Guida al misuratore di portata Vortex: compensazione di pressione e temperatura

Un flussometro a vortice misura il flusso volumetrico rileveo la frequenza dei vortici emessi da un corpo tozzo posto nel flusso, un principio noto come effetto von Kármán. Per le applicazioni che coinvolgono vapore, gas compresso o qualsiasi fluido in cui la densità cambia in modo significativo con le condizioni operative, un misuratore di portata a vortice standard da solo non è sufficiente. Le varianti con compensazione della pressione e compensazione della temperatura integrano sensori aggiuntivi direttamente nel corpo del misuratore per calcolare il flusso di massa o il flusso volumetrico corretto in tempo reale, eliminando la necessità di strumentazione esterna e calcoli di correzione manuale. La scelta della configurazione corretta dipende dal tipo di fluido, dalla precisione richiesta e dalla variazione della pressione, della temperatura o di entrambe durante il normale funzionamento.

Come funziona un misuratore di portata a vortice

Il principio di funzionamento di a flussometro a vortice si basa su un fenomeno fluidodinamico ben consolidato. Quando il fluido scorre oltre un'ostruzione non aerodinamica, chiamata corpo tozzo o barra di shedder, vengono generati vortici alternati su ciascun lato del corpo in uno schema regolare e ripetuto. Questo modello è chiamato strada vorticosa di von Kármán.

La frequenza con cui questi vortici si liberano è direttamente proporzionale alla velocità del fluido, espressa dalla relazione Sanrouhal:

f = St × V / d

Dove f è la frequenza di distacco dei vortici, St è il numero di Strouhal adimensionale (tipicamente 0,17–0,21 per la maggior parte dei modelli di corpi tozzi), V è la velocità del fluido, e d è la larghezza del corpo tozzo. Poiché il numero di Strouhal rimane quasi costante in un ampio intervallo di numeri di Reynolds, la frequenza del vortice funge da indicatore lineare e affidabile della velocità del flusso.

Metodi di rilevamento

I vortici creano fluttuazioni di pressione oscillanti che vengono rilevate da una delle numerose tecnologie di rilevamento integrate nel o vicino al corpo tozzo:

• Sensori piezoelettrici : Il tipo più comune. Un cristallo piezoelettrico genera un piccolo segnale di tensione in risposta alla forza oscillante di ciascun vortice. Questi sensori non hanno parti mobili e sono altamente affidabili nel servizio con vapore e gas.
• Sensori di capacità : Rileva la differenza di pressione creata dai vortici utilizzando un diaframma flessibile. Meno suscettibile alle interferenze delle vibrazioni rispetto ad alcuni modelli piezoelettrici.
• Sensori ad ultrasuoni : Alcuni progetti avanzati utilizzano raggi ultrasonici diretti attraverso il foro del tubo per rilevare le fluttuazioni di velocità indotte dai vortici, consentendo misurazioni non intrusive.

Indipendentemente dal metodo di rilevamento, l'uscita di un flussometro a vortice di base è a segnale ad impulsi di frequenza proporzionale alla portata volumetrica . Per convertirlo in flusso di massa o flusso volumetrico standardizzato è necessario conoscere la densità del fluido, ed è qui che le varianti di compensazione diventano essenziali.

Perché la compensazione è necessaria per una misurazione accurata del flusso

L'uscita a impulsi di un misuratore di portata a vortice riflette il flusso volumetrico effettivo nelle condizioni operative: il volume reale che passa attraverso il misuratore in quel momento. Per molte applicazioni liquide in cui la densità è relativamente stabile, ciò è sufficiente. Ma per gas, vapore e fluidi supercritici , la relazione tra flusso volumetrico e flusso di massa è altamente sensibile sia alla pressione che alla temperatura.

Consideriamo il vapore saturo a due diverse pressioni:

• A 5 bar (assoluti) , il vapore saturo ha una densità di circa 2,67 kg/m³
• A 10 bar (assoluti) , la densità del vapore saturo aumenta a circa 5,16 kg/m³

Rappresenta la stessa lettura del flusso volumetrico in queste due condizioni quasi il doppio della portata massica a 10 bar rispetto a 5 bar. Senza tenere conto di questa differenza di densità, un sistema di fatturazione dell’energia del vapore o di controllo del processo basato esclusivamente sulla produzione volumetrica comporterebbe errori superiori 30-50% in condizioni di pressione variabile. La compensazione risolve direttamente questo problema fornendo dati di pressione e/o temperatura in tempo reale al computer di flusso per calcolare continuamente i valori corretti.

Misuratore di portata a vortice con compensazione della pressione

A flussometro a vortice con compensazione della pressione integra un trasmettitore di pressione, in genere un sensore di pressione di tipo piezoresistivo o capacitivo, nel corpo del misuratore insieme all'elemento di rilevamento del vortice. Il computer di flusso interno utilizza la lettura della pressione in tempo reale insieme alla frequenza del vortice misurata per calcolare la densità del fluido dalle tabelle delle proprietà precaricate, quindi ricava il flusso di massa o il flusso volumetrico corretto in tempo reale.

Quando la sola compensazione della pressione è sufficiente

La compensazione della pressione è appropriata – e sufficiente – quando la temperatura del fluido è costante o può essere presupposta costante entro una tolleranza accettabile. Lo scenario più comune è servizio di vapore saturo : poiché il vapore saturo esiste a una temperatura fissa per qualsiasi pressione, la sola misurazione della pressione definisce completamente lo stato termodinamico del fluido. Non è necessaria alcuna misurazione separata della temperatura per determinare la densità.

Ulteriori applicazioni adatte includono:

• Sistemi di aria compressa in cui la temperatura di alimentazione è relativamente stabile ma la pressione di linea varia con il ciclo del compressore
• Distribuzione di azoto o gas inerte a temperatura prossima a quella ambiente con pressione del collettore variabile
• Misurazione del gas naturale in cui la variazione di temperatura è modesta (entro ±10°C rispetto a un valore di riferimento)

Specifiche tipiche

La maggior parte dei misuratori di portata a vortice con compensazione della pressione sul mercato sono dotati di sensori di pressione integrati classificati per 0–4 MPa o 0–10 MPa , con precisione di misurazione della pressione tipica ±0,5% FS . L'incertezza della misurazione della portata combinata dopo la compensazione è generalmente nell'intervallo di ±1,0–1,5% di lettura per vapore e gas, rispetto a ±0,5–1,0% per il solo elemento vortice che misura il flusso volumetrico nei liquidi.

Misuratore di portata a vortice con compensazione della temperatura

A flussometro a vortice con compensazione della temperatura integra un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD) — più comunemente a Sensore Pt100 o Pt1000 classe A — nel contatore o nel suo raccordo associato immediatamente a monte/a valle. Il segnale della temperatura alimenta lo stesso computer di flusso interno, che utilizza i dati sulle proprietà del fluido per ricavare la densità e calcolare la massa o il flusso corretto.

Quando viene utilizzata la sola compensazione della temperatura

La compensazione della sola temperatura è meno comune della compensazione della sola pressione o combinata, ma ha applicazioni legittime:

• Flusso di liquido a pressione costante ma temperatura variabile : Circuiti dell'acqua calda, sistemi ad olio diatermico e circuiti dell'acqua di raffreddamento in cui la pressione delle tubazioni è regolata ma la temperatura varia in base al carico del processo
• Flusso di gas a una pressione di alimentazione stabile nota : Quando un regolatore di pressione mantiene saldamente la pressione a monte ma la temperatura ambiente o di processo varia stagionalmente o giornalmente
• Trasferimento fiscale di gas a pressione regolata : Dove la pressione è fissata per contratto o regolamento e solo la temperatura necessita di un monitoraggio attivo

Posizionamento dell'RTD e tempi di risposta

L'RTD viene generalmente installato in un pozzetto termometrico 3–5 diametri di tubo a valle del corpo del misuratore a vortice per evitare di disturbare il profilo del flusso nel punto di misurazione. La progettazione del pozzetto termometrico è importante: un pozzetto termometrico con pareti spesse aumenta il ritardo termico, che può introdurre errori transitori durante i rapidi cambiamenti di temperatura. Per processi con rapidi sbalzi di temperatura, a pozzetto termometrico a punta ridotta o a risposta rapida si consiglia un tempo di risposta inferiore a 5 secondi.

Misuratore di portata Vortex con compensazione combinata di pressione e temperatura

La variante più capace e ampiamente specificata integra sia i sensori di pressione che quelli di temperatura in un unico contatore. Con l'accesso simultaneo a entrambe le variabili, il computer di flusso interno può applicare l'intera equazione di stato del fluido: lo snervamento calcolo del flusso di massa reale senza alcuna ipotesi sulle condizioni operative .

Questa configurazione è obbligatoria per:

• Vapore surriscaldato : A differenza del vapore saturo, il vapore surriscaldato esiste a temperature superiori alla curva di saturazione per qualsiasi pressione. Sia la pressione che la temperatura sono variabili indipendentemente e devono essere entrambe misurate per determinare la densità dalle tabelle del vapore.
• Misura fiscale del gas naturale : Gli standard AGA (American Gas Association) e ISO per la misurazione del gas naturale richiedono la correzione alle condizioni di base utilizzando sia la pressione che la temperatura
• Gas di processo variabili : Flussi di gas misti, biogas o gas di scarico di processo in cui la composizione e le condizioni operative fluttuano
• Misurazione dell'energia del vapore per la fatturazione o l'allocazione : dove la produzione in BTU o kJ deve essere calcolata accuratamente in base alle variazioni delle condizioni di carico

Produttori come Yokogawa (serie digitalYEWFLO), Endress Hauser (Prowirl F 200) ed Emerson (Rosemount 8800D MultiVariable) offrono misuratori di portata a vortice multivariabile completamente integrati che misurano la frequenza, la pressione e la temperatura dei vortici in un'unica connessione al processo, emettendo la portata di massa direttamente tramite protocolli HART, FOUNDATION Fieldbus o Modbus.

Confronto: misuratori di portata a vortice standard e compensati

Requisiti di installazione che influiscono sulla precisione

Indipendentemente dalla configurazione di compensazione, i misuratori di portata a vortice sono sensibili alle distorsioni del profilo di flusso causate dalla geometria delle tubazioni a monte. Il rispetto dei requisiti diretti non è negoziabile per ottenere la precisione nominale.

Requisiti dei tubi diritti a monte e a valle

I seguenti requisiti del tratto rettilineo si applicano alla maggior parte dei misuratori di portata a vortice in condizioni di installazione standard. I requisiti effettivi variano in base al produttore e al design del misuratore:

Sensibilità alle vibrazioni e alle pulsazioni

I misuratori di portata a vortice sono intrinsecamente suscettibili alle vibrazioni meccaniche perché i loro sensori rilevano le forze oscillanti. Possono verificarsi vibrazioni della tubazione a frequenze vicine alla frequenza di distacco dei vortici falsi impulsi, perdita di segnale o letture irregolari . La maggior parte dei moderni processori di segnali digitali include un filtraggio adattivo per discriminare tra segnali di vortice e rumore di vibrazione, ma gli ambienti con vibrazioni severe – vicino a compressori, pompe o turbine a vapore – dovrebbero essere valutati attentamente. Montare il misuratore su un pezzo di bobina isolato dalle vibrazioni o spostarlo più lontano dalla fonte di vibrazioni sono strategie di rimedio pratiche.

Considerazioni sull'intervallo di flusso e sul flusso minimo

Ogni misuratore di portata a vortice ha una velocità di flusso minima misurabile, in genere 0,5–1,0 m/s per liquidi and 3–5 m/s per gas e vapore — al di sotto del quale il distacco dei vortici diventa irregolare e il segnale inaffidabile. Questa soglia inferiore è spesso chiamata velocità di taglio o flusso minimo rilevabile. Al di sotto di questo punto, il misuratore emette zero indipendentemente dal flusso effettivo, di cui si deve tenere conto in applicazioni con ampi requisiti di turndown.

Il rapporto di turndown pratico per la maggior parte dei misuratori di vortice è Da 10:1 a 20:1 , rispetto a 100:1 o più per i misuratori di portata Coriolis o magnetici. Per i sistemi a vapore che funzionano regolarmente a basso carico, ad esempio durante l'avvio dell'impianto o durante la notte, questa limitazione può causare notevoli lacune di misurazione, a meno che il contatore non sia dimensionato in modo conservativo per il flusso massimo previsto anziché per quello medio.

Una regola di dimensionamento utile: seleziona una misura in metri dove il la velocità normale del flusso operativo è compresa tra 3 e 15 m/s per gas/vapore e tra 1 e 7 m/s per i liquidi. Ciò garantisce che il punto operativo rimanga ben all'interno dell'intervallo lineare, lasciando allo stesso tempo spazio per picchi di flusso.

Selezione della giusta configurazione del misuratore di portata Vortex

Utilizzare i seguenti criteri decisionali per identificare la variante del misuratore di portata a vortice appropriata per la propria applicazione:

1. Identifica la fase fluida e la variabilità : Liquido in condizioni stabili → vortice standard. Vapore saturo o gas a pressione variabile → compensazione della pressione. Vapore surriscaldato, gas naturale o qualsiasi gas con variazione sia di pressione che di temperatura → compensazione combinata PT.
2. Determinare se è richiesto un flusso di massa o un flusso volumetrico : La fatturazione energetica, la misura fiscale e il controllo della combustione richiedono in genere un flusso di massa. Il riempimento di serbatoi o il dosaggio di processo può richiedere solo la portata volumetrica, nel qual caso può essere sufficiente un contatore standard o a compensazione singola.
3. Controllare il numero di Reynolds al flusso minimo : I misuratori di vortice richiedono un numero di Reynolds minimo di circa Ri = 20.000 per uno spargimento affidabile. Per liquidi viscosi o condizioni di flusso molto basso, questa soglia potrebbe non essere raggiungibile e dovrebbe essere presa in considerazione una tecnologia alternativa.
4. Valutare l'ambiente di installazione : Elevate vibrazioni, flusso pulsante o percorso rettilineo insufficiente possono richiedere una tecnologia di misurazione diversa o modifiche significative delle tubazioni prima che la misurazione a vortice sia fattibile.
5. Valutare i requisiti di comunicazione e integrazione : I misuratori a vortice compensati emettono più variabili di processo. Verificare che il sistema di controllo o l'infrastruttura di acquisizione dati supporti il ​​protocollo di uscita del contatore — HART, Profibus o FOUNDATION Fieldbus — prima di specificare un'unità multivariabile.

Per la maggior parte delle applicazioni di misurazione dell'energia del vapore, che rappresentano il caso d'uso singolo più ampio per i misuratori di portata a vortice compensati, un'unità combinata di compensazione di pressione e temperatura è la specifica corretta. Il costo marginale rispetto a un modello a sola pressione è modesto, mentre il miglioramento della precisione per il servizio con vapore surriscaldato è sostanziale e spesso richiesto dagli standard di gestione energetica del sito come ISO 50001.