Quando è necessaria la compensazione della temperatura o della pressione per una misurazione accurata del flusso?

Misuratori di portata a spirale misurare la portata volumetrica o massica di liquidi, gas e vapore generando un movimento vorticoso controllato nel fluido che scorre e rilevando la frequenza delle oscillazioni del flusso secondario che sono correlate esattamente con la velocità del flusso. Occupano una posizione ben definita nella misurazione del flusso industriale: più robusti e tolleranti ai fluidi sporchi rispetto ai misuratori a vortice, più accurati su un intervallo di flusso più ampio rispetto ai dispositivi a pressione differenziale e significativamente più economici da installare e manutenere rispetto ai misuratori Coriolis o magnetici per molte condizioni di processo. Per la misurazione del flusso di vapore in particolare, il misuratore di portata a vortice è diventato un dispositivo di misurazione primario ampiamente accettato grazie alla sua combinazione di precisione, funzionamento a bassa manutenzione e compatibilità con le impegnative condizioni di temperatura e pressione dei sistemi di distribuzione del vapore e di gestione dell'energia.

La risposta diretta per gli ingegneri che valutano le specifiche del misuratore di portata a mulinello è questa: un misuratore di portata a mulinello di base misura solo la portata volumetrica, che è sufficiente per applicazioni liquide in cui la densità è essenzialmente costante. Per gas e vapore, dove la densità cambia in modo significativo sia con la temperatura che con la pressione, la sola misurazione del flusso volumetrico non è sufficiente per determinare con precisione il flusso di massa o il flusso di energia. Un flussometro a turbolenza con compensazione della temperatura aggiunge un sensore di temperatura e converte il flusso volumetrico misurato in flusso di massa utilizzando la densità del fluido dipendente dalla temperatura. Un flussometro a vortice con compensazione della pressione aggiunge un sensore di pressione per lo stesso scopo. Un modello completamente compensato con sensori di temperatura e pressione calcola il flusso di massa in tempo reale dalla combinazione misurata di flusso volumetrico, temperatura e pressione, che è la configurazione richiesta per una misurazione accurata dell'energia del vapore e per la misura fiscale del gas. Questo articolo spiega come funziona ciascuna configurazione, dove viene applicata e quali specifiche regolano la selezione.

Come funziona un misuratore di portata a spirale: principio di funzionamento e rilevamento del flusso

Il misuratore di portata a vortice funziona secondo il principio di generare un modello di flusso rotatorio stabile all'interno del corpo del misuratore e di rilevare la frequenza delle oscillazioni del flusso secondario che risultano dall'interazione tra questo flusso vorticoso e la geometria del misuratore. La sequenza operativa prevede tre fasi distinte: generazione del vortice, formazione dell'oscillazione e rilevamento della frequenza.

Generazione di vortici tramite l'Inlet Swirler

Quando il fluido entra nel misuratore di portata, passa attraverso un gruppo vorticoso fisso costituito da alette angolate disposte radialmente attorno all'asse del tubo. Queste palette impartiscono momento angolare al fluido, convertendo il flusso assiale in uno schema di flusso rotante elicoidale all'interno del foro del contatore. Lo swirler è un elemento passivo che in questa fase non richiede alimentazione né parti mobili, il che è uno dei motivi principali della lunga vita operativa del misuratore di portata a swirl e dei bassi requisiti di manutenzione.

Formazione di oscillazioni secondarie nella zona di deswirl

A valle dello swirler, il flusso rotante entra in una sezione di espansione per poi passare sopra un elemento deswirler atto ad eliminare parzialmente la rotazione. L'interazione tra il flusso rotante residuo e il deswirler genera un movimento secondario di precessione, un tipo di precessione a vortice in cui il nucleo del flusso vorticoso oscilla attorno all'asse del tubo con una frequenza direttamente proporzionale alla portata volumetrica. Questo movimento di precessione è il principale fenomeno misurabile del misuratore di portata a turbolenza. La relazione Strouhal che governa l'uscita del misuratore di portata a elicoidale stabilisce che la frequenza di oscillazione divisa per la velocità del flusso è una costante adimensionale (il fattore K del misuratore) nell'intervallo operativo specificato del misuratore, in genere il numero di Reynolds varia da 20.000 a diversi milioni. Questa relazione lineare tra frequenza e velocità del flusso è ciò che rende il misuratore di portata a vortice un dispositivo di misurazione affidabile e preciso su un ampio intervallo di flusso senza le correzioni non lineari richieste dai dispositivi di pressione differenziale.

Metodi di rilevamento: sensori piezoelettrici e capacitivi

Il movimento oscillatorio del flusso viene rilevato da uno o più sensori montati nel corpo del contatore. Due tecnologie di rilevamento sono di uso comune:

• Sensori piezoelettrici: Rilevare le fluttuazioni periodiche della pressione o le vibrazioni meccaniche prodotte dal flusso di precessione nella posizione del sensore. Gli elementi sensori piezoelettrici generano un segnale di tensione la cui frequenza corrisponde alla frequenza di oscillazione del flusso, che l'elettronica di elaborazione del segnale converte in una portata. Questi sensori sono robusti, rispondono rapidamente e sono adatti per applicazioni con vapore ad alta temperatura in cui le temperature operative del sensore possono raggiungere 250 gradi Celsius o superiori con un adeguato isolamento del sensore.
• Sensori capacitivi: Rileva i cambiamenti nella capacità di un elemento di rilevamento mentre il flusso oscillante fa deviare l'elemento ciclicamente. Il rilevamento capacitivo è particolarmente adatto per applicazioni con gas a bassa pressione in cui l'energia di oscillazione del flusso è bassa e i sensori piezoelettrici potrebbero avere un rapporto segnale/rumore insufficiente, fornendo in alcuni progetti un rilevamento stabile a velocità di flusso fino a 0,5 metri al secondo.

Il segnale in uscita da entrambi i tipi di sensore è un segnale di frequenza linearmente proporzionale alla portata volumetrica, da cui l'elettronica calcola la portata istantanea, il volume totalizzato e, con un'adeguata compensazione, il flusso di massa e il flusso di energia. Le specifiche tipiche dei misuratori di portata a turbolenza includono una precisione compresa tra più o meno 1,0-1,5% della lettura sul rapporto di turndown, con rapporti di turndown compresi tra 10:1 e 25:1 a seconda del fluido e delle condizioni operative.

Compensazione della temperatura nei misuratori di portata ad elica: perché è necessaria e come funziona

Un flussometro a spirale che misura il flusso volumetrico produce un'uscita in metri cubi all'ora (o unità equivalenti) che rappresenta accuratamente il volume del fluido che passa attraverso il contatore per unità di tempo. Per i liquidi con densità essenzialmente costante come l'acqua a temperature moderate, questa lettura volumetrica è direttamente proporzionale al flusso di massa perché la densità non cambia in modo significativo con la temperatura nell'intervallo operativo. Tuttavia, per gas, vapore e liquidi con densità fortemente dipendente dalla temperatura, la massa di fluido rappresentata da una determinata portata volumetrica cambia sostanzialmente con la temperatura, rendendo la sola misurazione volumetrica insufficiente per un controllo accurato del processo o una contabilità energetica.

Come cambia la densità di gas e vapore con la temperatura

Per un gas ideale a pressione costante, la densità è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta: un gas a 200 gradi Celsius (473 Kelvin) ha una densità pari a circa il 62% dello stesso gas a 20 gradi Celsius (293 Kelvin), alla stessa pressione. Nelle applicazioni pratiche di misurazione dei gas industriali, la temperatura del gas di processo varia comunemente da 50 a 150 gradi Celsius attorno a un punto operativo nominale al variare dei carichi di processo, alle variazioni stagionali della temperatura ambiente o al cambiamento delle condizioni operative. Senza compensazione della temperatura, un misuratore di portata a elicoidale che misura gas naturale o aria compressa a una temperatura nominale di 150 gradi Celsius mostrerebbe un errore di lettura del flusso di massa di circa il 15% per un'escursione della temperatura di processo di più o meno 20 gradi Celsius, il che è chiaramente inaccettabile per applicazioni fiscali, fatturazione energetica o controllo di processo che richiedono una precisione migliore del 2-3%.

Come viene implementata la compensazione della temperatura

A flussometro elicoidale con compensazione della temperatura integra un rilevatore di temperatura a resistenza (RTD), tipicamente un elemento Pt100 o Pt1000, montato all'interno del corpo del misuratore direttamente nel flusso del fluido o in un pozzetto termometrico adiacente al misuratore. Il segnale di temperatura viene inviato continuamente al processore di segnale del misuratore, che utilizza la temperatura misurata e un database delle proprietà del fluido memorizzato nel processore per calcolare la densità effettiva del fluido nelle condizioni di misurazione. La portata volumetrica proveniente dal segnale di frequenza viene quindi moltiplicata per questa densità calcolata per produrre un'uscita di portata massica in tempo reale. Contemporaneamente, l'accumulatore di flusso di massa integrato o totalizzato tiene traccia della massa totale di fluido che è passata attraverso il contatore, che rappresenta la quantità richiesta per la fatturazione, la contabilità energetica e il controllo del processo batch.

Per le applicazioni su vapore, in cui la relazione tra temperatura, pressione e densità segue le tabelle del vapore IAPWS IF97 anziché una legge sui gas ideali, il processore del misuratore di portata a elica con compensazione della temperatura accede a un database delle proprietà del vapore basato su queste tabelle standard riconosciute a livello internazionale, interpolando i valori di densità per qualsiasi temperatura misurata alla pressione operativa specificata. Per il vapore saturo a pressione costante, la temperatura da sola determina in modo univoco tutte le proprietà termodinamiche comprese la densità e l'entalpia specifica, quindi un contatore compensato solo in temperatura può fornire sia il flusso di massa che il flusso di energia (in kilowatt o megawatt) senza richiedere un sensore di pressione, a condizione che la pressione del sistema sia stabile e ben caratterizzata.

Compensazione della pressione nei misuratori di portata ad elica: applicazioni e configurazione

La compensazione della pressione affronta la seconda variabile principale che influenza la densità del fluido nella misurazione del flusso comprimibile. Per i gas a temperatura costante, la densità è direttamente proporzionale alla pressione assoluta: l'aria compressa a 6 bar assoluti ha circa sei volte la densità della stessa aria a 1 bar assoluto, il che significa che un flusso volumetrico di 100 metri cubi all'ora a 6 bar assoluti rappresenta circa 600 metri cubi all'ora equivalenti in condizioni standard (spesso definite come 0 gradi Celsius o 15 gradi Celsius e 1,01325 bar assoluti). La conversione del flusso volumetrico effettivo in flusso volumetrico standard o flusso di massa richiede la conoscenza della pressione operativa effettiva, che è la funzione del sistema di compensazione della pressione.

Integrazione del sensore di pressione ed elaborazione del segnale

A flussometro a turbolenza con compensazione della pressione integra un trasmettitore di pressione assoluta o un trasmettitore di pressione relativa (con correzione della pressione atmosferica applicata nel processore) montato direttamente sul corpo del misuratore o nella linea di processo adiacente. Il segnale di pressione viene inviato allo stesso processore di segnale che riceve il segnale di frequenza del flusso, consentendo al processore di calcolare la densità effettiva del gas dalla pressione misurata (e, se viene misurata anche la temperatura, da pressione e temperatura contemporaneamente).

Per le applicazioni con vapore surriscaldato, sia la temperatura che la pressione sono necessarie per definire completamente lo stato termodinamico e quindi la densità e l'entalpia del vapore: il vapore surriscaldato a una determinata pressione può esistere in un ampio intervallo di temperature e densità, quindi né un sistema di compensazione della sola temperatura né un sistema di compensazione della sola pressione possono fornire una misurazione accurata del flusso di massa nell'intero intervallo operativo. Un misuratore di portata ad elica completamente compensato con ingressi sia di temperatura che di pressione è la specifica corretta per la misurazione del vapore surriscaldato in qualsiasi applicazione in cui sia la temperatura che la pressione di processo variano in modo indipendente durante il funzionamento.

Calcolo del flusso volumetrico standard per gas compressi

Nelle applicazioni di misurazione del gas compresso, tra cui la distribuzione del gas naturale, il monitoraggio dell'aria compressa e la misurazione del gas di processo industriale, la produzione richiesta è spesso espressa in metri cubi standard all'ora (Sm3/h) o metri cubi normali all'ora (Nm3/h) anziché in portata di massa in chilogrammi all'ora. Il flusso volumetrico standard o normale rappresenta il volume equivalente che il gas occuperebbe alle condizioni di riferimento definite (0 gradi Celsius e 1,01325 bar per metri cubi normali, o 15 gradi Celsius e 1,01325 bar per metri cubi standard). Il misuratore di portata a vortice compensato in pressione e temperatura calcola questo volume standard in uscita direttamente dal flusso volumetrico effettivo misurato, dalla temperatura misurata e dalla pressione misurata, applicando la legge dei gas ideali o un'equazione di stato dei gas reali per tenere conto della compressibilità del gas. Questo volume standard di output costituisce la quantità di fatturazione per la fornitura di gas naturale, la base per i calcoli del bilancio dei materiali di processo e l'output richiesto per la rendicontazione normativa in molte giurisdizioni.

Confronto delle configurazioni del misuratore di portata a spirale: quando specificare ciascun tipo

La tabella seguente riassume le tre principali configurazioni di compensazione dei misuratori di portata ad elica, le loro uscite di misura e le applicazioni in cui ciascuna è la scelta corretta.

Misurazione del flusso di vapore: dove misuratori di portata ad elica con compensazione Excel

La misurazione del flusso di vapore è una delle applicazioni più impegnative nella strumentazione di flusso industriale perché il vapore combina la compressibilità di un gas con proprietà termodinamiche dipendenti dalla fase che cambiano in modo significativo sia con la temperatura che con la pressione e il sistema di misurazione deve funzionare in modo affidabile a temperature e pressioni elevate in ambienti meccanicamente e termicamente impegnativi. I misuratori di portata elicoidali con compensazione di temperatura e pressione sono diventati la soluzione preferita per la misurazione del flusso di vapore nella gestione energetica, nelle industrie di processo e nelle applicazioni di teleriscaldamento per diversi motivi che li distinguono dalle tecnologie concorrenti.

Vantaggi dei misuratori di portata a spirale rispetto ai misuratori a vortice per il vapore

Sia i misuratori a turbolenza che quelli a vortice utilizzano il rilevamento del flusso basato sulla frequenza e possono essere dotati di compensazione della temperatura e della pressione per la misurazione del vapore. Il misuratore di portata a turbolenza presenta numerosi vantaggi pratici per le applicazioni con vapore:

• Velocità del flusso minima inferiore: I misuratori di portata a vortice mantengono un rilevamento affidabile del segnale a velocità di flusso inferiori rispetto ai misuratori a vortice perché l'oscillazione generata dal vortice ha un'ampiezza maggiore per una data velocità di flusso rispetto al segnale di distacco del vortice nella maggior parte dei progetti. Ciò consente al misuratore a turbolenza di misurare con precisione le condizioni di vapore a basso carico, il che è importante nei sistemi di riscaldamento in cui la richiesta di vapore varia ampiamente tra le condizioni di pieno carico e quelle di standby.
• Tolleranza al vapore umido e ai residui di condensa: La robusta costruzione meccanica del corpo del misuratore a vortice, senza l'ostruzione snella del corpo tozzo che è l'elemento critico di un misuratore a vortice, fornisce una migliore tolleranza alle condizioni di vapore umido e ai residui occasionali di condensa che possono danneggiare o disturbare la più fragile barra di shedder di un misuratore a vortice.
• Ampio intervallo di pressioni operative: I misuratori di portata a spirale sono disponibili in commercio per pressioni di esercizio da 0,1 MPa a 4 MPa e superiori, coprendo l'intera gamma di pressioni di distribuzione del vapore industriale, dai sistemi di riscaldamento a bassa pressione al vapore di processo ad alta pressione.

Calcolo del flusso di energia da misuratori di turbolenza compensati in temperatura e pressione

Quando un misuratore di portata elicoidale compensato in temperatura e pressione è installato in una linea di alimentazione del vapore ed è nota anche la temperatura di ritorno della condensa, il misuratore può calcolare e totalizzare l'energia termica erogata dal sistema a vapore in tempo reale. Il calcolo utilizza le tabelle delle proprietà del vapore IAPWS IF97 per determinare l'entalpia specifica del vapore di alimentazione dalla temperatura e pressione misurate, sottrae l'entalpia specifica del condensato di ritorno alla temperatura misurata e moltiplica la differenza di entalpia per la portata massica misurata per ottenere la potenza in uscita in kilowatt. Questa capacità di misurazione diretta dell'energia, senza richiedere un contatore di energia separato o un computer di flusso, rende il misuratore di portata a elica con compensazione di temperatura e pressione uno strumento completo per la gestione dell'energia del vapore che combina misurazione del flusso, compensazione della densità e calcolo dell'energia in un unico dispositivo, semplificando significativamente la strumentazione richiesta per la conformità del sistema di gestione dell'energia ISO 50001 e l'allocazione dei costi di distribuzione del vapore.

Requisiti di installazione e parametri di specifica

La corretta installazione di un misuratore di portata a turbolenza è essenziale per ottenere la precisione specificata, poiché i misuratori a turbolenza sono sensibili al profilo di velocità del flusso in ingresso. Profili non uniformi causati da raccordi, valvole o curve a monte introducono errori nella frequenza di oscillazione che non rappresentano completamente la velocità media del flusso, con conseguente imprecisione della misurazione.

Requisiti dei tubi diritti a monte e a valle

I produttori specificano le lunghezze minime del tubo diritto a monte e a valle del misuratore di portata a turbolenza per garantire che il profilo di velocità in ingresso al misuratore sia completamente sviluppato e sia privo di componenti di turbolenza introdotti dai raccordi a monte. I requisiti tipici sono 3D del tubo diritto a monte e 1D a valle.

Orientamento e drenaggio della condensa

Per le applicazioni con vapore, il misuratore deve essere installato in una sezione di tubo orizzontale, ove possibile, per evitare l'accumulo di condensa nel corpo del misuratore che causerebbe segnali di flusso irregolari e corrosione dell'elemento. Laddove è richiesta l'installazione verticale, il flusso di vapore deve essere diretto verso l'alto attraverso il contatore per consentire il drenaggio per gravità dell'eventuale condensa lontano dalla sezione di misurazione. Uno scaricatore di condensa a valle del contatore provvede al drenaggio della condensa e impedisce che l'accumulo di condensa allaghi la zona di misurazione.

Parametri chiave delle specifiche per la selezione del misuratore di portata a spirale

Quando si specifica un misuratore di portata ad elica, è necessario definire i seguenti parametri per garantire che venga selezionato il modello corretto per l'applicazione:

1. Tipo di fluido: Liquido, gas o vapore (saturo o surriscaldato), poiché determina il livello di compensazione richiesto, la selezione del materiale bagnato e il database delle proprietà del fluido applicabile.
2. Intervallo di pressione operativa: Pressione di processo minima e massima, che determina la pressione nominale del corpo del misuratore e la portata del trasmettitore di pressione nei modelli compensati.
3. Intervallo di temperatura operativa: Temperatura di processo minima e massima, che determina la temperatura nominale del misuratore e dei materiali del sensore.
4. Intervallo di flusso: Portate minime e massime, che determinano la dimensione del contatore richiesta e confermano che l'intervallo di flusso desiderato rientra nell'intervallo del numero di Reynolds e nel rapporto di turndown specificati dal contatore.
5. Uscita richiesta: Solo flusso volumetrico, flusso di massa, flusso di volume standard o flusso di energia, che determina la configurazione di compensazione necessaria.
6. Connessione al processo: Diametro del tubo, pressione nominale e standard della flangia (ASME, EN, JIS) richiesti per il luogo di installazione.
7. Segnale di uscita: Uscita a impulsi per la totalizzazione, analogica da 4 a 20 mA per la portata, HART, Modbus o Profibus per la comunicazione digitale con il sistema di controllo dell'impianto.

Il misuratore di portata a elicoidale, nelle sue varie configurazioni di compensazione, fornisce una soluzione affidabile, accurata e praticamente versatile per la misurazione del flusso in applicazioni che vanno dal semplice dosaggio di liquidi agli esigenti requisiti di contabilità dell'energia del vapore nei programmi di gestione dell'energia industriale. La scelta tra configurazioni di base, con compensazione della temperatura, con compensazione della pressione e completamente compensate non è una questione di preferenza di budget ma di abbinamento corretto del dispositivo di misurazione alle effettive condizioni fisiche del fluido di processo, che è l'unico approccio che offre la precisione e l'affidabilità richieste dalla misurazione del flusso nelle applicazioni di controllo di processo e di energia.