Cos'è un misuratore di portata a vortice e come funziona?

Cos'è il flusso a vortice: la fisica dietro i misuratori di portata a vortice

Cos'è il flusso di vortice nel contesto della misurazione del flusso? Si riferisce al fenomeno della perdita di vortici, un effetto della meccanica dei fluidi che si verifica quando un flusso di fluido incontra un corpo tozzo (non aerodinamico). Il fluido che scorre non può seguire i contorni netti del corpo tozzo, si separa dalla sua superficie e forma vortici alternati in senso orario e antiorario che si riversano dai due lati del corpo in uno schema regolare e ripetuto. Questo modello di vortici alternati è chiamato la strada del vortice di Karman, dal nome del fisico ungherese-americano Ilodore von Kármán che caratterizzò matematicamente il fenomeno all'inizio del XX secolo.

Il numero di Strouhal: perché la frequenza dei vortici è uguale alla velocità del flusso

La relazione fisica chiave che rende utile la perdita di vortici per la misurazione del flusso è la relazione Strouhal. Per una data geometria del corpo tozzo in un dato tubo, il rapporto tra la frequenza di distacco del vortice (f) e la velocità del fluido (V) diviso per la dimensione caratteristica del corpo tozzo (d) è una costante adimensionale chiamata numero di Strouhal (St):

St = f × d ÷ V

Per i corpi tozzi del misuratore di portata a vortice ben progettati, il numero di Strouhal è costante su un intervallo di numeri di Reynolds compreso tra circa 10.000 e 4.000.000 , il che significa che la frequenza di distacco è strettamente proporzionale alla velocità in questo ampio intervallo. Riorganizzare la relazione Strouhal dà:

f = St × V ÷ d

Poiché St e d sono fissi per un dato corpo del contatore, misurando la frequenza f si ottiene direttamente la velocità V e moltiplicando per l'area della sezione trasversale nota del tubo si ottiene la portata volumetrica. Questo è l'intero principio di funzionamento di a Misuratore di portata a vortice : contare i vortici, calcolare la velocità, calcolare il volume. Quello del contatore Fattore K (impulsi per unità di volume) codifica il numero di Strouhal combinato e la geometria del tubo in un'unica costante di calibrazione che converte il conteggio degli impulsi grezzi in portata nell'elettronica del trasmettitore.

Come vengono rilevati i vortici: tecnologie dei sensori

Le fluttuazioni di pressione alternate create dai vortici staccati sono piccole (tipicamente Dallo 0,1 al 10% della pressione di linea ) ma misurabile. Commerciale Misuratore di portata a vortice i progetti utilizzano diverse tecnologie di sensori per rilevare queste fluttuazioni di pressione:

• Sensori piezoelettrici: La tecnologia di rilevamento dei vortici più utilizzata. Un cristallo piezoelettrico montato all'interno o dietro la barra shedder genera una piccola carica elettrica in risposta allo stress meccanico causato da ogni fluttuazione di pressione. I sensori piezoelettrici sono robusti, non richiedono alimentazione esterna per l'elemento di rilevamento stesso e funzionano in intervalli di temperatura molto ampi.
• Sensori capacitivi: Un diaframma sottile si flette in risposta alla pressione alternata del vortice, modificando la capacità di un elemento rilevatore. I sensori capacitivi forniscono un'elevata sensibilità a basse portate e vengono utilizzati in alcuni progetti di misuratori premium per estendere la rangeability nel regime di basso flusso.
• Rilevamento di vortici ad ultrasuoni: Alcuni modelli di misuratori utilizzano un raggio ultrasonico che attraversa il tubo perpendicolarmente al flusso. Ogni vortice che passa modula il fascio ultrasonico e questa frequenza di modulazione è la frequenza di distacco del vortice. Il rilevamento a ultrasuoni non presenta parti mobili bagnate e viene utilizzato in applicazioni di servizio ad elevata purezza e corrosive.

Numero di Reynolds e flusso minimo: la limitazione pratica del flusso di vortici

In genere, la relazione di Strouhal vale solo al di sopra di un numero minimo di Reynolds Re maggiore di 10.000-20.000 a seconda del design specifico del contatore. Al di sotto di questa soglia, la perdita di vortici diventa irregolare e non periodica, rendendo impossibile una misurazione accurata del flusso. Ciò definisce la portata minima misurabile per un dato fluido in una data dimensione del contatore. La velocità minima richiesta per mantenere Re sopra 10.000 dipende dalla viscosità cinematica del fluido: per acqua a 20°C è di circa da 0,3 a 0,5 m/sec , mentre per oli viscosi (superiori a 10 cSt) può essere significativamente più elevata. Questa limitazione del numero di Reynolds è la ragione principale per cui i misuratori di portata a vortice non sono adatti per applicazioni con fluidi ad alta viscosità.

Misuratore di portata a vortice a inserzione: progettazione, installazione e dimensionamento per tubi di grandi dimensioni

Il flussometro a vortice ad inserzione è uno strumento a sonda progettato per essere inserito attraverso una singola presa nella parete del tubo anziché installato in linea come un pezzo di bobina a passaggio totale. La sonda si estende nella sezione trasversale del tubo fino a una profondità in cui campiona la velocità del flusso in un punto specifico e questa velocità puntuale viene utilizzata per calcolare la velocità media e la portata volumetrica dell'intera sezione trasversale del tubo attraverso una relazione calibrata velocità-flusso. I misuratori a vortice ad inserzione sono la scelta dominante per i tubi superiori a circa DN 200 (8 pollici) dove i misuratori di vortice a passaggio totale diventano molto costosi e pesanti.

Costruzione di un misuratore di portata a vortice ad inserzione

Un tipico flussometro a vortice ad inserzione è costituito da:

• Corpo della sonda di inserimento: Un albero della sonda cilindrico o aerodinamico che passa attraverso la parete del tubo e nel flusso. La lunghezza della sonda corrisponde al diametro del tubo in modo che la barra shedder sulla punta della sonda sia posizionata alla profondità di misurazione appropriata, in genere a dal 15 al 20% dalla linea centrale del tubo o sulla linea centrale stessa a seconda del presupposto del profilo di velocità utilizzato nella calibrazione.
• Barra Shedder sulla punta della sonda: Un corpo tozzo a forma di T o di D che genera la perdita di vortici nel punto di misurazione. La geometria shedder è lavorata con tolleranze precise per garantire un numero Strouhal coerente e ripetibile.
• Isolamento del premistoppa o della valvola a sfera: La sonda è sigillata contro la pressione del tubo da un premistoppa nel punto in cui la sonda esce dalla parete del tubo. I misuratori a vortice con inserimento hot-tap includono una valvola di isolamento che consente di inserire o ritrarre la sonda mentre il tubo è sotto pressione e flusso, senza interruzione del processo.
• Custodia del trasmettitore: L'alloggiamento dell'elettronica montato sulla parte superiore della sonda, contenente il circuito di condizionamento del segnale, il display (opzionale) e l'elettronica di uscita. L'alloggiamento è classificato IP65 o IP67 per la protezione ambientale.

Calibrazione della profondità di inserimento e fattore del profilo di velocità

La precisione di un flussometro a vortice ad inserzione dipende in modo critico dalla conoscenza della relazione tra la velocità nel punto di inserimento e la velocità media lungo l'intera sezione trasversale del tubo. Questa relazione è il fattore del profilo di velocità (chiamato anche fattore contatore o fattore di inserimento). Per un profilo di flusso del tubo turbolento completamente sviluppato, il rapporto tra la velocità della linea centrale e la velocità media è approssimativamente 1,2-1,25 , il che significa che la velocità della linea centrale è dal 20 al 25% superiore alla media. Quando la sonda viene inserita nella linea centrale, la velocità misurata deve quindi essere divisa per questo fattore per ottenere la velocità media. Il fattore del profilo di velocità è influenzato da:

• Numero di Reynolds del tubo: Il fattore di profilo varia con il numero di Reynolds. Una misurazione accurata del flusso richiede la conoscenza precisa di Re o l'utilizzo di un misuratore con una profondità di inserimento che riduca al minimo la sensibilità alla forma del profilo (spesso a circa 1/6 del raggio del tubo dalla linea centrale).
• Disturbi delle tubazioni a monte: Curve, valvole, raccordi a T ed espansioni o contrazioni dei tubi distorcono il profilo di velocità dalla forma turbolenta ideale. I profili distorti richiedono tubi diritti più lunghi o correttori di profilo per ottenere la precisione nominale.
• Precisione della profondità di inserimento: La sonda deve essere posizionata esattamente alla profondità di inserimento prevista. Un errore di 10 mm di profondità di inserimento su un tubo da 500 mm introduce un errore di misura di circa dall'1 al 3% a seconda della forma del profilo di velocità in quel punto della sezione trasversale del tubo.

Vantaggi e limiti dei misuratori Vortex a inserzione rispetto ai misuratori a passaggio pieno

Misuratore di portata d'aria a vortice: misurazione dell'aria compressa, dell'aria HVAC e dell'aria di combustione

A misuratore di flusso d'aria a vortice è uno degli strumenti più pratici per misurare il flusso d'aria in applicazioni industriali, commerciali e HVAC. L'aria presenta sia vantaggi che sfide per la misurazione del flusso di vortici: la sua bassa densità significa basse fluttuazioni di pressione indotte dai vortici (che richiedono un rilevamento sensibile), ma la sua bassa viscosità significa che il numero di Reynolds è in genere ben al di sopra della soglia di 10.000 per la perdita di vortici anche a velocità moderate in tubi di dimensioni standard.

Misurazione dell'aria compressa: l'applicazione più comune del flusso d'aria a vortice

I sistemi di aria compressa negli impianti di produzione normalmente funzionano a Pressione relativa da 6 a 10 bar . Misurare accuratamente il consumo di aria compressa è essenziale per il controllo energetico, il rilevamento delle perdite e la ripartizione dei costi dell'aria nei processi di produzione. I misuratori di portata a vortice sono particolarmente adatti alla misurazione dell'aria compressa perché:

• Nessuna parte in movimento: Le linee dell'aria compressa trasportano olio, acqua e particolato provenienti dai compressori. Un misuratore a vortice senza parti mobili o cuscinetti è molto meno soggetto a incrostazioni e usura rispetto a un misuratore a turbina o a spostamento positivo nel servizio di aria compressa.
• Ampio intervallo di portata: La domanda di aria compressa nel settore manifatturiero è altamente variabile, con una domanda che va da una capacità del sistema quasi pari a zero fino alla capacità completa del sistema in diversi turni e scenari di produzione. Il rapporto di turndown del misuratore di vortice di Da 20:1 a 40:1 gestisce questa variabilità meglio dei misuratori di pressione differenziale il cui turndown è generalmente compreso tra 3:1 e 5:1.
• Portata volumetrica o massica con compensazione: Moderno misuratore di flusso d'aria a vortices incorporano sensori di temperatura e pressione all'interno dello stesso strumento, consentendo loro di emettere sia il flusso volumetrico effettivo (alle condizioni di linea) sia il flusso volumetrico standard o il flusso di massa (corretto alle condizioni di riferimento tipicamente di 20°C e 1 bar o 0°C e 1,01325 bar). Ciò è essenziale per la contabilità energetica in cui la massa d'aria consumata (non il suo volume alla pressione di linea) determina il costo energetico del compressore.

Misurazione del flusso d'aria HVAC con misuratori Vortex

Per la misurazione del flusso d'aria nei condotti HVAC alla pressione atmosferica o prossima ad essa, flussometro a vortice ad inserziones sono particolarmente apprezzati perché le condutture HVAC sono generalmente di grandi dimensioni (da DN 200 a DN 1000 e oltre) e hanno una struttura in lamiera rettangolare o circolare dove non è possibile installare un contatore a passaggio totale. Il misuratore a inserzione a sonda viene installato attraverso un singolo foro praticato nella parete del condotto, senza richiedere la sostituzione della sezione del condotto. Considerazioni chiave sull'applicazione del vortice HVAC:

• Intervallo di velocità: Le velocità dell'aria nei condotti HVAC variano generalmente da da 2 a 15 m/sec . I misuratori a vortice funzionano comodamente in questo intervallo, sebbene l'estremità inferiore si avvicini alla soglia minima del numero di Reynolds per condotti di dimensioni più piccole. Per i condotti di alimentazione HVAC inferiori a DN 150 a basse velocità, verificare che Re superi 10.000 alle condizioni di flusso minime previste prima di specificare un misuratore di vortice.
• Distorsione del profilo nei sistemi HVAC: Le condutture HVAC raramente forniscono adeguati tratti rettilinei a monte del punto di misurazione. I vincoli di spazio fanno sì che i gomiti, le bocchette dei ventilatori, i diffusori e le serrande siano spesso immediatamente a monte del punto in cui deve essere posizionato il contatore. Per tali installazioni, per ottenere una precisione accettabile, è necessaria una misurazione in stile Pitot con media multipunto o un misuratore di vortice con un condizionatore di flusso immediatamente a monte.

Misurazione della miscela aria aria comburente e gas naturale

Misuratori di portata d'aria a vortice sono utilizzati per la misurazione del flusso d'aria di combustione in sistemi di bruciatori industriali, caldaie e forni in cui il rapporto tra aria e combustibile (il rapporto aria-combustibile) deve essere controllato con precisione per l'efficienza della combustione e la conformità alle emissioni. In queste applicazioni, il misuratore di flusso d'aria a vortice l'uscita alimenta direttamente il sistema di gestione del bruciatore o il controller di combustione. Il misuratore deve essere dimensionato per le temperature elevate dell'aria tipicamente riscontrate nei sistemi di preriscaldamento dell'aria di combustione: temperature di preriscaldamento dell'aria di combustione industriale di da 200 a 400°C sono comuni e il misuratore deve essere specificato con materiali bagnati ad alta temperatura ed elettronica con compensazione della temperatura.

Misuratore di portata a vortice per applicazioni su vapore: misurazione del vapore saturo e surriscaldato

Il misuratore di portata a vortice per applicazioni su vapore è uno degli usi tecnicamente più importanti e commercialmente significativi della tecnologia a vortice. La misurazione del flusso di vapore è stata storicamente dominata dai misuratori di pressione differenziale (DP) con piastre con orifizio, ma la precisione superiore, la minore manutenzione e la capacità di flusso di massa diretto dei misuratori a vortice li hanno resi la scelta preferita per le applicazioni con vapore nei moderni impianti di processo e sistemi di utilità.

Perché Steam è difficile da misurare e perché i misuratori Vortex eccellono

La misurazione del vapore è complessa per diversi motivi che rendono inadatte molte tecnologie di misurazione del flusso:

• Alta temperatura e pressione: I sistemi a vapore industriali funzionano a temperature da da 100°C a 400°C e pressioni da Da 0,5 bar a 40 bar , condizioni che limitano l'uso di strumenti con guarnizioni in gomma, componenti elettronici bagnati o componenti termoplastici.
• Densità variabile: La densità del vapore cambia in modo significativo sia con la temperatura che con la pressione. Una misurazione del flusso di massa richiede la conoscenza della densità del fluido alle condizioni della linea, mediante misurazione diretta della densità o calcolo della densità dalla temperatura e pressione misurate utilizzando tabelle del vapore. I misuratori di pressione differenziale misurano il flusso volumetrico e richiedono una compensazione di densità separata; i misuratori a vortice con compensazione integrata della temperatura e della pressione forniscono un flusso di massa diretto.
• Rischio condensa: I tubi del vapore possono contenere residui di condensa liquida, in particolare all'avvio e in sistemi con scarsa manutenzione. I residui di liquido che colpiscono un sensore di pressione differenziale o un elemento del misuratore a spostamento positivo possono causare danni o uno spostamento permanente della calibrazione. I misuratori a vortice con solide barre metalliche e robusti sensori piezoelettrici tollerano i residui di condensa molto meglio delle alternative.
• Nessuna parte in movimento: Il vapore ad alta temperatura e pressione richiede componenti dello strumento in grado di tollerare ripetuti cicli termici, pulsazioni di pressione e l'effetto erosivo di particelle o goccioline trascinate. I misuratori Vortex non hanno parti mobili nel flusso che potrebbero usurarsi, incepparsi o richiedere una sostituzione periodica.

Vapore saturo e vapore surriscaldato: considerazioni sul misuratore di vortice

I misuratori di portata a vortice gestiscono sia vapore saturo che surriscaldato, ma l'approccio di misurazione e le misurazioni accessorie richieste differiscono:

• Vapore saturo: Alla saturazione, temperatura e pressione sono collegate dalla curva di saturazione del vapore. Misurare la temperatura o la pressione è sufficiente per definire lo stato del vapore e calcolare la densità dalle tabelle del vapore. Per le applicazioni con vapore saturo, a misuratore di portata a vortice per applicazioni su vapore con un sensore di pressione integrato (e opzionalmente un sensore di temperatura) può calcolare la densità in tempo reale e generare direttamente il flusso di massa. La gamma tipica di sensori di pressione integrati per contatori di vapore saturo è Da 0 a 25 bar assoluti con una precisione di Da ±0,1 a ±0,5% .
• Vapore surriscaldato: Il vapore surriscaldato è completamente in fase gassosa senza la presenza di liquido. La sua densità è una funzione indipendente sia della temperatura che della pressione. Un misuratore di vortice per vapore surriscaldato deve misurare sia la temperatura che la pressione della linea e utilizzare le equazioni di stato del vapore (tipicamente dalle tabelle del vapore standard IAPWS-IF97) per calcolare la densità in tempo reale. L'output del flusso di massa è quindi: Flusso di massa = Flusso volumetrico × Densità (T, P) La multivariabile più moderna trasmettitore di flusso di tipo vortexs eseguire questo calcolo internamente.

Specifiche del materiale e della temperatura del misuratore di vortice di vapore

Per il servizio con vapore, il corpo del misuratore di portata Vortex e i componenti interni devono soddisfare requisiti materiali specifici:

• Materiale del corpo: Acciaio al carbonio ASTM A105 o acciaio inossidabile ASTM A182 (SS316 / SS316L) per servizio vapore standard. Per vapore ad alta pressione superiore a 25 bar o vapore con impurità corrosive (zolfo, cloruri), sono specificati SS316 o leghe superiori (Hastelloy C, Duplex SS).
• Valutazione della temperatura: Norma misuratori di portata a vortice per applicazioni su vapore sono valutati a da 260°C a 320°C . Le versioni ad alta temperatura per vapore surriscaldato sono classificate a da 400°C a 450°C , in genere utilizzando un design a collo esteso che allontana i componenti elettronici del trasmettitore dalle connessioni al processo a caldo per mantenere i componenti elettronici entro il campo operativo specificato.
• Valutazione della pressione: Norma wafer-body vortex meters are rated to PN40 (40 bar) nelle dimensioni da DN 15 a DN 100. I corpi flangiati nella stessa gamma di dimensioni in genere hanno valori di pressione ANSI Classe 300 o Classe 600 corrispondenti a 51 bar e 102 bar rispettivamente alla temperatura di esercizio di 38°C.

Trasmettitore di flusso di tipo Vortex: elettronica, uscite e protocolli di comunicazione

A trasmettitore di flusso di tipo vortex è il modulo elettronico che accetta il segnale grezzo dell'impulso vortice dal sensore (piezoelettrico, capacitivo o ultrasonico), lo elabora attraverso algoritmi di condizionamento e filtraggio del segnale, calcola la portata e trasmette il risultato al sistema di controllo o al sistema di acquisizione dati attraverso uno o più segnali di uscita standardizzati. Negli strumenti moderni, il trasmettitore è fisicamente integrato nel corpo del misuratore anziché essere un dispositivo separato per montaggio remoto, conferendo all'insieme compatto la designazione di "trasmettitore intelligente".

Condizionamento del segnale: dagli impulsi grezzi al segnale di flusso pulito

Il 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 trasmettitore di flusso di tipo vortex deve rifiutare:

• Vibrazioni del tubo: Le vibrazioni meccaniche provenienti da pompe, compressori e risonanze strutturali si accoppiano al corpo del misuratore e generano segnali spuri sul sensore che possono essere interpretati erroneamente come impulsi di vortice. I trasmettitori moderni utilizzano l'elaborazione adattiva del segnale e algoritmi di discriminazione della frequenza per distinguere le vere frequenze del vortice (che seguono i cambiamenti del flusso in modo uniforme) dal rumore indotto dalle vibrazioni (che è tipicamente a banda larga o a frequenze armoniche fisse).
• Rumore a basso flusso: In prossimità del flusso minimo rilevabile, la perdita di vortici diventa irregolare ed è difficile distinguere i singoli vortici dal rumore. I trasmettitori avanzati utilizzano l'analisi statistica del segnale per rilevare la presenza di una frequenza di vortice coerente anche a rapporti segnale-rumore molto bassi, estendendo la portata minima effettiva.
• Interferenza elettrica (EMI/RFI): Gli ambienti industriali contengono forti campi elettromagnetici provenienti da azionamenti a velocità variabile, cavi di alimentazione, apparecchiature di saldatura e trasmettitori radio. L'elettronica del trasmettitore deve includere schermatura, filtraggio e isolamento adeguati per evitare che questi segnali influenzino la misurazione.

Segnali di uscita e protocolli di comunicazione

A trasmettitore di flusso di tipo vortex fornisce uno o più dei seguenti segnali di uscita, a seconda del modello e della configurazione:

• Uscita analogica da 4 a 20 mA: Il 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.
• Uscita a impulsi (uscita in frequenza): Un treno di impulsi digitale in cui ciascun impulso rappresenta un volume fisso di fluido (il fattore K del misuratore). Le uscite a impulsi vengono utilizzate per la totalizzazione nei sistemi di controllo batch, nei sistemi di gestione dell'energia e nelle applicazioni di misura fiscale in cui è necessario un contatore integrato anziché un display della portata istantanea.
• Protocollo HART: HART (Highway Addressable Remote Transducer) è un protocollo di comunicazione digitale sovrapposto al segnale analogico da 4 a 20 mA. Consente la comunicazione digitale bidirezionale per configurazione, diagnostica e accesso a variabili secondarie (temperatura, pressione, densità) senza cablaggio aggiuntivo. HART è il protocollo digitale più diffuso nell'industria di processo ed è standard su quasi tutti i moderni trasmettitore di flusso di tipo vortexs .
• FOUNDATION Fieldbus e Profibus PA: Protocolli fieldbus completamente digitali che consentono a più strumenti di condividere una singola coppia di cavi, forniscono diagnostica e configurazione complete dalla sala di controllo e supportano funzionalità avanzate come l'esecuzione di blocchi funzione all'interno del trasmettitore stesso. Utilizzato in impianti di processo di nuova costruzione ed espansioni di raffinerie dove è specificata un'infrastruttura digitale completa.
• Modbus RTU o TCP/IP: Utilizzato nel trattamento dell'acqua, nell'automazione degli edifici e nei sistemi HVAC in cui i sistemi SCADA o di gestione degli edifici compatibili con Modbus sono standard. Molti flussometro a vortice ad inserziones per le applicazioni HVAC e idriche forniscono Modbus RS-485 come uscita standard.

Trasmettitori Vortex multivariabile: temperatura, pressione e densità integrate

Il multivariable trasmettitore di flusso di tipo vortex integra la misurazione della temperatura (RTD o termocoppia), la misurazione della pressione (trasduttore di pressione integrato) e la misurazione del flusso (sensore vortice) in un unico pacchetto di strumenti. Il trasmettitore calcola la densità del fluido in tempo reale dalla temperatura e dalla pressione misurate utilizzando equazioni di stato integrate per vapore, gas naturale, aria e altri fluidi di processo comuni, quindi moltiplica il flusso volumetrico per la densità calcolata per emettere direttamente il flusso di massa. Principali vantaggi dei trasmettitori multivariabile:

• Conteggio ridotto degli strumenti: Un trasmettitore a vortice multivariabile sostituisce un misuratore di portata a vortice più un trasmettitore di temperatura più un trasmettitore di pressione più un computer di flusso esterno. Ciò riduce significativamente i costi di approvvigionamento, installazione, manutenzione e calibrazione.
• Maggiore precisione del flusso di massa: Quando la temperatura e la pressione vengono misurate esattamente nello stesso punto della velocità del flusso ed elaborate all'interno della stessa elettronica, gli errori temporali e spaziali di strumenti separati vengono eliminati. Ciò migliora la precisione del flusso di massa rispetto a un sistema in cui la temperatura e la pressione vengono misurate in punti separati.
• Uscita del flusso di energia (flusso di calore): Per le applicazioni con vapore e acqua calda, il trasmettitore multivariabile può emettere un flusso di energia (in megajoule all'ora o BTU all'ora) combinando il flusso di massa con l'entalpia del fluido derivata dalle misurazioni di temperatura e pressione. Questa produzione di energia diretta viene utilizzata nella misurazione del vapore per la fatturazione dei servizi pubblici e la gestione dell'energia senza un computer di flusso esterno.

Installazione del misuratore di portata Vortex: requisiti del tubo diritto, orientamento e messa in servizio

La corretta installazione è il fattore più importante che determina se a Misuratore di portata a vortice raggiunge la precisione specificata in servizio. Anche il misuratore meglio calibrato darà scarsi risultati se installato senza un adeguato tubo diritto a monte, con un orientamento che intrappola il gas o il liquido nella posizione sbagliata o senza attenzione alle connessioni al processo.

Requisiti dei tubi diritti a monte e a valle

I misuratori di portata a vortice richiedono un profilo di velocità completamente sviluppato e non distorto per ottenere la precisione calibrata. Disturbi delle tubazioni a monte (curve, valvole, espansori, riduttori) distorcono il profilo e introducono errori sistematici. Requisiti minimi di tubo diritto (D = diametro interno del tubo):

• Curvatura singola a 90 gradi: Minimo 15D a monte del metro
• Due curve a 90 gradi sullo stesso piano: Minimo 20D a monte
• Due curve a 90 gradi su piani diversi (fuori piano): Minimo 25D a monte
• Valvola a saracinesca o valvola a sfera completamente aperta: Minimo 10D a monte
• Valvola di controllo (parzialmente aperta): Minimo Da 30D a 50D a monte a causa della grave distorsione del profilo
• Requisito a valle: Minimo 5D a valle del metro before any fitting or valve

Quando questi requisiti di tubi diritti non possono essere soddisfatti a causa di vincoli di spazio, a condizionatore di flusso (come un fascio tubiero, una piastra forata o un condizionatore tipo CPA 50E) installato immediatamente a monte del contatore può ridurre il tratto di tubo diritto richiesto a 10D o meno omogeneizzando il profilo del flusso prima che raggiunga il contatore.

Orientamento di montaggio: tubi orizzontali, verticali e inclinati

Misuratore di portata a vortices può essere installato su tubi orizzontali, verticali o inclinati, ma è necessario considerare l'orientamento di montaggio del trasmettitore e la direzione del flusso rispetto alla gravità:

• Installazione di tubi orizzontali: Il 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.
• Installazione del tubo verticale: Per il servizio con liquidi, la direzione del flusso deve essere verso l'alto (dal basso verso l'alto) in un'installazione con tubo verticale per garantire che il corpo del misuratore rimanga pieno di liquido. Il flusso verso il basso in un tubo verticale per servizi liquidi può creare condizioni di riempimento parziale che riducono gravemente la precisione. Per il servizio con gas e vapore, nell'installazione verticale è accettabile la direzione del flusso verso l'alto o verso il basso.
• Orientamento del trasmettitore: Il 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.

Domande frequenti sui misuratori di portata a vortice

1. Cos'è il flusso a vortice e come lo utilizza un misuratore di portata a vortice per la misurazione?

Cos'è il flusso di vortice in termini di misurazione? È il fenomeno della dispersione dei vortici di Karman: quando un fluido scorre oltre un corpo tozzo (barra shedder), vortici alternati vengono rilasciati da ciascun lato del corpo secondo uno schema regolare. La frequenza di distacco è direttamente proporzionale alla velocità del fluido attraverso la relazione Strouhal (f = St × V ÷ d). A Misuratore di portata a vortice conta questa frequenza utilizzando un sensore piezoelettrico o capacitivo, converte la frequenza in velocità, la moltiplica per l'area del tubo e genera la portata volumetrica o massica. Il numero di Strouhal rimane costante per i numeri di Reynolds superiori a circa 10.000-4.000.000, fornendo misurazioni lineari in questo ampio intervallo.

2. Quali sono i vantaggi di un misuratore di portata a vortice a inserzione rispetto a un misuratore in linea a passaggio totale?

An flussometro a vortice ad inserzione offre vantaggi significativi in termini di costi per tubi di grande diametro in cui un contatore in linea a passaggio totale richiederebbe pezzi di bobina flangiati grandi, pesanti e costosi. Il misuratore ad inserzione utilizza una presa per tubo singolo, può essere collegato a caldo (installato senza arresto del processo su sistemi pressurizzati), crea una caduta di pressione molto bassa (solo sonda, non a passaggio totale) e gestisce tubi di dimensioni da DN 50 a DN 2000 e superiori con lo stesso design compatto della sonda. Il compromesso è la precisione: in genere i misuratori ad inserzione la raggiungono Da ±1,5 a ±3,0% della lettura contro Da ±0,5 a ±1,0% per progetti a passaggio totale, poiché la misurazione della velocità puntuale introduce ulteriore incertezza derivante dal presupposto del profilo di velocità.

3. Un misuratore di portata d'aria a vortice è adatto per misurare il consumo di energia dell'aria compressa?

SÌ. A misuratore di flusso d'aria a vortice con compensazione integrata della temperatura e della pressione è ideale per il calcolo dell'energia dell'aria compressa. Il trasmettitore multivariabile converte il flusso volumetrico della linea in flusso volumetrico standard (riferito a condizioni standard definite) o direttamente in flusso di massa, che è ciò che determina il consumo di energia del compressore. L'elevato rapporto di turndown del misuratore di vortice ( Da 20:1 a 40:1 ) gestisce l'ampia variazione della domanda di aria compressa tra turni e stati di produzione e il suo design senza parti in movimento è particolarmente adatto all'aria compressa che può contenere olio o umidità.

4. Perché per le applicazioni con vapore è preferibile un misuratore di portata a vortice rispetto a un orifizio calibrato?

A misuratore di portata a vortice per applicazioni su vapore surclassa un tradizionale misuratore di pressione differenziale con orifizio nel servizio vapore per diversi motivi: offre una maggiore precisione ( ±1,0% della lettura contro Da ±2 a ±3% per una tipica installazione con orifizio), fornisce una rangeability molto più ampia ( Da 20:1 a 30:1 contro Da 3:1 a 5:1 per DP), non richiede linee di impulso che possano ostruirsi o congelarsi, non ha un orifizio sottile che si erode sotto il vapore e nella sua forma multivariabile fornisce un'uscita diretta del flusso di massa senza un computer di flusso separato. Il misuratore a vortice gestisce anche i residui di condensa meglio dei misuratori DP con gambe bagnate.

5. Quali uscite fornisce un trasmettitore di flusso di tipo vortex?

A trasmettitore di flusso di tipo vortex in genere fornisce a Uscita analogica da 4 a 20 mA che rappresenta la portata, a uscita ad impulsi o in frequenza per la totalizzazione e la comunicazione digitale tramite Protocollo HART (il più comune), FOUNDATION Fieldbus, Profibus PA o Modbus RTU/TCP a seconda del modello. I trasmettitori multivariabile possono fornire più uscite da 4 a 20 mA o trasmettere tutte le variabili (flusso, temperatura, pressione, densità, flusso di massa) su un'unica connessione bus di campo digitale. L'uscita a impulsi è particolarmente importante per applicazioni fiscali e di controllo batch in cui è richiesto un contatore integratore del volume effettivo del fluido anziché un segnale di velocità istantaneo.

6. Un misuratore di portata Vortex può misurare sia gas che liquidi nello stesso corpo del misuratore?

Il 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. Qual è la portata minima che un misuratore di portata Vortex può misurare?

Il minimum measurable flow rate of a Misuratore di portata a vortice è determinato dalla soglia del numero di Reynolds per il distacco stabile dei vortici, tipicamente Re > da 10.000 a 20.000 a seconda del modello del misuratore. Per l'acqua a 20°C in un DN 50 metri, ciò corrisponde ad una velocità minima di circa da 0,3 a 0,5 m/sec e una portata minima di circa da 0,3 a 0,6 m³/h . Per gas e vapore, la velocità minima può essere da 1 a 3 m/sec a causa dei numeri di Reynolds più bassi per unità di velocità nei fluidi a bassa densità. È necessario utilizzare sempre il software di dimensionamento del produttore per confermare la capacità di flusso minimo per il fluido, la temperatura, la pressione e le dimensioni del tubo specifici.

8. Quanto tubo diritto è necessario a monte di un misuratore di portata a vortice?

Requisiti del tubo diritto a monte per a Misuratore di portata a vortice gamma da Da 10D a 50D a seconda del tipo di disturbo a monte. Una singola curva di 90 gradi richiede un minimo di 15D; due pieghe fuori piano richiedono 25D; una valvola di regolazione ad apertura parziale richiede da 30D a 50D. A valle, è richiesto un minimo di 5D prima di qualsiasi raccordo o valvola. Quando lo spazio di installazione è insufficiente, un condizionatore di flusso riduce il fabbisogno a monte a circa 10D indipendentemente dalla configurazione a monte. Il flussometro a vortice ad inserzione in genere richiede più tubi diritti a monte rispetto ai misuratori a passaggio pieno (da 15D a 30D) perché la misurazione della velocità del punto è più sensibile alla distorsione del profilo.

9. Quali fluidi NON sono adatti ai misuratori di portata a vortice?

Misuratore di portata a vortices non sono adatti per: fluidi ad alta viscosità (superiore a circa 10-20 cSt alla temperatura di esercizio) dove il numero di Reynolds non può essere mantenuto al di sopra di 10.000 a velocità di flusso pratiche; fanghi e fluidi con elevato contenuto di solidi che potrebbero erodere la barra di taglio o depositarsi sul sensore; flussi multifase in cui liquido e gas sono contemporaneamente presenti in quantità significative (vapore umido con qualità inferiore a circa 0,8 o liquido con più di circa il 2% di gas in volume); flussi pulsanti in cui la frequenza di pulsazione si sovrappone all'intervallo di frequenza del vortice previsto; e portate molto basse in tubazioni di piccole dimensioni dove non è possibile raggiungere la velocità minima richiesta senza superare la caduta di pressione massima accettabile.

10. Come viene dimensionato un misuratore di portata a vortice per applicazioni a vapore per uno specifico sistema a vapore?

Taglia a misuratore di portata a vortice per applicazioni su vapore richiede la conoscenza delle portate massiche minima e massima, della pressione e della temperatura del vapore nel punto di misurazione e delle dimensioni del tubo. Dalla portata massica e dalla densità del vapore (calcolate dalla pressione e dalla temperatura utilizzando le tabelle del vapore), vengono determinati il ​​flusso volumetrico e la velocità. La dimensione del misuratore è selezionata in modo che la velocità minima del flusso superi la velocità minima del misuratore per un distacco stabile dei vortici (tipicamente da 1,5 a 2,5 m/sec per vapore) e la velocità massima del flusso non supera il valore massimo nominale del contatore (tipicamente da 50 a 80 m/sec per il vapore). L'intervallo di velocità risultante definisce il turndown del contatore in servizio. La maggior parte dei produttori fornisce software di dimensionamento o strumenti online che eseguono questo calcolo automaticamente quando vengono forniti le condizioni del vapore e l'intervallo di flusso.