Vortex áramlásmérő: működési elvek, kiválasztási szempontok és helyszíni üzembe helyezés

A Kármán örvényhatás: a mérés mögötti fizika

Az örvényáramlásmérő a von Kármán örvényleválás elvén működik. Amikor a folyadék egy áramlásra merőlegesen elhelyezett tompa test mellett áramlik, váltakozó örvények keletkeznek mindkét oldalon az áramlás irányában. Ezek az örvények olyan frekvenciával válnak le, amely egyenesen arányos a folyadék sebességével. A Strouhal-szám (St) összekapcsolja a leválási frekvenciát a sebességgel: f = St × V / d, ahol f a frekvencia Hz-ben, V a sebesség m/s-ben, d pedig a tompa test szélessége méterben. A St lényegében állandó, körülbelül 0,2 a megfelelő Reynolds-szám tartományban, ami lineáris kimeneti jellemzőt biztosít a mérőnek. A frekvenciajel térfogati áramlás esetén nem igényel sűrűségkorrekciót, de a tömegáram számításához sűrűségkompenzáció szükséges, amely integrált nyomás- és hőmérsékletbemenetekkel történik.

Az ABB VortexMaster FSV430 sorozatú detektorai piezoelektromos érzékelőket használnak az alternáló örvényleválásból származó oszcilláló felhajtóerő érzékelésére. A jelkezelő firmware kiszűri a csőrezgés zaját, hogy elkülönítse a valódi örvényjeleket. Vezetőképes folyadékok inline elektromágneses áramlásmérésére alternatívaként az ABB FSM4000 Elektromágneses Áramlásmérő nagy pontosságú, nedves mérési megoldást kínál Reynolds-szám korlátok nélkül.

Reynolds-szám korlátok és alkalmazási határok

Az örvényáramlásmérőknek minimális Reynolds-számra (Re) van szükségük a stabil örvényleválás fenntartásához. Körülbelül Re = 10 000 alatt a Strouhal-szám nem marad állandó, és a mérési pontosság jelentősen romlik. Ezért az örvényáramlásmérők alacsony viszkozitású folyadékokhoz alkalmasak: vízhez, könnyű szénhidrogén folyadékokhoz, gőzhöz, földgázhoz és sűrített levegőhöz. Magas viszkozitású folyadékok, például nagy viszkozitású nehéz tüzelőolaj esetén túl magas áramlási sebesség szükséges a minimális Re eléréséhez.

A maximális sebesség is korlátozott. Folyadék alkalmazásoknál kavitációs károsodás léphet fel, ha a tompa testen a gőznyomás túllépésre kerül. A legtöbb örvényáramlásmérő maximális folyadéksebességként 7–10 m/s-t határoz meg. Gázok esetén magasabb sebességek engedélyezettek, akár 70 m/s-ig, mivel a gáz nem kavitatív. A gőz alkalmazások a legerősebb felhasználási területet jelentik az örvényáramlásmérők számára – a mozgó alkatrészek hiánya kiküszöböli a kopást és a csapágykopást, amelyek a turbina mérőkben gyakoriak.

Mérő kiválasztási szempontok és méretezés

• 1. lépés: Határozza meg a normál üzemi áramlási sebességet (Q_nom), a maximális áramlási sebességet (Q_max) és a minimális áramlási sebességet (Q_min). Egy tipikus örvényáramlásmérő átbocsátási aránya 15:1 és 30:1 között van. Ha Q_max / Q_min meghaladja a 30:1-et, fontolja meg más technológia alkalmazását.
• 2. lépés: Számítsa ki a sebességet Q_max esetén a csőátmérő területének felhasználásával. Folyadékoknál célozza meg az 1,5 m/s és 7 m/s közötti sebességet, gázoknál 3 m/s és 60 m/s között. Méretezze a mérőátmérőt úgy, hogy a normál üzemi sebesség a tartomány közepén legyen.
• 3. lépés: Adja meg a mérő tényezőt (K-tényező, impulzusok köbméterenként). Ez az érték a mérő névtábláján található. A beüzemelés során ellenőrizze a K-tényezőt az adó konfigurációjában. A névtábla és a konfigurált K-tényező eltérése állandó szisztematikus hibát okoz. Az ABB VortexMaster 316L rozsdamentes acélból és Hastelloy C-276-ból készült nedves alkatrészeket kínál; válassza ki a tömítés anyagát a folyamat kémiai összetételéhez és nyomásértékéhez igazodva.

Egyszerű csőszakasz követelmények és telepítési ajánlások

Az örvényáramlásmérők nagyon érzékenyek az áramlás előtti zavarokra. Az aszimmetrikus sebességprofilok, örvénylés és pulzáció torzítja az örvényleválás mintázatát és rontja a pontosságot. Az ABB VortexMaster szabványos előfeltételei:

• 1. lépés: 15D egyetlen 90°-os síkban lévő hajlítás után (ahol D a névleges csőátmérő).
• 2. lépés: 25D két 90°-os síkon kívüli hajlítás után. A síkon kívüli hajlítás örvénylést generál, amely hosszú távolságon fennmarad.
• 3. lépés: 40D vezérlőszelepek, szivattyúk vagy kompresszorok után. Ezek az eszközök erős turbulenciát okoznak.
• 4. lépés: Minden esetben legalább 5D a csőszakasz a mérő után.
• 5. lépés: Ha a csőszakasz egyenes szakasza fizikailag korlátozott, telepítsen áramláskiegyenlítőt előrefelé. Egy csőköteg kiegyenlítő általában csökkenti a szükséges előtti egyenes szakaszt 25D-ről 10D-re.

Az örvényáramlásmérőt úgy szerelje fel, hogy az elektronikai ház oldalra vagy felülre kerüljön. Függőleges csőbe történő telepítésnél folyadék alkalmazások esetén biztosítsa, hogy az áramlás iránya felfelé legyen, hogy megakadályozza a gázzsákok képződését a tompa testen.

Helyszíni beüzemelés és kimenet ellenőrzése

• 1. lépés: Ellenőrizze, hogy a névtáblán szereplő K-tényező megegyezik-e a folyamatvezérlő vagy DCS címke konfigurációjában megadott értékkel.
• 2. lépés: Ellenőrizze a folyamatcsatlakozó perem nyomásosztályát és a tömítés helyes beszerelését.
• 3. lépés: Ellenőrizze a vezetékek polaritását és a árnyékolás földelését. Az ABB VortexMaster adók 4–20 mA kimenetet adnak HART protokollal. Győződjön meg róla, hogy a hurok impedanciája a HART tartományban van (250–1100 ohm).
• 4. lépés: Kapcsolja be az eszközt, és ellenőrizze a diagnosztikai kijelzőt riasztási állapotokért. Az ABB VortexMaster firmware alacsony jel figyelmeztetést ad, ha az áramlás a minimálisan érzékelhető sebesség alá esik.
• 5. lépés: Nyissa meg lassan a zárószelepet kb. 25%-ra, és ellenőrizze, hogy a kimenet arányosan növekszik-e. A hirtelen teljes nyitás beüzemeléskor hidraulikus lökést okozhat, amely károsíthatja a piezoelektromos érzékelőt.

Woodward turbinaszabályozók esetén, amelyek gőzáramlást használnak vezérlő bemenetként, ellenőrizze, hogy az áramlásjel skálázása megfelel-e a szabályozó kártyán elvárt műszaki egységeknek. A Woodward 505 Enhanced Digital Governor Controller és a Woodward 8200-1300 Digitális Szabályozó Gőzturbinákhoz 4–20 mA analóg bemeneteket fogadnak, amelyek az áramlást a maximális érték százalékában jelzik. A helytelenül beállított tartomány miatt a szabályozó hibásan reagálhat a terhelésváltozásokra, ami a turbina indításakor sebességingadozást okozhat.

Ezenkívül végezzen nullázási ellenőrzést áramlás leállításakor. Az örvényáramlásmérőnek pontosan 4,00 mA-t kell kiadnia. Bármilyen 4,2 mA feletti maradék kimenet rezgés interferenciára utal. Azonosítsa és szigetelje el a mechanikai rezgésforrásokat a mérőtesttől számított három csőátmérőnyi távolságon belül.

Következtetés és javaslatok

Az örvényáramlásmérők kiváló hosszú távú pontosságot nyújtanak gőz, gáz és alacsony viszkozitású folyadékok mérésében, mozgó alkatrészek kopása nélkül. Az ABB VortexMaster adók és a Woodward turbinaszabályozó rendszerek kombinációja bevált, nagy teljesítményű gőzmérési megoldást képvisel. A siker a Reynolds-szám tartományhoz igazított megfelelő méretezéstől, a megfelelő előtti egyenes csőszakasztól, a K-tényező konfigurációjának ellenőrzésétől és a gondos beüzemeléstől függ, amely ismert nullpont referencia alapján történik. Az egyenes csőszakasz követelményét már a P&ID tervezési szakaszban építse be a csővezeték kialakításába, hogy későbbi költséges átalakításokat elkerülje.

Szerző: Zhang Haowen, ipari automatizálási mérnök, több mint 10 éves tapasztalattal PLC, DCS és vezérlőrendszerek területén.