP67 để bảo vệ môi trường.

Hiệu chỉnh độ sâu chèn và hệ số cấu hình vận tốc

Độ chính xác của một đồng hồ đo lưu lượng xoáy chèn phụ thuộc chủ yếu vào việc biết mối quan hệ giữa vận tốc tại điểm chèn và vận tốc trung bình trên toàn bộ mặt cắt ống. Mối quan hệ này là hệ số biên dạng vận tốc (còn gọi là hệ số đồng hồ hoặc hệ số chèn). Đối với một biên dạng dòng chảy rối của đường ống được phát triển đầy đủ, tỷ lệ vận tốc đường tâm và vận tốc trung bình là xấp xỉ 1,2 đến 1,25 , nghĩa là vận tốc đường tâm cao hơn giá trị trung bình từ 20 đến 25%. Khi đầu dò được đưa vào đường tâm, vận tốc đo được phải chia cho hệ số này để có vận tốc trung bình. Hệ số biên dạng vận tốc bị ảnh hưởng bởi:

• Số Reynolds ống: Hệ số profile thay đổi theo số Reynolds. Đo lưu lượng chính xác yêu cầu biết chính xác Re hoặc sử dụng đồng hồ đo có độ sâu chèn giúp giảm thiểu độ nhạy đối với hình dạng biên dạng (thường ở khoảng 1/6 bán kính ống tính từ đường tâm).
• Sự xáo trộn đường ống thượng nguồn: Các chỗ uốn cong, van, chữ T và sự giãn nở hoặc co lại của đường ống làm biến dạng đường biên vận tốc khỏi hình dạng hỗn loạn lý tưởng. Cấu hình bị biến dạng yêu cầu chiều dài ống thẳng dài hơn hoặc bộ chỉnh sửa cấu hình để đạt được độ chính xác định mức.
• Độ chính xác của độ sâu chèn: Đầu dò phải được định vị chính xác ở độ sâu chèn được thiết kế. Một lỗi của Độ sâu chèn 10 mm trên ống 500 mm gây ra sai số đo xấp xỉ 1 đến 3% tùy thuộc vào hình dạng biên dạng vận tốc tại điểm đó trên mặt cắt ống.

Ưu điểm và hạn chế của thiết bị chèn so với máy đo xoáy toàn lỗ

Máy đo lưu lượng khí xoáy: Đo khí nén, khí HVAC và khí đốt

A máy đo lưu lượng không khí xoáy là một trong những công cụ thiết thực nhất để đo lưu lượng không khí trong các ứng dụng công nghiệp, thương mại và HVAC. Không khí mang lại cả ưu điểm và thách thức cho việc đo dòng xoáy: mật độ thấp của nó có nghĩa là dao động áp suất do xoáy thấp (yêu cầu phát hiện nhạy cảm), nhưng độ nhớt thấp có nghĩa là số Reynolds thường cao hơn ngưỡng 10.000 đối với sự thoát xoáy ngay cả ở vận tốc vừa phải trong các kích thước ống tiêu chuẩn.

Đo khí nén: Ứng dụng luồng khí xoáy phổ biến nhất

Hệ thống khí nén trong các cơ sở sản xuất thường hoạt động ở Áp suất đo 6 đến 10 bar . Đo chính xác mức tiêu thụ khí nén là điều cần thiết để kiểm tra năng lượng, phát hiện rò rỉ và phân bổ chi phí khí nén cho các quy trình sản xuất. Lưu lượng kế dạng xoáy rất phù hợp để đo khí nén vì:

• Không có bộ phận chuyển động: Các đường dẫn khí nén mang theo dầu, nước và các hạt từ máy nén. Máy đo dòng xoáy không có bộ phận chuyển động hoặc vòng bi sẽ ít bị bám bẩn và mài mòn hơn nhiều so với máy đo tuabin hoặc máy đo chuyển vị dương trong dịch vụ khí nén.
• Phạm vi dòng chảy rộng: Nhu cầu khí nén trong sản xuất rất khác nhau, với nhu cầu từ gần như bằng 0 đến toàn bộ công suất hệ thống trong các ca làm việc và kịch bản sản xuất khác nhau. Tỷ lệ quay vòng của máy đo xoáy là 20:1 đến 40:1 xử lý sự thay đổi này tốt hơn so với các máy đo chênh lệch áp suất có độ suy giảm thường là 3:1 đến 5:1.
• Sản lượng dòng thể tích hoặc khối lượng có bù: hiện đại máy đo lưu lượng không khí xoáys kết hợp các cảm biến nhiệt độ và áp suất trong cùng một thiết bị, cho phép chúng xuất ra cả lưu lượng thể tích thực tế (ở điều kiện đường truyền) và lưu lượng thể tích tiêu chuẩn hoặc lưu lượng khối lượng (được hiệu chỉnh theo điều kiện tham chiếu thường là 20°C và 1 bar hoặc 0°C và 1,01325 bar). Điều này rất cần thiết cho việc tính toán năng lượng trong đó khối lượng không khí tiêu thụ (không phải thể tích của nó ở áp suất đường ống) xác định chi phí năng lượng của máy nén.

Đo lưu lượng không khí HVAC bằng máy đo độ xoáy

Để đo lưu lượng không khí trong ống dẫn HVAC ở hoặc gần áp suất khí quyển, đồng hồ đo lưu lượng xoáy chèns đặc biệt phổ biến vì đường ống HVAC thường lớn (DN 200 đến DN 1000 trở lên) và kết cấu bằng kim loại tấm hình chữ nhật hoặc hình tròn nơi không thể lắp đặt đồng hồ đo lỗ khoan đầy đủ. Đồng hồ đo chèn kiểu đầu dò được lắp đặt thông qua một lỗ khoan trên thành ống dẫn, không cần thay thế phần ống dẫn. Những cân nhắc chính về ứng dụng xoáy HVAC:

• Phạm vi vận tốc: Vận tốc không khí trong ống dẫn HVAC thường dao động từ 2 đến 15 m/s . Máy đo dòng xoáy hoạt động thoải mái trong phạm vi này, mặc dù đầu dưới đạt đến ngưỡng số Reynolds tối thiểu đối với kích thước ống dẫn nhỏ hơn. Đối với các ống cung cấp HVAC dưới DN 150 ở vận tốc thấp, hãy xác nhận rằng Re vượt quá 10.000 ở điều kiện dòng chảy dự kiến ​​tối thiểu trước khi chỉ định máy đo xoáy.
• Biến dạng hồ sơ trong hệ thống HVAC: Đường ống HVAC hiếm khi cung cấp đủ đường chạy thẳng ngược dòng điểm đo. Hạn chế về không gian có nghĩa là các khuỷu tay, ổ cắm quạt, bộ khuếch tán và bộ giảm chấn thường ở ngay phía trên nơi cần đặt đồng hồ. Đối với các hệ thống lắp đặt như vậy, phép đo kiểu pitot lấy trung bình đa điểm hoặc máy đo dòng xoáy có bộ điều chỉnh dòng chảy ngay phía dòng vào là cần thiết để đạt được độ chính xác chấp nhận được.

Đo hỗn hợp không khí đốt và khí tự nhiên

Máy đo lưu lượng không khí xoáy được sử dụng để đo lưu lượng không khí đốt trong các hệ thống đầu đốt, nồi hơi và lò nung công nghiệp trong đó tỷ lệ không khí với nhiên liệu (tỷ lệ không khí-nhiên liệu) phải được kiểm soát chính xác để đảm bảo hiệu suất đốt cháy và tuân thủ phát thải. Trong các ứng dụng này, máy đo lưu lượng không khí xoáy đầu ra cấp trực tiếp vào hệ thống quản lý đầu đốt hoặc bộ điều khiển quá trình đốt. Đồng hồ phải được đánh giá về nhiệt độ không khí tăng cao thường thấy trong các hệ thống làm nóng sơ bộ không khí đốt: nhiệt độ làm nóng sơ bộ không khí đốt công nghiệp ở mức 200 đến 400°C là phổ biến và đồng hồ đo phải được chỉ định bằng vật liệu ướt ở nhiệt độ cao và thiết bị điện tử bù nhiệt độ.

Máy đo lưu lượng dòng xoáy cho ứng dụng hơi nước: Đo hơi nước bão hòa và quá nhiệt

các đồng hồ đo lưu lượng xoáy cho ứng dụng hơi nước là một trong những ứng dụng quan trọng nhất về mặt kỹ thuật và thương mại của công nghệ xoáy. Đo lưu lượng hơi trước đây bị thống trị bởi máy đo chênh áp (DP) có tấm lỗ, nhưng độ chính xác vượt trội, bảo trì thấp hơn và khả năng lưu lượng khối trực tiếp của máy đo xoáy đã khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho ứng dụng hơi nước trong các nhà máy xử lý hiện đại và hệ thống tiện ích.

Tại sao việc đo lường hơi nước lại khó khăn và tại sao máy đo Vortex Excel

Đo hơi nước là một thách thức vì nhiều lý do khiến nhiều công nghệ đo lưu lượng không phù hợp:

• Nhiệt độ và áp suất cao: Hệ thống hơi nước công nghiệp hoạt động ở nhiệt độ từ 100°C đến 400°C và áp lực từ 0,5 thanh đến 40 thanh , các điều kiện hạn chế việc sử dụng các dụng cụ có vòng đệm cao su, thiết bị điện tử bị ướt hoặc các bộ phận bằng nhựa nhiệt dẻo.
• Mật độ thay đổi: Mật độ hơi thay đổi đáng kể theo cả nhiệt độ và áp suất. Phép đo lưu lượng khối yêu cầu biết mật độ chất lỏng ở điều kiện đường ống, bằng cách đo mật độ trực tiếp hoặc bằng cách tính toán mật độ từ nhiệt độ và áp suất đo được bằng bảng hơi nước. Máy đo áp suất chênh lệch đo lưu lượng thể tích và yêu cầu bù mật độ riêng biệt; Máy đo xoáy có tích hợp bù nhiệt độ và áp suất mang lại đầu ra lưu lượng khối trực tiếp.
• Rủi ro ngưng tụ: Ống dẫn hơi có thể chứa các chất lỏng ngưng tụ, đặc biệt khi khởi động và trong các hệ thống được bảo trì kém. Chất lỏng va vào cảm biến chênh lệch áp suất hoặc phần tử đo thể tích dương có thể gây ra hư hỏng hoặc dịch chuyển hiệu chuẩn vĩnh viễn. Máy đo dòng xoáy có thanh chắn bằng kim loại nguyên khối và cảm biến áp điện bền bỉ có khả năng chịu đựng nước ngưng tụ tốt hơn nhiều so với các thiết bị thay thế.
• Không có bộ phận chuyển động: Hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao đòi hỏi các bộ phận của thiết bị có thể chịu được chu trình nhiệt lặp đi lặp lại, các xung áp suất và tác động ăn mòn của các hạt hoặc giọt bị cuốn theo. Máy đo dòng xoáy không có bộ phận chuyển động nào trong dòng chảy có thể bị mòn, kẹt hoặc cần thay thế định kỳ.

Hơi bão hòa và hơi quá nhiệt: Cân nhắc về máy đo dòng xoáy

Lưu lượng kế dạng xoáy xử lý cả hơi bão hòa và hơi quá nhiệt, nhưng phương pháp đo và các phép đo phụ trợ cần thiết khác nhau:

• Hơi nước bão hòa: Ở trạng thái bão hòa, nhiệt độ và áp suất được liên kết bởi đường cong bão hòa hơi nước. Đo nhiệt độ hoặc áp suất là đủ để xác định trạng thái hơi nước và tính toán mật độ từ bảng hơi nước. Đối với các ứng dụng hơi bão hòa, đồng hồ đo lưu lượng xoáy cho ứng dụng hơi nước với cảm biến áp suất tích hợp (và tùy chọn cảm biến nhiệt độ) có thể tính toán mật độ theo thời gian thực và lưu lượng khối đầu ra một cách trực tiếp. Phạm vi cảm biến áp suất tích hợp điển hình cho đồng hồ đo hơi nước bão hòa là 0 đến 25 bar tuyệt đối với độ chính xác của ±0,1 đến ±0,5% .
• Hơi quá nhiệt: Hơi quá nhiệt hoàn toàn ở pha khí không có chất lỏng. Mật độ của nó là một hàm của cả nhiệt độ và áp suất một cách độc lập. Máy đo độ xoáy cho hơi quá nhiệt phải đo cả nhiệt độ đường ống và áp suất đường ống, đồng thời sử dụng các phương trình trạng thái của hơi nước (thường là từ bảng hơi tiêu chuẩn IAPWS-IF97) để tính toán mật độ thời gian thực. Khi đó đầu ra lưu lượng khối là: Lưu lượng khối = Lưu lượng thể tích × Mật độ (T, P) Đa biến hiện đại nhất máy phát dòng chảy xoáys thực hiện tính toán này trong nội bộ.

Thông số kỹ thuật vật liệu và nhiệt độ của máy đo độ xoáy hơi nước

Đối với dịch vụ hơi nước, thân lưu lượng kế xoáy và các bộ phận bên trong phải đáp ứng các yêu cầu vật liệu cụ thể:

• Vật liệu cơ thể: Thép carbon ASTM A105 hoặc thép không gỉ ASTM A182 (SS316 / SS316L) cho dịch vụ hơi nước tiêu chuẩn. Đối với hơi nước áp suất cao trên 25 bar hoặc hơi nước có tạp chất ăn mòn (lưu huỳnh, clorua), hợp kim SS316 hoặc cao hơn (Hastelloy C, Duplex SS) được chỉ định.
• Đánh giá nhiệt độ: Tiêu chuẩn đồng hồ đo lưu lượng xoáy cho ứng dụng hơi nước được đánh giá là 260°C đến 320°C . Các phiên bản nhiệt độ cao dành cho hơi quá nhiệt được đánh giá là 400°C đến 450°C , thường sử dụng thiết kế cổ mở rộng để di chuyển thiết bị điện tử của máy phát ra khỏi các kết nối quy trình nóng để giữ các thiết bị điện tử trong phạm vi hoạt động được chỉ định của chúng.
• Đánh giá áp suất: Tiêu chuẩn wafer-body vortex meters are rated to PN 40 (40 thanh) có kích thước DN 15 đến DN 100. Thân mặt bích có cùng phạm vi kích thước thường mang xếp hạng áp suất ANSI Loại 300 hoặc Loại 600 tương ứng với 51 thanh và 102 thanh tương ứng ở nhiệt độ làm việc 38°C.

Bộ truyền lưu lượng kiểu xoáy: Điện tử, đầu ra và giao thức truyền thông

A máy phát dòng chảy xoáy là mô-đun điện tử chấp nhận tín hiệu xung xoáy thô từ cảm biến (áp điện, điện dung hoặc siêu âm), xử lý tín hiệu đó thông qua các thuật toán lọc và điều hòa tín hiệu, tính toán tốc độ dòng chảy và truyền kết quả đến hệ thống điều khiển hoặc hệ thống thu thập dữ liệu thông qua một hoặc nhiều tín hiệu đầu ra được tiêu chuẩn hóa. Trong các thiết bị hiện đại, bộ truyền phát được tích hợp vật lý vào thân máy đo chứ không phải là một thiết bị gắn từ xa riêng biệt, mang lại cho bộ phận lắp ráp nhỏ gọn tên gọi "bộ phát thông minh".

Điều hòa tín hiệu: Từ xung thô đến tín hiệu dòng sạch

các raw signal from a vortex sensor is a low-amplitude alternating signal whose frequency represents the vortex shedding rate. In process environments, this signal is contaminated by several sources of interference that the máy phát dòng chảy xoáy phải từ chối:

• Độ rung của ống: Rung động cơ học từ máy bơm, máy nén và cộng hưởng cấu trúc kết hợp với thân đồng hồ và tạo ra các tín hiệu giả ở cảm biến có thể bị hiểu sai thành xung xoáy. Các máy phát hiện đại sử dụng thuật toán xử lý tín hiệu thích ứng và phân biệt tần số để phân biệt tần số xoáy thực (theo dõi dòng chảy thay đổi trơn tru) với nhiễu do rung động (thường là băng thông rộng hoặc ở tần số hài cố định).
• Tiếng ồn dòng chảy thấp: Gần dòng chảy tối thiểu có thể phát hiện được, sự phân tán xoáy trở nên không đều và khó phân biệt được từng xoáy với tiếng ồn. Các máy phát tiên tiến sử dụng phân tích thống kê tín hiệu để phát hiện sự hiện diện của tần số xoáy kết hợp ngay cả ở tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm rất thấp, mở rộng tốc độ dòng chảy tối thiểu hiệu quả.
• Nhiễu điện (EMI/RFI): Môi trường công nghiệp chứa trường điện từ mạnh từ các bộ truyền động có tốc độ thay đổi, dây cáp điện, thiết bị hàn và máy phát vô tuyến. Thiết bị điện tử của máy phát phải bao gồm tấm chắn, lọc và cách ly thích hợp để ngăn các tín hiệu này ảnh hưởng đến phép đo.

Tín hiệu đầu ra và giao thức truyền thông

A máy phát dòng chảy xoáy cung cấp một hoặc nhiều tín hiệu đầu ra sau, tùy thuộc vào kiểu máy và cấu hình:

• Đầu ra tương tự 4 đến 20 mA: các universal industry standard for flow rate transmission. The transmitter maps 4 mA to zero flow (or the configured zero of the output range) and 20 mA to the maximum configured flow rate. The 4 to 20 mA signal is immune to line resistance effects (within cable resistance limits) and easy to connect to any PLC, DCS, or panel meter input.
• Đầu ra xung (đầu ra tần số): Chuỗi xung kỹ thuật số trong đó mỗi xung đại diện cho một thể tích chất lỏng cố định (hệ số K của máy đo). Đầu ra xung được sử dụng để tổng hợp trong các hệ thống kiểm soát hàng loạt, hệ thống quản lý năng lượng và các ứng dụng chuyển giao quyền giám sát trong đó cần có bộ đếm tích hợp thay vì hiển thị tốc độ dòng tức thời.
• Giao thức HART: HART (Bộ chuyển đổi từ xa có thể định địa chỉ đường cao tốc) là một giao thức truyền thông kỹ thuật số được áp dụng trên tín hiệu tương tự 4 đến 20 mA. Nó cho phép giao tiếp kỹ thuật số hai chiều để cấu hình, chẩn đoán và truy cập vào các biến thứ cấp (nhiệt độ, áp suất, mật độ) mà không cần nối dây bổ sung. HART là giao thức kỹ thuật số được triển khai rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp xử lý và là tiêu chuẩn trên hầu hết các thiết bị hiện đại. máy phát dòng chảy xoáys .
• NỀN TẢNG Fieldbus và PROFIBUS PA: Các giao thức bus trường hoàn toàn kỹ thuật số cho phép nhiều thiết bị chia sẻ một cặp cáp, cung cấp chẩn đoán và cấu hình đầy đủ từ phòng điều khiển, đồng thời hỗ trợ các tính năng nâng cao như thực thi khối chức năng trong chính bộ phát. Được sử dụng trong các nhà máy xử lý xây dựng mới và mở rộng nhà máy lọc dầu nơi có cơ sở hạ tầng kỹ thuật số đầy đủ được chỉ định.
• Modbus RTU hoặc TCP/IP: Được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước, tự động hóa tòa nhà và HVAC trong đó hệ thống SCADA hoặc quản lý tòa nhà tương thích Modbus là tiêu chuẩn. Nhiều đồng hồ đo lưu lượng xoáy chèns cho các ứng dụng HVAC và nước cung cấp Modbus RS-485 làm đầu ra tiêu chuẩn.

Máy phát xoáy đa biến: Nhiệt độ, áp suất và mật độ tích hợp

các multivariable máy phát dòng chảy xoáy tích hợp đo nhiệt độ (RTD hoặc cặp nhiệt điện), đo áp suất (bộ chuyển đổi áp suất tích hợp) và đo lưu lượng (cảm biến xoáy) vào một gói thiết bị duy nhất. Máy phát tính toán mật độ chất lỏng theo thời gian thực từ nhiệt độ và áp suất đo được bằng cách sử dụng các phương trình trạng thái tích hợp cho hơi nước, khí tự nhiên, không khí và các chất lỏng xử lý thông thường khác, sau đó nhân lưu lượng thể tích với mật độ tính toán để tạo ra lưu lượng khối trực tiếp. Những lợi ích chính của máy phát đa biến:

• Giảm số lượng dụng cụ: Một máy phát dòng xoáy đa biến thay thế một lưu lượng kế dòng xoáy cộng với một máy phát nhiệt độ cộng với một máy phát áp suất cộng với một máy tính lưu lượng bên ngoài. Điều này làm giảm đáng kể chi phí mua sắm, lắp đặt, bảo trì và hiệu chuẩn.
• Độ chính xác của dòng khối chặt chẽ hơn: Khi nhiệt độ và áp suất được đo chính xác tại cùng một điểm với tốc độ dòng chảy và được xử lý trong cùng một thiết bị điện tử, các lỗi về thời gian và không gian từ các thiết bị riêng biệt sẽ được loại bỏ. Điều này cải thiện độ chính xác của lưu lượng khối so với hệ thống đo nhiệt độ và áp suất tại các điểm riêng biệt.
• Dòng năng lượng (dòng nhiệt) đầu ra: Đối với các ứng dụng hơi nước và nước nóng, máy phát đa biến có thể tạo ra dòng năng lượng (tính bằng megajoule trên giờ hoặc BTU mỗi giờ) bằng cách kết hợp lưu lượng khối với entanpy chất lỏng thu được từ các phép đo nhiệt độ và áp suất. Sản lượng năng lượng trực tiếp này được sử dụng trong đo hơi nước để thanh toán tiện ích và quản lý năng lượng mà không cần máy tính lưu lượng bên ngoài.

Lắp đặt lưu lượng kế dòng xoáy: Yêu cầu, định hướng và vận hành ống thẳng

Việc lắp đặt đúng là yếu tố quan trọng nhất quyết định liệu một Lưu lượng kế xoáy đạt được độ chính xác quy định trong dịch vụ. Ngay cả đồng hồ được hiệu chuẩn tốt nhất cũng sẽ cho kết quả kém nếu được lắp đặt mà không có đường ống thẳng ngược dòng phù hợp, theo hướng khiến khí hoặc chất lỏng ở sai vị trí hoặc không chú ý đến các kết nối của quy trình.

Yêu cầu về ống thẳng thượng nguồn và hạ lưu

Lưu lượng kế dạng xoáy yêu cầu hồ sơ vận tốc được phát triển đầy đủ, không bị biến dạng để đạt được độ chính xác đã hiệu chuẩn. Sự xáo trộn của đường ống phía dòng vào (uốn cong, van, bộ phận giãn nở, bộ giảm tốc) làm biến dạng hình dạng và gây ra lỗi hệ thống. Yêu cầu ống thẳng tối thiểu (D = đường kính trong của ống):

• Uốn cong 90 độ một lần: tối thiểu 15D ngược dòng của mét
• Hai đường cong 90 độ trong cùng một mặt phẳng: tối thiểu 20D ngược dòng
• Hai đường cong 90 độ trong các mặt phẳng khác nhau (ngoài mặt phẳng): tối thiểu 25D ngược dòng
• Van cổng hoặc van bi mở hoàn toàn: tối thiểu 10D ngược dòng
• Van điều khiển (mở một phần): tối thiểu 30D đến 50D ngược dòng do biến dạng hồ sơ nghiêm trọng
• Yêu cầu hạ lưu: tối thiểu Hạ lưu 5D của mét before any fitting or valve

Khi những yêu cầu về đường ống thẳng này không thể được đáp ứng do hạn chế về không gian, điều hòa dòng chảy (chẳng hạn như bó ống, tấm đục lỗ hoặc bộ điều hòa loại CPA 50E) được lắp đặt ngay phía trước đồng hồ có thể giảm thời gian chạy ống thẳng cần thiết xuống còn 10D trở xuống bằng cách đồng nhất hóa cấu hình dòng chảy trước khi nó đến đồng hồ.

Hướng lắp đặt: Ống ngang, dọc và nghiêng

Lưu lượng kế xoáys có thể được lắp đặt trong các ống ngang, dọc hoặc nghiêng, nhưng phải xem xét hướng lắp đặt của máy phát và hướng dòng chảy so với trọng lực:

• Lắp đặt ống ngang: các transmitter housing should be mounted to the side (at 3 o'clock or 9 o'clock position on the pipe) rather than on top (12 o'clock) for steam or gas service, to prevent condensate accumulation in the meter body. For liquid service, side mounting is also preferred to prevent gas pockets from accumulating at the top of the meter body.
• Lắp đặt đường ống đứng: Đối với dịch vụ chất lỏng, hướng dòng chảy phải hướng lên (từ dưới lên trên) khi lắp đặt đường ống thẳng đứng để đảm bảo thân đồng hồ luôn chứa đầy chất lỏng. Dòng chảy đi xuống trong ống thẳng đứng chứa chất lỏng có thể tạo ra các điều kiện làm đầy một phần làm suy giảm nghiêm trọng độ chính xác. Đối với dịch vụ khí và hơi nước, hướng dòng chảy lên hoặc xuống đều được chấp nhận khi lắp đặt thẳng đứng.
• Định hướng máy phát: các transmitter housing and display should face a direction that allows easy reading by operators and easy access for maintenance without awkward postures. On horizontal pipes, the transmitter is typically rotatable to any orientation in 90-degree increments after meter installation to optimize readability.

Câu hỏi thường gặp về lưu lượng kế Vortex

1. Dòng xoáy là gì và Máy đo lưu lượng dòng xoáy sử dụng nó để đo như thế nào?

dòng xoáy là gì về mặt đo lường? Đó là hiện tượng đổ xoáy Karman: khi một chất lỏng chảy qua một vật thể vô tội vạ (thanh đổ), các xoáy luân phiên được đổ ra từ mỗi bên của vật thể theo một mô hình đều đặn. Tần số đổ tỷ lệ thuận với vận tốc chất lỏng thông qua mối quan hệ Strouhal (f = St × V ữ d). A Lưu lượng kế xoáy đếm tần số này bằng cách sử dụng cảm biến áp điện hoặc điện dung, chuyển đổi tần số thành vận tốc, nhân với diện tích đường ống và đưa ra tốc độ dòng thể tích hoặc khối lượng. Số Strouhal không đổi đối với số Reynolds trên khoảng 10.000 đến 4.000.000, mang lại phép đo tuyến tính trên phạm vi rộng này.

2. Ưu điểm của đồng hồ đo lưu lượng xoáy kiểu chèn so với đồng hồ đo nội tuyến toàn lỗ là gì?

Một đồng hồ đo lưu lượng xoáy chèn mang lại lợi thế đáng kể về chi phí cho các đường ống có đường kính lớn trong đó đồng hồ đo nội tuyến có lỗ khoan hoàn chỉnh sẽ yêu cầu các đoạn ống cuộn có mặt bích lớn, nặng và đắt tiền. Đồng hồ chèn sử dụng một vòi lấy áp ống đơn, có thể khai thác nóng (lắp đặt mà không cần tắt quy trình trên hệ thống điều áp), tạo ra độ sụt áp rất thấp (chỉ đầu dò, không đầy lỗ khoan) và xử lý các kích thước ống từ DN 50 đến DN 2000 trở lên với cùng một thiết kế đầu dò nhỏ gọn. Sự đánh đổi là độ chính xác: máy đo chèn thường đạt được ±1,5 đến ±3,0% giá trị đọc so với ±0,5 đến ±1,0% đối với các thiết kế có lỗ khoan hoàn toàn, vì phép đo vận tốc điểm tạo ra độ không đảm bảo bổ sung từ giả định biên dạng vận tốc.

3. Máy đo lưu lượng khí xoáy có phù hợp để đo mức tiêu thụ năng lượng khí nén không?

Đúng. A máy đo lưu lượng không khí xoáy với khả năng bù nhiệt độ và áp suất tích hợp là lý tưởng cho việc tính toán năng lượng khí nén. Máy phát đa biến chuyển đổi dòng thể tích dòng thành dòng thể tích tiêu chuẩn (tham chiếu đến các điều kiện tiêu chuẩn đã xác định) hoặc trực tiếp thành lưu lượng khối, đây là yếu tố xác định năng lượng tiêu thụ của máy nén. Tỷ lệ quay vòng cao của máy đo xoáy ( 20:1 đến 40:1 ) xử lý sự khác biệt lớn về nhu cầu khí nén giữa các ca làm việc và trạng thái sản xuất, đồng thời thiết kế không có bộ phận chuyển động của nó rất phù hợp với khí nén có thể chứa dầu hoặc hơi ẩm cuốn theo.

4. Tại sao đồng hồ đo lưu lượng xoáy được ưa chuộng cho các ứng dụng hơi nước hơn tấm tiết lưu?

A đồng hồ đo lưu lượng xoáy cho ứng dụng hơi nước vượt trội hơn so với máy đo áp suất chênh lệch tấm lỗ truyền thống trong dịch vụ hơi nước vì một số lý do: nó mang lại độ chính xác cao hơn ( ±1,0% giá trị đọc so với ±2 đến ±3% đối với việc lắp đặt lỗ thông thường), cung cấp khả năng phạm vi rộng hơn nhiều ( 20:1 đến 30:1 so với 3:1 đến 5:1 đối với DP), không yêu cầu đường xung có thể bịt kín hoặc đóng băng, không có tấm lỗ mỏng ăn mòn dưới hơi nước và ở dạng đa biến của nó cung cấp đầu ra dòng khối trực tiếp mà không cần máy tính lưu lượng riêng. Đồng hồ đo dòng xoáy cũng xử lý nước ngưng tụ tốt hơn đồng hồ DP có chân ướt.

5. Máy phát dòng chảy kiểu xoáy cung cấp những đầu ra gì?

A máy phát dòng chảy xoáy thường cung cấp một Đầu ra tương tự 4 đến 20 mA đại diện cho tốc độ dòng chảy, a đầu ra xung hoặc tần số để tổng hợp và truyền thông kỹ thuật số thông qua Giao thức HART (phổ biến nhất), FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS PA hoặc Modbus RTU/TCP tùy thuộc vào kiểu máy. Máy phát đa biến có thể cung cấp nhiều đầu ra 4 đến 20 mA hoặc truyền tất cả các biến (lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, mật độ, lưu lượng khối) qua một kết nối fieldbus kỹ thuật số duy nhất. Đầu ra xung đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng chuyển giao quyền lưu ký và điều khiển hàng loạt trong đó cần có bộ đếm tích hợp thể tích chất lỏng thực tế thay vì tín hiệu tốc độ tức thời.

6. Lưu lượng kế Vortex có thể đo cả khí và chất lỏng trong cùng một thân đồng hồ không?

các same physical vortex meter body can measure both gases and liquids because the Strouhal relationship is valid for any fluid above the minimum Reynolds number threshold. However, the meter must be correctly sized for each fluid (velocity range requirements differ significantly between gases and liquids due to density differences), and the transmitter must be configured with the correct fluid properties for each service. In practice, a meter sized for a gas application is typically too large for a liquid application in the same pipe because liquid requires much lower velocities for the same mass flow. Most users specify separate meters for gas and liquid service rather than attempting to use the same meter for both.

7. Tốc độ dòng chảy tối thiểu mà Máy đo lưu lượng dòng xoáy có thể đo được là bao nhiêu?

các minimum measurable flow rate of a Lưu lượng kế xoáy được xác định bằng ngưỡng số Reynolds để tạo ra dòng xoáy ổn định, thông thường Re > 10.000 đến 20.000 tùy theo thiết kế đồng hồ. Đối với nước ở nhiệt độ 20°C trong đồng hồ DN 50, điều này tương ứng với vận tốc tối thiểu xấp xỉ 0,3 đến 0,5 m/s và tốc độ dòng chảy tối thiểu xấp xỉ 0,3 đến 0,6 m³/giờ . Đối với chất khí và hơi nước, vận tốc tối thiểu có thể là 1 đến 3 m/s do số Reynolds trên một đơn vị vận tốc trong chất lỏng có mật độ thấp thấp hơn. Phần mềm định cỡ của nhà sản xuất phải luôn được sử dụng để xác nhận khả năng dòng chảy tối thiểu cho chất lỏng, nhiệt độ, áp suất và kích thước ống cụ thể.

8. Cần bao nhiêu ống thẳng phía trước đồng hồ đo lưu lượng dòng xoáy?

Yêu cầu về đường ống thẳng ngược dòng cho một Lưu lượng kế xoáy phạm vi từ 10D đến 50D tùy thuộc vào loại nhiễu thượng nguồn. Một lần uốn cong 90 độ cần tối thiểu 15D; hai chỗ uốn ngoài mặt phẳng cần 25D; van điều khiển khi mở một phần cần 30D đến 50D. Ở hạ lưu, cần tối thiểu 5D trước bất kỳ khớp nối hoặc van nào. Khi không gian lắp đặt không đủ, bộ điều hòa dòng chảy sẽ giảm yêu cầu ngược dòng xuống khoảng 10D bất kể cấu hình ngược dòng. các đồng hồ đo lưu lượng xoáy chèn thường yêu cầu nhiều ống thẳng ngược dòng hơn đồng hồ có lỗ khoan hoàn chỉnh (15D đến 30D) vì phép đo vận tốc điểm nhạy hơn với biến dạng biên dạng.

9. Chất lỏng nào KHÔNG thích hợp cho lưu lượng kế xoáy?

Lưu lượng kế xoáys không phù hợp với: chất lỏng có độ nhớt cao (trên khoảng 10 đến 20 cSt ở nhiệt độ vận hành) trong đó số Reynolds không thể duy trì trên 10.000 ở vận tốc dòng chảy thực tế; bùn và chất lỏng có hàm lượng chất rắn cao có thể ăn mòn thanh đổ hoặc lắng đọng trên cảm biến; dòng chảy nhiều pha trong đó chất lỏng và khí hiện diện đồng thời với số lượng đáng kể (hơi ướt có chất lượng dưới khoảng 0,8 hoặc chất lỏng có hàm lượng khí lớn hơn khoảng 2% theo thể tích); dòng chảy dao động trong đó tần số xung trùng với dải tần số xoáy dự kiến; và tốc độ dòng chảy rất thấp trong các đường ống nhỏ, nơi không thể đạt được vận tốc tối thiểu cần thiết mà không vượt quá mức giảm áp suất tối đa có thể chấp nhận được.

10. Đồng hồ đo lưu lượng xoáy cho ứng dụng hơi nước có kích thước như thế nào cho một hệ thống hơi cụ thể?

Định cỡ một đồng hồ đo lưu lượng xoáy cho ứng dụng hơi nước đòi hỏi phải biết tốc độ dòng khối lượng tối thiểu và tối đa, áp suất và nhiệt độ hơi tại điểm đo cũng như kích thước đường ống. Từ lưu lượng khối lượng và mật độ hơi nước (được tính từ áp suất và nhiệt độ bằng bảng hơi nước), lưu lượng thể tích và vận tốc được xác định. Kích thước đồng hồ được chọn sao cho vận tốc dòng chảy tối thiểu vượt quá vận tốc tối thiểu của đồng hồ để tạo ra dòng xoáy ổn định (thường là 1,5 đến 2,5 m/s đối với hơi nước) và tốc độ dòng chảy tối đa không vượt quá mức tối đa định mức của đồng hồ (thường là 50 đến 80 m/s đối với hơi nước). Phạm vi vận tốc thu được sẽ xác định thời gian ngừng hoạt động của đồng hồ đo. Hầu hết các nhà sản xuất đều cung cấp phần mềm định cỡ hoặc các công cụ trực tuyến thực hiện tính toán này một cách tự động khi được cung cấp các điều kiện hơi nước và phạm vi dòng chảy.