"Hvor hurtigt løber vandet ibækken?" Flowmåling væske. Endress+Hauser. Poppelgårdvej DK-2860 Søborg Tlf /fax

Transkript

1 "Hvor hurtigt løber vandet ibækken?" Flowmåling væske Endress+HauserA/S Poppelgårdvej DK-2860 Søborg Tlf /fax Endress+Hauser ThePowerofKnowHow

2 Terminologi Grundlæggende for et godt resultat af al flowmåling er en definition af hvilket produkt der måles på. Alle produkter kan befinde sig i en af 3 faser, nemlig som gas, væske eller faststof. Hvilken tilstand det enkelte produkt befinder sig i afhænger af en kombination af tryk og temperatur i systemet. Befinder produktet der skal måles på, sig i en af overgangstilstandene - d.v.s. lige på grænsen mellem 2 faser taler man om flerfase medier. At måle flow i denne tilstand vil som regel kræve særlige foranstaltninger, og er absolut ikke problemfri. Alle data som opgives for måleprincipper gælder kun for klart definerede en-fase medier. Nøjagtighed Et af de væsentligste parametre ved valg af den rigtige flowmåler er kravet til dens nøjagtighed. Der findes tre grundlæggende forskellige måder at angive nøjagtighed på, disse er: Nøjagtighed angivet i % af måleområdet eller fuld skala (span) Nøjagtighed angivet i % af aktuelt flow eller aktuel værdi. Ved differenstrykmålere angives nøjagtigheden ofte som % af differenstryk.

3 Terminologi Af figuren kan det ses, at der er meget stor forskel på nøjagtigheden af tre målere, der tilsyneladende har den samme nøjagtighed. Linearitet og karakteristik Udgangssignalet fra en måler kan enten være lineært eller ulineært - se de to nedenstående skitser. En karakteristik er en kurve, der viser, hvordan en flowmålers nøjagtighed varierer med hastigheden eller Reynold's tal, idet tallene på Y-aksen er et udtryk for, hvor tæt på det absolutte, måleren er, d.v.s. 1,00 er absolut nøjagtigt. Linearitet Begrebet linearitet skal kun anvendes ved en måler, der har en lineær karakteristik, se vedlagte skitser. En lineær karakteristik starter altid ved 0 og er typisk, idet en given stigning i flow modsvarer en tilsvarende stigning i udgangssignalet. Linearitet angives som +/- x% i forhold til den matematiske linie. Måleområder - effektive og dynamiske Nedenstående figur viser en typisk karakteristik for en turbinemåler, idet den viser flowet i forhold til k-faktor. k-faktoren er faktisk antal pulser/volumenenhed. Det kan ses, at flowmåleren har et udgangssignal mellem Ql og Q2, der er inden for en vis linearitet. Dette kaldes det effektive måleområde. måleren kan godt måle ud over det effektive måleområde, og det totale område kan også kaldes det dynamiske område, idet der dog her ikke kan angives nogen standardnøjagtighed uden for det effektive område.

4 Terminologi Reynold's tal Når væsker eller gasser strømmer igennem et rør, kan strømningen enten defineres som værende laminar eller turbulent. En kvantitativ angivelse af, hvordan strømningen i røret foregår, angives ved Reynold's tal, der er defineret som - ρ * V * D Reynolds tal beregnes som - R e = µ Hvor - R e er Reynolds tallet ρ er produktets densitet V er produktets linære hastighed i målerøret D er Rørets dimension µ er produktets dynamiske viskositet Reynold's tal er, når vi ser nærmere på det, et udtryk for de dynamiske kræfter i en strømmende væske divideret med viskositeten, altså hvor meget turbulens, der dannes. De følgende figurer giver et godt indtryk af, hvordan flowprofiler (idealiserede) ser ud ved laminart og turbulent flow. Laminart flow er defineret som flow ved Reynold's tal < Ved Reynold's tal over 2300 går man ind i et område, hvor flowet hverken er turbulent eller laminart. Ved stigende tal ender man i turbulent flow. De forskellige ligninger, der anvendes - f.eks. Bernoulli's ligning - er baseret på, at flowet er turbulent, idet forholdet mellem f.eks. differenstryk og volumenflow ændrer væsentlig karakter, når flowet bliver laminart. Kontinuitetsligningen Betragter vi et vilkårligt rør i to tværsnit, der ikke har samme areal, så vil det væskevolumen, der passerer tværsnit 1 i et givet tidsrum, også passere tværsnit 2 i samme tidsrum, idet væsken ikke kan forsvinde.

5 Terminologi Det væskevolumen, der strømmer igennem et rørtværsnit pr. tidsenhed, kan bestemmes ved, at volumen Q = hastigheden (v) * arealet (A). Idet flowet skal være konstant, fås følgende udtryk: Q = v 1 * A 1 = v 2 * A 2 - Dette udtryk kaldes kontinuitetsligningen. Bernoulli's ligning Bernoulli's ligning er et matematisk udtryk for følgende: Summen af den statiske trykhøjde, hastighedshøjden og geometrisk højde er en konstant størrelse for strømmende væsker. Den kan også udtrykkes som: Summen af statisk energi og hastighedsenergi er konstant i vandret liggende rør. Den grundlæggende forståelse af Bernoulli's ligning er vigtig, idet ligningen danner grundlaget for mange af de målertyper, vi skal se på.

6 Differenstrykmålere Grundlæggende princip Det grundlæggende princip for differenstryksmålere er kontinuitetsligningen og Bernoulli's ligning. Samtlige disse målere er afhængige af det faktum, at når en væske strømmer igennem en indsnævring, så stiger væskehastigheden. Dette betyder, at bevægelsesenergien stiger, og som konsekvens heraf falder det statiske tryk, idet energien er konstant. Ved at simplificere de matematiske udtryk, fremkommer man til en formel, der hedder Q = K * 2* dp * ρ hvor - Q er volumenflow K er konstant afhængig af primær elementet DP er det målte differenstryk ρ er produktets densitet v 1 v 2 v 1 Ptotal 1 = Pstat 1 + Pdyn 1 P total2 = P stat2 + P dyn2 + dw Tryktab = dp P Pdyn 1 P dyn2 dw dp P stat 1 P stat 2 Bemærk: dp bliver delvist omdannet til statisk tryk. Rest -: Tryk dw Som det kan ses af formlen, skal kvadratroden af differenstrykket uddrages, før der fås et lineært flowsignal. Desuden har disse målertyper den ulempe, at de forårsager et blivende tryktab, som kan være meget dyrt. Måleblænder Måleblænder har været brugt i mange år og har vundet meget stor udbredelse. I dag er måleblænder så veldokumenterede under de forskellige driftsforhold, at der findes internationale normer m.h.t. udformning og montage af disse. Den norm, der anvendes her i landet, er oftest DIN-normen DIN Heri er angivet al væsentlig information, som kan have interesse eller betydning for, hvordan en måleblænde anvendes og opfører sig under forskellige forhold.

7 Differenstrykmålere Afhængig af medie og måleopgaven vælges blænder enten som koncentriske eller excentriske blænder, og samtidig tilpasses det opståede differenstryk og det blivende tryktab til den aktuelle opgave. flow q DN DN 2000 undivided undivided orifice orifice corner corner tapping tapping annular annular chamber chamber orifice orifice corner corner tapping tapping orifice orifice flange flange flange flange tapping tapping En flowmåling baseret på en blændemåling vil altid involvere en eller anden form for differenstryksmåling, og det er her en begrænsning i måleprincippet fremkommer, idet, på grund af uddragning af differenstrykket, skal differenstryksmåleren kunne måle over et område, der er kvadratisk i forhold til flowområdet, f.eks.: Der ønskes et flow fra 1:10, dette vil medføre, at differenstryksmåleren skal kunne arbejde over et område fra 1:100. Måleblænder fås både som koncentriske og excentriske, som f.eks. de nedenfor viste. Venturirør Disse målerør har været anvendt til mange opgaver, især der, hvor behovet for et minimalt blivende tryktab var til stede. Dette vil typisk være i systemer med et relativt stort flow, der kører mere eller mindre konstant, f.eks. i vandforsyningsledninger. Der findes utallige udformninger af venturirør. Grunden til de mange forskellige udformninger af venturirør er ønsket om en mere kompakt og billigere måler. Brugen af venturirør har mindsket kraftigt i de senere år, hvor mere nøjagtige målemetoder er fremkommet til lavere priser og uden tryktab. Dyser Dyser er mere kostbare at fremstille end måleblænder, men billigere end venturirør. De har den fordel, at det blivende tryktab over dem ofte er meget lille, samt at de kan anvendes ved måling direkte ud til atmosfæren, d.v.s. uden videre modtryk. Et andet område, hvor de har fundet anvendelse, er til abrasive eller slidende medier, idet de ikke har nogle skarpe kanter, der kan slides. Kravene til lige rørstrækning før dyser vil ofte være lige så store, hvis ikke større end til måleblænder. Pitotrør Den enkleste form for pitotrør består af et stykke bukket rør, der rettes imod flowet. Herved vil der kunne måles det totale tryk ved pitotrøret. En almindelig trykmåling på rørsystemet vil angive det q P dyn = 0

8 Differenstrykmålere statiske tryk. Differensen mellem disse to tryk vil være et udtryk for det dynamiske tryk og derved, når kvadratroden er uddraget, flowet. Pitotrør har fundet stor udbredelse, især inden for ventilationsbranchen. De har dog den ulempe, at de kun måler flowet i ét punkt, og derved vil en sådan måling være meget følsom over for profilændringer. For at imødegå nogle af disse flowprofilproblemer er der udvikle forskellige former for midlende pitotrør, idet disse oftest måle det dynamiske tryk, eller en såkaldt middelværdi for det dynamiske tryk i flere punkter i måletværsnittet. Fordelen ved alle disse målere er naturligvis den lave anskaffelsespris, men de har samme begrænsninger som måleblænden m.h.t. måleområde. q P dyn + P stat P stat D Det midlende pitorør er også kendt under navnet Annubar - som dækker over et handelsnavn for et type pitotrør med en speciel udformning. Andre måletyper, der benytter differenstrykprincippet Variabel Area målere (Rotametre) Disse målere betegnes ofte ved navnet "Rotameter". I sin enkleste form er en variabel arealmåler et konisk rørstykke, der er gennemsigtigt, hvorpå der er graveret en skala. Inden i røret er der en flyder, som kan være rund eller konisk. Når der ikke er noget flow, så hviler flyderen på bunden af røret. Når mediet begynder at strømme, så løftes flyderen fra sædet, således at der opstår ligevægt mellem tryktabet over flyderen og opdriften samt tyngdekraften. Ved stigende flow vil flyderen stige op i det koniske rør, således at gennemstrømningsarealet forbi flyderen stiger. Højden af flyderen er derved et mål for flowet, der passerer den. Det er vigtigt, at flyderen forbliver centreret i røret, og måden, hvorved dette opnås, kan enten være v.h.a. indvendige svulster i røret eller v.h.a. en styrepind igennem flyderen. Til opgaver med høje tryk og temperaturer udformes VA-målere oftest af metalrør, idet den koniske flyderstilling aftastes magnetisk. Denne stillingsangivelse kan derefter omformes til et standardsignal. Ved anvendelse af VA-måler skal der tages hensyn til ændringer i vægtfylde og viskositet, idet der dog findes visse fabrikater og flyderudformninger, som sikrer imod viskositetsfølsomhed.

9 Differenstrykmålere F G = V f * ρ f * g F A = V f * ρ m * g V F s = c w * A f * 2 * ρ 2 Hvor - F g = Tyngdekraften F A = Opdriften F s = Strømningskraften m Generelt er nøjagtigheden af VA-måler ikke bedre end 2-3 % af fuld skala, idet der dog kan leveres modeller, der er kalibreret til specielle opgaver, hvor målenøjagtigheden kan komme ned på 0,5-1% af fuld skalaværdi. Target-målere Disse målere arbejder lidt efter samme princip som VA-målere, idet der dog her er tale om et vippearrangement. Target-flowmåler skal, for at kunne anvendes med rimelig nøjagtighed, være kalibreret fra fabrikken sammen med det rør, den skal sidde i. Disse målertyper bør ikke anvendes under Reynold's tal på grund af den store ændring i linearitet ved disse flow. Target-flowmåler kan med fordel anvendes i applikationer med stort tørstofindhold, hvor en normal måleblænde hurtigt vil stoppe til. Nøjagtigheder i området 3-5% af fuld skala er typiske for disse apparater, såfremt de er kalibreret. Oftest anvendes target-princip i flowswitches d.v.s. kun som flow/no flow givere - typisk i kritiske systemer som kølevandskreds. Fjederbelastede målere For at imødekomme kravet om montage i alle former for rørføring, d.v.s. både horisontalt og vertikalt nedadgående flow, er der sket en videreudvikling af VA-målerne. Der findes forskellige typer af

10 Differenstrykmålere fjederbelastede målere på markedet med forskellige former for linearitet, men princippet i dem er, at det ikke er graviteten, der danner modstand for en flyder i et rør, men en fjeder. Disse målertyper kan leveres med både visuel aftastning såvel som elektronisk/pneumatisk udgangssignal. Fordele og ulemper ved differenstrykmålere Igennem mange år har disse målertyper været de absolut mest udbredte til kontinuerlig måling, idet fordelen bestod i en relativt fornuftig anskaffelsespris og en forholdsvis enkel montage og enkel vedligeholdelsesform. I dag vælges differenstryksmåleren oftest af vane, idet der på markedet er fremkommet målertyper, der er mere nøjagtige og måler over et større måleområde til de samme penge. Eksempler herpå er de magnetiske flowmålere og Vortex målere. Ulempen ved alle disse differenstryksmålere er det relativt lille måleområde samt den generelt dårlige nøjagtighed. Ved anvendelse af måleblænder ifølge DIN 1952, hvor måleblænden ikke vådkalibreres, skal der ikke påregnes en nøjagtighed bedre end 2-3% af aktuelt flow over et område på 1-4 (d.v.s. fra 25 til 100% flow). Ved måling på gasser bør man altid beregne Reynold's tal ved det mindste flow, der ønskes målt. Reynold's tal skal ved det mindste flow mindst være for at sikre den ønskede nøjagtighed. ISO / DIN standardized since 1929 well-known highly accepted reliable: data independent from manufacturer s marketing dp primary easily separated no interruption of process for transmitter exchange cheap + easy modernizing of measuring unit: just upgrade the dp transmitter universal for all fluids perfect principle for Gas / Steam / Liquid, proven under extreme process conditions dp is universal not only dp Flow also dp Level and pure dp (pumps,...) reduction of stock costs, standstill costs and staff education costs Process interface purely mechanical: rugged reliable Deltabar S is High-Tech Transmitter perfect total performance HART and fieldbus solutions self-check ceramic cell N o 1 flow principle worldwide

11 Magnetisk induktiv flowmåler Magnetisk induktive flowmålere Princippet i den magnetiske flowmåler er baseret på Faraday's lov om induktion. Lettere omskrevet siger Faraday's lov følgende: "Hvis man bevæger en elektrisk leder igennem et magnetfelt, så vil der vinkelret på lederens bevægelsesretning opstå en spænding, der er ligefrem proportional med lederens bevægelseshastighed." Faraday's lov : U = v * l * B, Hvor U er den inducerede spænding V er lederens hastighed L er lederens længde B er magnetfeltets styrke I den magnetiske flowmåler er det mediet, der er lederen, man skal således lægge mærke til, at Faraday ikke stiller krav til, hvor god lederen skulle være - men blot at den skal være "elektrisk ledende". Mekanisk opbygning En magnetisk flowmåler er opbygget af et stykke rør, der er lavet af noget ikke magnetisk materiale. Røret er indvendigt beklædt med en foring af ikke ledende materiale. Inden i denne foring placeres to eller flere elektroder.

12 Magnetisk induktiv flowmåler Vinkelret på elektrodeakslen, uden på røret, monteres to magnetspoler, der danner magnetfeltet igennem røret. måleren kan så være forsynet med flanger eller opbygges uden flanger til indbygning mellem flanger. Valget af foring og elektrodemateriale er afhængigt af mediet, idet der skal tages hensyn til følgende parametre: Tryk Temperatur Mediets aggressivitet Temperaturchok Udformning af magnetfeltet Den spænding, der ønskes aftastet ved elektroderne, skal svare til den middelhastighed, der er i måleren. Ved ideelle flowkonditioner, d.v.s. ved turbulent flow og lang lige rørstrækning før måleren, er det ikke så svært at få en middelværdi, der passer, men ved ikke veldefinerede flowprofiler er problemet helt anderledes. Den ideelle magnetiske flowmåler er uafhængig af flowprofil, da spændingsbidraget til elektroden for hver molekyle i mediet skal svare til det pågældende molekyles hastighed. Dette kan imidlertid ikke lade sig gøre fuldt ud. Baseret på beregninger samt emperiske tal har hvert fabrikat af magnetiske flowmålere fundet frem til en magnetfeltsfordeling i en magnetisk flowmåler, som de hver påstår, giver det bedste resultat.

13 Magnetisk induktiv flowmåler Denne magnetfeltsfordeling kan meget enkelt forklares på følgende måde: Måletværsnittet igennem måleren deles op i et vist antal områder (20-60 stk.). Derefter vikles magnetfeltet således, at hvert molekyle i det område påvirkes af et magnetfelt af korrekt - med andre ord - k = n= v n n= 0 Hvor k er konstant V er mediets hastighed på stedet n I praksis styres magnetfeltets udformning v.hj.a. nogle metalstykker, der placeres inde i spolerne suppleret med nogle stykker mellem spolerne - for at styre returfluksen. Forskning på dette område har i dag medført, at der typisk ikke stilles krav på mere end 3 til 5 gange diameteren i rørføringen før en magnetisk flowmåler. Da målingen i bund og grund er en hastighedsmåling, er det et must - for at få en korrekt måling - at målerøret er væskefyldt. En tomrørselektrode benyttes til løbende at kontrollere om dette krav er overholdt.

14 Magnetisk induktiv flowmåler Excitation af magnetfeltet Strømmen, der sendes igennem spolerne, kaldes excitationsstrømmen. Denne strøm kan ikke være en jævnstrøm, fordi der hurtigt vil opstå en polarisation ved elektroderne, der vil medføre, at der ikke vil kunne måles. De første kommercielle målere var derfor exciteret direkte fra nettet - d.v.s. med 50 Hz. AC. AC excitationen anvendes stadig på nogle målertyper i dag, idet den frembyder visse fordele ved måling i 2-fase medier. Ulemperne ved AC excitation er følgende: Nulpunkt er afhængigt af temperatur, komponentdrift, belægninger i målerør samt større ledningsevnevariationer. Stort effektforbrug: Typisk 5 til 10 gange mere end de moderne målere. Følsomhed over for elektrisk støj i og omkring måleren. På baggrund af disse ulemper blev den næste generation af magnetisk-induktive flowmålere forsynet med en pulserende DC excitation. Fordelen herved blev: Absolut nulpunktsstabilitet Lavere effektforbrug Mere nøjagtig p.gr.a. bedre signalfiltrering. Plus-minus excitation.

15 Magnetisk induktiv flowmåler Flowet beregnes som : ( B A) + ( C D) Q = 2 Frekvensen ved +/- excitation er sjældent større end ca. 10 Hz., dog er der udviklet specielle målere med op til 125 Hz excitation. Disse målere anvendes især til meget hurtige målinger (tidskonstant) eller ved pulserende flow. Signalbehandling I transmitteren omsættes den målte spænding (hastighed) til flow. Da det er meget små spændinger som aftastes på elektroderne (typisk nogle mv) er det vigtigt at sørge for signalet kommer velbeholdent frem til transmitteren - benyttes en måler i adskilt udførelse er nødvendigt at benyttede skærmede kabler, ofte sammenholdt med en særlig teknik, hvor der benyttes "aktive skærme" - dvs. skærmen er forsynet med et beskyttelse potential. Tidligere dimensionerede man magnetisk induktive flowmålere således at den maksimale hastighed lå mellem 2 og 4 m/s - dette var et kompromis mellem anvendeligt måleområde og mekanisk slidtage på målerens foring. Med indførelse af den digitale teknik, kan man i dag se næsten bort fra disse "håndregler". Hos Endress+Hauser benytter man således 3 operationsforstærkere, der dækker området fra 0-10 m/s. De 3 forstærkere er indstillet, så der forekommer en automatisk indkobling, når usikkerheden på det aktuelle trin vurderes at være for stor. Det betyder også at man i dag kan

16 Magnetisk induktiv flowmåler anvende en magnetisk induktiv flowmåler i et maksimalt område på 1000:1 eller med andre ord ned til en flowhastighed på 0,01m/s.

17 Vortex flowmåler VORTEX-MÅLERE Denne målertype har nu været på markedet i ca. 15 år og har efterhånden udviklet sig til en pålidelig målemetode. Teorien bag Vortex flowmåler målerne er egentlig ret enkel, idet den er baseret på et fænomen, som vi, i vort blæsende land, kan betragte næsten hver dag, nemlig blafren af et flag. Grunden til, at flaget egentlig blafrer, er, at der er en flagstang. Ved vindens passage henover flagstangen dannes der nemlig nogle hvirvler, som forårsager, at flaget blafrer. Dette fænomen kan også betragtes ved bropiller ved stærk strøm eller i vandløb bagved sten og lignende. Ved lave flowhastigheder når mediet nemlig at følge legemets overflade, og der opstår ingen hvirveldannelse. På et tidspunkt, når flowhastigheden øges, kan mediet ikke længere følge legemets overflade og presses væk fra det. Dette får mediet til at øge hastigheden i et givet område, og et lavtryksområde opstår (ivf. Bernoulli's ligning). Dette medfører, at mediet - eller en del af det - strømmer tilbage bagved legemet, hvorved flowmønstret krøller lidt sammen, og der dannes hvirvler. Frekvensen af disse hvirvler er ligefrem proportional med hastigheden af væsken. Disse hvirvler rives væk fra legemet og flyder væk fra obstruktionen. Den indbyrdes afstand mellem disse hvirvler bestemmes af legemets udformning.

18 Vortex flowmåler Fænomenet blev iagtaget allerede i 1912 af von Karmen. Hans eksperimenter medførte, at man kunne definere sammenhængen mellem den indbyrdes afstand mellem hvirvlerne på tværs og det indskudte legemes udformning. På grund af dette arbejde har von Karman lagt navn til det konstante hvirvelmønster, der dannes bagved et bredt, indskudt legeme, idet mønsteret kaldes Von Karmans Vortex Street eller Von Karmans Vortex Tail. I forbindelse med oscillerende fænomener anvendes en konstant, der hedder Strouhal's tal, der er dimensionsløs. Formlen for flowhastigheden er: v = f * d S hvor S = f = d = v = Strouhal's tal hvirveldannelsens frekvens hvirvellegemets dimension flowhastigheden Da legemets dimension er konstant, og Strouhal's tal er fastsat af legemets udformning, er formlen et udtryk for, at der ved en given flowhastighed vil være proportional med en given hvirveldannelses frekvens. Det er dette princip, der anvendes ved konstruktion af en Vortexmåler.

19 Vortex flowmåler Der findes mange forskellige metoder til aftastning af disse hvirvler, dog er de fleste baseret på at aftaste trykdifferensen, eller trykforskellen. Denne form for Vortex måler kaldes Vortex Shedding, idet hvirvlerne bliver revet af fra obstruktionen eller hvirvellegemet. Fordelen ved måleprincippet er, at det kan anvendes til både væsker, gas og damp, da det er ufølsomt over for ændringer i vægtfylde og viskositet, dvs. det måler altid volumen. Liquids Steam Gases

20 Vortex flowmåler Vægtfylden i sig selv spiller dog en rolle ved fastsættelse af Vortex flowmålerens måleområde, ligesom viskositeten også har indvirken på målerens funktions område. Den nedre grænse for en målerens måleområde kan faktisk udtrykkes ved Reynold's tallet. Som det kan ses af formlen for hastigheden, så er udgangssignalet for en Vortex flowmåler lineær til flowet, og det er netop p.gr.a. dette fænomen, at Vortex målere er ved at vinde indpas som erstatning for måleblænder, typisk i gas- og dampinstallationer, idet de i dag kan leveres til drift med medietemperaturer op til 400 C. Det lineære udgangssignal medfører, at måleområder på 1:15 kan opnås på væsker og 1:10 på damp, med en nøjagtighed på 1% af aktuel værdi - dog kan målerene ikke fabrikeres i dimensioner mindre en Ø15 mm, da det ikke er muligt rent fysisk at få placeres en obstruktion, samt en sensor i et mindre rør. SWIRLMETER Swirlmeteret er egentlig et fabrikatnavn for en Vortex-måler baseret på Vortex-precessions flowmåler. Et swirlmeter består af et venturilignende målerør med en varm termistor eller piezokrystal som sensor ved den mindste diameter.

21 Vortex flowmåler På indløbssiden af måleren er der nogle fastmonterede ledeskovle, der gør, at mediet sættes i rotation. Når mediet er i rotation og hastigheden øges (p.gr.a. indsnævring i diameter), dannes et spiralformet flowprofil. Der vil, fordi der i midten af røret dannes en zone med meget høj hastighed (lavt tryk), dannes en spiral. Denne spiralform består af områder med højt og lavt tryk. Disse trykvariationer aftastes af sensoren i form af pulser. Denne aftastnings frekvens er ligefrem proportional med hastigheden og derved med flowet. Swirlmeteret udmærker sig ved at måle lineært over et stort måleområde med relativt lavt blivende tryktab. Ulempen er dog dets produktionsomkostninger, som har medført den ringe udbredelse. MÅLER BASERET PÅ COANDAEFFEKTEN Disse målere betegnes ofte Fluidic-flowmålere. Disse målere har det tilfælles, at de allesammen gør brug af coandaeffekten. Coandaeffekten er det fænomen, der gør, at en væske klæber til en overflade, den strømmer forbi. Grunden til, at mediet klæber til en overflade, er følgende: Når et medie strømmer ind i et område, hvor der er en væg umiddelbart op af mediestrålen, så vil strålen bringe mediet i området mellem strålen og væggen i hvirvelbevægelse. Denne hvirvelbevægelse medfører, at der dannes et lavtryk i dette område. Differenstrykket over strålen vil således presse strålen ind mod væggen, hvorved den hvirveldannelse intensiveres, og derved fastholdes strålen stabilt op ad væggen.

22 Vortex flowmåler Principskitsen viser en flowmåler, der gør anvendelse af coandaeffekten. Ved en begyndende gennemstrømning igennem måleren vil mediet klæbe sig op ad den ene væg. En del af mediestrømmen ledes tilbage, og denne tilbageføringsstrøm vil medføre, at strålen presses op mod den anden væg, og derovre sker det samme, d.v.s. mediet vil oscillere frem og tilbage mellem de to vægge i måleren. Denne oscillation kan aftastes af f.eks. en varm termistor eller et piezokrystal. Pulserne fra dette apparat kan så omformes til standardsignaler.

23 Coriolis masseflowmåler Coriolis masseflowmåler Hvorfor skal man måle masseflow? Alle kender vittigheden om hvad der er tungest - 1 kilogram bly eller 1 kilogram fjer. Svaret giver jo sig selv, og forklarer også fordelene ved at måle masseflow fremfor volumenflow. Målingen er uafhængig af ændringer i volumen - dvs. uafhængig af påvirkninger fra temperatur- og tryk variationer uanset produktets beskaffenhed. Volume 1 Volume 2 Mass 1 = Mass 2 Masse 1 Volumen 1 Masse 2 Volumen 2 Et legemes masse på jorden bestemmes normalt ved at veje det, men masse kan også bestemmes ved at måle den acceleration som legemet påvirkes af fra en ekstern kraft. Grundlaget for dette er Newtons 2. lov om bevægelse : "Kraft = masse x acceleration" Når man vil måle masseflow af væsker i rør, er det vanskeligt at lave en aktuel måling, da en accelerationsmåling er forholdsvis vanskelig. På den baggrund bliver masseflow normalt beregnet ud fra flowhastigheden, i det der korrigeres for densitet eller tryk og temperaturen. Mange forskellige måleprincipper er afprøvet i forsøget på at bestemme masseflow v.hj.a. kraft og acceleration, men kun et princip er accepteret indenfor industrien til masseflowmåling. Princippet bygger på et gyrostatisk princip sammen med Coriolis accelerationen eller corioliskraften. I alle systemer der roterer om en akse, bliver der genereret en Corioliskraft, når et legeme bevæger sig radiært i systemet. Hvis et legeme, (massen) placeret på en skive, bevæger sig fra centrum og ud til kanten, kan det kun bevæge sig den korteste vej ved at»læne«sig op ad en kraft, der prøver at presse

24 Coriolis masseflowmåler U m F v ω = Angular velocity v = Radial velocity F = Effective force U m v u = Peripheral velocity F ω U m v F legemet væk fra den lige vej. Det er Coriolis accelerationen der danner kraften, som legemet»læner«sig mod. Coriolis kraften : F c = 2m* v * ω Tidlige målerdesign var baseret på to parallelle U-bøjede rør, der vibrerede ved deres egen resonansfrekvens. Lineære variable differential transformere (LVDT) blev brugt som pick-up sensorer. Sensorerne placeredes på indløbs- og udløbssiden, så de kan detektere bevægelsen af indløbs- og udløbssektionen, hvorfra signalerne sendtes videre til et kredsløb, der måler tidsforskellen mellem de to oscillatorer - tidsforskellen er proportional med masseflowet. ω F c = Angular velocity = Coriolis force ϕ = Phase shift A,B = Sensors y = Amplitude t = Time ϕ ~ F c ~ m

25 Coriolis masseflowmåler Bøjede, S-formede eller drejede rør anvendes til mekanisk at forstærke tidsforskellen mellem to målte oscillationer. Ikke uden problemer Selvom disse Coriolis masseflow målere fungerer godt med stor nøjagtighed, er de ikke uden problemer. Bøjede eller drejede rør har en relativ høj masse. Det resulterer i lav vibrationsfrekvens, typisk mellem 80 og 100 Hz, der gør måleren følsom overfor rørvibrationer og dårlig installation. De fleste rørvibrationer opstår i området under 100 Hz og kan give anledning til nulpunktsdrift og hermed målefejl. Kræfter i rørledningen, hvor måleren er installeret, kan forårsage nulpunktsskift og igen give målefejl. (Måleren viser flow, når der ikke er det). Eftersom disse målere anvender LVDT aftastning og kredsen måler tidsforskellen, er det vanskeligt med dette princip at gå op i aftastningsfrekvens. Det skyldes det faktum, at tidsforskellen skal måles i nanosekundområdet, hvis der anvendes høje frekvenser og man samtidig ønsker at måle lave flowmængder. Tidligere design af Coriolismålere havde store fysiske dimensioner, hvilket førte til mange installationsproblemer ved applikationer med begrænset indbygningsplads. Bøjede eller drejede rør giver større tryktab, der reducerer flowmængden og øger energiforbruget til pumpning. Endress+Hauser's masseflowmåler Endress+Hauser har udviklet - og patenteret - en Coriolis masseflowmåler, der imødekommer foranstående problemer og anvender Coriolis princippet til nøjagtig masseflowmåling. Måleprincippet beskrives kort som følger: Ved excitation, bliver et helt ret målerør bragt i resonanssvingninger. To induktive sensorer er placeret på ind- og udløbssiden til at detektere faseskiftet. Når der ikke løber produkt gennem måleren vil der ikke være faseskift, men ved en flow vil partiklen få en lodret acceleration. Partiklen vil modtage energi fra det oscillerende målerør og herved dæmpe vibrationerne på indløbssiden. V = 0 V > 0 F c F c

26 Coriolis masseflowmåler Medens partiklen passerer gennem målerøret vil den give den optagne energi tilbage til målerøret, og herved forstærke svingningerne af målerøret på udløbssiden. De to sensorer måler faseskiftet, der er direkte proportionalt med masseflowet. Systemet arbejder med en relativt høje resonansfrekvens - højere end 600 Hz, hvilket giver ekstrem kort responstid ved flowændringer og samtidig immun overfor industrielle vibrationer (typisk Hz). Stabiliteten er yderligere forbedret ved at anvende to målerør der "svinger" i modfase (som en stemmegaffel). Kan erstatte vejesystemer Coriolis masseflowmåleren stiller ikke krav til rørlængder før - og efter måler. (Ingen lige rørstrækning er påkrævet). Måleprincippet er uafhængigt af flowparametre såsom: densitet, viskositet og temperatur. Imidlertid kan den ikke bruges til at måle på multifaseflow, ligesom der kun kan måles medier med et vist gas/luft indhold (typisk op til 10 % - afhængig blandings homogenitet). Coriolis masseflowmålere kan uden problemer erstatte vejesystemer i batch- og doseringsprocesser. Det giver brugeren et in-line vejesystem med mange fordele, f.eks. kontinuerlig vejning, nem rengøring og relativ lave installationsomkostninger i forhold til et vejecellesystem. I øjeblikket er der omkring 12 forskellige leverandører at vælge imellem. De fleste tilbyder målere fra DN 80 mm og nedefter, der kan dog leveres målere op til DN 150mm.

27 Coriolis masseflowmåler Fordele: Direkte, in-line masseflowmåling uden tryk- og temperaturkompensation. Måling indenfor visse grænser er uafhængig af ledningsevne, viscositet, densitet, gasog faststofindhold i mediet. Masseflow-, densitets- og temperaturudgang fra én måler. Begrænsninger: Høj temperatur (maks. 180 o C) Vibrationer (afhængig af konstruktion) Stort indhold af gas i mediet.

28 Ultralydsflowmålere Den forsatte udvikling af ny og mere kraftfuld elektronik har gjort det muligt at forcere udviklingen indenfor ultralydsflowmåling. En ny og forbedret teknik til signalbehandling har gjort måleprincippet endnu mere pålideligt, og dermed åbnet op for anvendelser, som ikke tidligere har været tilgængelige for dette princip. I dag er en af de største fordele ved ultralydsflowmålere således muligheden for at lave en kontaktfri måling i et lukket system. Med de nye clamp on principper kan måleren installeres direkte uden på målerøret, uden at bryde ind i processen. Måleprincippet er således blevet uafhængig af korrosion og procestryk, samtidig med det tilbyder en høj fleksibilitet idet samme måleenhed kan anvendes på flere rørstørrelser ja endog flyttes fra det ene målested til det andet. To forskellige principper til hver sin type opgaver Når man i dag taler om ultralydsflowmåling til montage udenpå målerøret, taler man grundlæggende om to forskellige måleprincipper, der hver især er velegnet til forskelligartede opgaver, og det er derfor vigtigt at man vælger det rigtige grundprincip til sin opgave, da målingen ellers ikke vil være til at stole på. Dopler princippet Er en flowmåler til væsker som indeholder partikler eller luftbobler, disse skal have en akustisk impedans, der er forskellig fra væsken. Selve målingen foregår ved at sende et ultralydssignal ind i væsken, signalet reflekteres når det møder partikler (ændrede akustiske egenskaber). Frekvensen af det reflekterede signal ændres proportionalt med hastigheden på partiklerne og væske hastigheden udledes således indirekte, idet det forudsættes at væsken og partiklerne har samme hastighed. En flowmåler efter Dopler princippet opererer typisk med frekvenser omkring 0,5MHz, og man kan forvente en nøjagtighed på 3-5% med disse principper. f ~ Q I Dopler princippet gælder at differensfrekvensen er proportional med volumenflowet Transit time princippet er en flowmåler til rene væsker, da ultralydssignalet skal kunne løbe uhindret mellem to sensorer. Selve målingen foregår ved at der samtidig udsendes ét ultralydssignal medstrøms og ét modstrøms.

29 Ultralydsflowmålere Da modstrøms signalet vil være længere tid undervejs, vil forskellen i vandringstiderne være et udtryk for væskehastigheden, som kan beregnes rent elektronisk. En flowmåler efter transit time princippet vil typisk arbejde i et område mellem 0,5 og 4 MHz, og kan i kalibrerede systemer tilbydes med nøjagtigheder bedre end 0,5%. I clamp on systemer, installeret på stedet må man dog regne med en nøjagtighed omkring 2% grundet usikkerhed omkring de fysiske parametre. A v flow ~ T BA - T AB B Opbygning af et transit time system Et clamp on målesystem består af en række komponenter, der sammenbygget og indstillet bliver til en flowmåler. Aftastningsdelen består af de to målesensorer, et montagearrangement samt kabler til forsyning og signaloverførsel. Ved et systemvalg er det vigtigt at vurdere den mekaniske stabilitet i dette arrangement ligesom systemer der skal flyttes fra sted til sted bør være enkle at samle.

30 w Flowmåling Ultralydsflowmålere En fast måleskinne, der viser placering af sensorerne sammenholdt et enkelt låsesystem, garanterer at afstanden udmåles korrekt, og at sensor placeringen ikke skrider gennem tiden. Transmitteren er hjertet i selve målingen det er her den nye teknik har gjort sit indtog. Udover at foretage de nødvendige beregninger, er det transmitteren som indeholder de informationer som afgør om systemet er let eller vanskeligt at arbejde med. En moderne transmitter beregninger således den korrekte sensor placering på baggrund af simple valg dvs. brugeren blot skal vælge rørmateriale, - dimension og tykkelse, samt hvilken væske der måles på. Videndatabasen omkring lydhastigheder, brydningsvinkler etc. er således indeholdt i transmitteren, og danner grundlag for beregningen. Er man i tvivl om nogle af disse parametre, eller findes materialerne ikke i databasen, kan man enten finde informationer på normal vis eller måle sig frem. Flere leverandører tilbyder således sensorer til måling af såvel vægtykkelse, som lydhastighed i væsken, hvilket giver en yderligere sikkerhed for at måleresultatet bliver optimalt. Generelle krav til en clamp on måler En måler som monteres udenpå et rør vil alt andet lige være mindre nøjagtig end en måler som er en kalibreret enhed, men målenøjagtigheden kan forbedres væsentlig ved at overholde nogle få regler. Rørdimensioner og materialer Clamp on målere kan fås til rør med dimensioner fra 10mm op til mere end mm, eneste begrænsning er således sensorernes fysiske dimensioner og de aktuelle montagebeslags udformning. Til gengæld skal man lidt opmærksom på hvilke rør måleren skal monteres på, da materialet skal være gennemsigtigt for ultralyd dvs. et homogent materiale uden luft. Beton og støbegods er materialer der umuliggør en måling, mens man skal være opmærksom på malede og coatede rør kan have en overgangszone, hvor der kan opstå luftlommer. ϕ β α Rørtykkelsen er også en af de parametre man skal tage i ed før en korrekt måling kan foretages. Lyden brydes i overgangen mellem forskellige materialer, og det er derfor nødvendigt for en korrekt montage af sensorerne at kende rørets specifikationer, så ikke ultralydssignalet rammer forbi modtageren.

31 Ultralydsflowmålere Flowmængder og -profiler Ultralydsbølgerne følger kun rette linier, hvorfor de kun passerer gennem en del af den væske som skal måles det betyder også, at der stilles krav til hastighedsprofilet på målestedet, som skal være ensartet, i termer tales således om laminart flow (Reynolds tal < 2000) eller turbulent flow (Reynold tal >4000). Disse forhold opnås kun med den korrekte rørføring for og efter målestedet typisk 15 x lige rørføring før første sensor og 5 x lige rørføring efter sidste sensor. Ændring i tilløbsforholdene afspejles direkte i målenøjagtigheden, og generelt kan man sige, at jo længere indløb desto bedre måling. Clamp on målere kan benyttes til en maksimal flowhastihghed på 15 m/s, mens Dopler princippet anvendes ned til flowhastigheder på 0,2 m/s. Transit time princippet klarer lave flow lidt bedre og kan måle ned til 0,05 m/s. Proces konditioner Da sensorerne monteres udenpå de eksisterende rør, er dette princip ufølsomt overfor såvel væsketryk som korrosive angreb fra produktet, og de kan derfor fremstilles i materialer, som primært tilgodeser måleprincip og produktion. Det betyder at der i de fleste sensorer indgår en del kunststof, med begrænsede termiske egenskaber men den egentlige temperatur begrænsning ligger i den koblingspasta, som anvendes til overgangen mellem rør og sensor. Pasta har tendens til at udtørre (fordampning), hvorfor man arbejder med forskellige sammensætninger, så vi i dag kan arbejde op til 170 o C med en særlig olie baseret koblingspasta. Ideelle forhold Kritiske forhold Ikke egnet Partikler & Gasser Homogenitet 2. fase < 0.5% Homogene væske (2. Komponent < 1%) Ensartet blanding 2. fase > 0.5% til < 5% 2. Komponent < 25% 2. fase > 5% Ikke opblandede medier Belægninger / Aflejringer Ingen belægninger eller aflejringer Mindre belægninger (< 3mm) Tykke belægninger (> 3mm) Medietryk Temperatur Ingen begrænsninger for væstrykket (ikke i berøring) -40 C C Viskositet < 200cSt. 200 til 1000cSt. > 1000cSt. Ideelle forhold Kritiske forhold Ikke egnet Måleområde 0.3 til 15 m/s < 0.3 m/s Dimension 50 til 2500 mm > 2500 mm < 50 mm Indløbs stræk > 15 x DN lige indløb og 3 x DN lige udløb > 10 x DN lige indløb (mere unøjagtig) > 1 x DN lige indløb, direkte efter bøjning, ekspansion, ventil eller pumpe Indbygningsforhold Horisontal eller vertikal - flow nedefra/op Vertikal med flow oppefra/ned

32 Flowmåling i åbne render/kanaler Ved måling af flow i åbne kanaler eller ikke fuldtløbende rør af store dimensioner kan ingen af de føromtalte målertyper anvendes. Ved måling af flow i åbne kanaler anvendes to grundlæggende, forskellige metoder: Den enkleste, form er vel nok overfaldsflowmåling, hvor overfaldet kan have forskellige udformninger, såsom rektangulær, trapezformet eller Vformet. Opstuvningsmåleren, til gengæld, har altid udformning efter noget, der ligner et venturirør, d.v.s. med en indløbsdel, en midterdel og en udløbsdel. Fælles for begge principper er, at flowet er ligefremt proportionalt med højden af væsken, enten over overfaldet eller i opstuvningsmåleren. Derfor kræves det, for at kunne måle flowet, at højden måles. Denne højde kan måles på forskellig måde, idet den mest anvendte er ultralydsniveaumåling baseret på ekkolod princippet. På ældre anlæg findes mange mekanisk baserede niveaumålinger, men på

33 Flowmåling i åbne render/kanaler grund af den krævende vedligeholdelse af disse samt muligheden for tilsmudsning, findes de næsten ikke mere. Ved måling i store kloakrør, f.eks., er der i dag nogle eksempler på anvendelsen af tryktransducer, der mures ind i bunden af rørene. Dette kan dog kun lade sig gøre, såfremt flowet igennem systemet kan lukkes, og hele rørsystemet drænes. Niveausignalet fra ultralydsmåleren bliver i dag, v.hj.a. mikroprocessorteknologien, direkte omsat til et lineært, flowproportionalt signal samt pulssignal til opsummering, idet enten opstuvningsmålerens eller overflademålerens dimensioner angives direkte til en samlet enhed. Det er i dag lykkedes at gøre disse systemer så små og handy, at de kan anvendes som bærbare, batteridrevne systemer ude i marken.

34 Valg af måleprincip At opstille kriterier for et endelig valg af flowmålere til konkrete opgaver kan være vanskeligt, da man skal tage forbehold for en lang række procestekniske parametre - disse kan være: Mediet der skal måles på Procestemperatur Procestryk Mediets viskositet Mediet densitet (vægtfylde) Min. og maks. flow (ønsket måleområde). Udover disse parametre, der er relateret til produktet, skal der også kigges nærmere på omgivelserne, det være sig: Indbygningsforhold Krav til nøjagtighed / godkendelser Krav til vedligehold Udgangssignaler Ønsket prisniveau I dette materiale omhandles en række måleprincipper, der alle har stærke og svage sider - en kort sammenlignende oversigt kunne se ud som følger: Måleprincip Væske diff.tryk mag.flow Coriolis Vortex Ultralyd Åben rende Ren Tørstof 3-10% Tørstof >10 % Kemisk aggressiv Elektrisk ledende Ikke el. ledende Viskositet < 10 cst Viskositet cst Viskositet > 40 cst DN < 25mm DN < 500mm DN > 500mm Stort måleområde Målenøjagtighed < 0,5% * < 0,5% < 0,25% < 0,75% 1-3 % 1-5 % FS * Kvadrat

35 Valg af måleprincip De fleste leverandører udgiver i dag software værktøjer, der kan hjælpe til med dimensioneringen af den flowmåler som skal benyttes til opgaven. Endress+Hauser's værktøj hedder Applicator og kører under Windows. Som alle software produkter er dette værktøj også "født" med en række udvælgelseskriterier, der gør nemmere at vælge det korrekte måleprincip til opgaven. Det må dog pointeres at resultatet bør vurderes kritisk - der kan jo være parametre omkring den konkrete opgave, som programmet ikke tager højde for!!