Vortex plūsmas mērītājs: darbības principi, izvēles kritēriji un lauka nodošana ekspluatācijā

Karmana virpuļa efekts: fizika aiz mērījuma

Virpuļa plūsmas mērītājs darbojas pēc fon Karmana virpuļa atlaišanas principa. Kad šķidrums plūst gar šķēršļķermeni, kas novietots perpendikulāri plūsmai, katrā pusē aiz šķēršļa veidojas mainīgi virpuļi. Šie virpuļi atlaižas ar frekvenci, kas tieši proporcionāla šķidruma ātrumam. Stroula skaitlis (St) saista atlaišanas frekvenci ar ātrumu: f = St × V / d, kur f ir frekvence hercos, V ir ātrums metros sekundē, un d ir šķēršļa platums metros. St būtībā paliek nemainīgs aptuveni 0,2 robežās derīgā Reilija skaitļa diapazonā, nodrošinot mērītāja lineāro iznākuma raksturu. Frekvences signālam nav nepieciešama blīvuma korekcija tilpuma plūsmas mērīšanai, taču masas plūsmas aprēķinam nepieciešama blīvuma kompensācija, izmantojot integrētus spiediena un temperatūras datus.

ABB VortexMaster FSV430 sērijas detektori izmanto piezoelektriskos sensorus, lai uztvertu svārstīgo pacēluma spēku no mainīgās virpuļa atlaišanas. Signāla apstrādes programmatūra filtrē cauruļvada vibrāciju troksni, lai izolētu īstos virpuļa signālus. Kā alternatīvu vadītspējīgu šķidrumu plūsmas mērīšanai tiešā elektromagnētiskā veidā piedāvā ABB FSM4000 elektromagnētisko plūsmas mērītāju, kas nodrošina augstu precizitāti bez Reilija skaitļa ierobežojumiem.

Reilija skaitļa ierobežojumi un pielietojuma robežas

Virpuļa mērītājiem nepieciešams minimāls Reilija skaitlis (Re), lai uzturētu stabilu virpuļa atlaišanu. Zem aptuveni Re = 10 000 Stroula skaitlis vairs nav konstants, un mērījuma precizitāte strauji pasliktinās. Tāpēc virpuļa mērītāji piemēroti zemas viskozitātes šķidrumiem: ūdenim, viegliem ogļūdeņražu šķidrumiem, tvaikam, dabasgāzei un saspiestam gaisam. Augstas viskozitātes šķidrumiem, piemēram, smagajai degvielai ar paaugstinātu viskozitāti, nepieciešams pārmērīgi liels plūsmas ātrums, lai sasniegtu minimālo Re slieksni.

Maksimālais ātrums arī ir ierobežots. Šķidrumu pielietojumos, pārsniedzot tvaika spiedienu pie šķēršļa, rodas kavitācijas bojājumi. Lielākā daļa virpuļa mērītāju norāda maksimālo šķidruma ātrumu 7–10 m/s. Gāzu pielietojumos pieļaujami lielāki ātrumi līdz 70 m/s, jo gāze nekavitē. Tvaika pielietojumi ir vispiemērotākie virpuļa mērītājiem — mehānisku kustīgu daļu trūkums novērš eroziju un gultņu nodilumu, kas raksturīgs turbīnu mērītājiem.

Mērītāja izvēles kritēriji un izmēri

• 1. solis: Nosakiet normālo darbības plūsmas ātrumu (Q_nom), maksimālo plūsmas ātrumu (Q_max) un minimālo plūsmas ātrumu (Q_min). Parasts virpuļa mērītāja darbības diapazons ir 15:1 līdz 30:1. Ja Q_max / Q_min pārsniedz 30:1, apsveriet citu tehnoloģiju.
• 2. solis: Aprēķiniet ātrumu pie Q_max, izmantojot cauruļvada diametra laukumu. Mērķa ātrums šķidrumiem ir no 1,5 m/s līdz 7 m/s, gāzēm no 3 m/s līdz 60 m/s. Izmēriet mērītāja cauruli tā, lai normālais darbības ātrums būtu diapazona vidū.
• 3. solis: Norādiet mērītāja faktoru (K-faktoru, impulsi uz kubikmetru). Šī vērtība ir iegravēta uz mērītāja nosaukuma plāksnītes. Apstipriniet K-faktoru raidītāja konfigurācijā nodošanas laikā. Nesakritība starp plāksnīti un konfigurēto K-faktoru rada pastāvīgu sistemātisku kļūdu. ABB VortexMaster piedāvā 316L nerūsējošā tērauda un Hastelloy C-276 mitrās daļas; izvēlieties blīves materiālu atbilstoši procesa ķīmijai un spiediena prasībām.

Prasības taisnai caurulei un uzstādīšanas labākās prakses

Virpuļa mērītāji ir ļoti jutīgi pret plūsmas traucējumiem pirms mērītāja. Asimetriskas ātruma profila, virpuļošanas un pulsācijas izkropļo virpuļa atlaišanas modeli un pasliktina precizitāti. Standarta prasības ABB VortexMaster:

• 1. solis: 15D pirms mērītāja pēc viena 90° līkuma vienā plaknē (D ir nominālais cauruļvada diametrs).
• 2. solis: 25D pirms mērītāja pēc diviem 90° līkumiem ārpus plaknes. Ārpus plaknes līkumi rada virpuļošanu, kas saglabājas lielā attālumā.
• 3. solis: 40D pirms mērītāja pēc vadības vārstiem, sūkņiem vai kompresoriem. Šīs ierīces rada spēcīgas turbulences.
• 4. solis: Visos gadījumos vismaz 5D pēc mērītāja.
• 5. solis: Uzstādiet plūsmas kondicionieri pirms mērītāja, ja taisnā caurule ir ierobežota. Cauruļu komplekta kondicionieris parasti samazina nepieciešamo taisnās caurules garumu no 25D līdz 10D.

Uzstādiet virpuļa mērītāju ar elektronikas korpusu sānos vai augšpusē. Vertikālos cauruļvados nodrošiniet plūsmas virzienu uz augšu šķidrumu pielietojumos, lai novērstu gāzes kabatu veidošanos pie šķēršļa.

Lauka nodošana ekspluatācijā un iznākuma pārbaude

• 1. solis: Pārliecinieties, ka K-faktors uz raidītāja plāksnītes atbilst vērtībai, kas ievadīta plūsmas datorā vai DCS tagu konfigurācijā.
• 2. solis: Pārbaudiet procesa savienojuma flanča novērtējumu un blīves pareizu uzstādīšanu.
• 3. solis: Pārbaudiet vadu polaritāti un aizsargapvalka zemējumu. ABB VortexMaster raidītāji izvada 4–20 mA ar HART protokolu. Pārliecinieties, ka cilpas pretestība ir HART diapazonā (250–1100 omi).
• 4. solis: Ieslēdziet un pārbaudiet diagnostikas displeju trauksmes stāvokļiem. ABB VortexMaster programmatūra ziņo par zema signāla brīdinājumiem, kad plūsma nokrītas zem minimālā uztveramā ātruma.
• 5. solis: Lēnām atveriet bloķēšanas vārstu līdz aptuveni 25% un pārbaudiet, vai iznākums proporcionāli palielinās. Pārmērīga pilnīga atvēršana nodošanas laikā var radīt hidraulisku triecienu, kas bojā piezoelektrisko sensoru.

Woodward turbīnas regulēšanas sistēmām, kas izmanto tvaika plūsmu kā vadības ieeju, pārliecinieties, ka plūsmas signāla mērogošana atbilst gaidītajām inženiertehniskajām vienībām regulēšanas kartē. Woodward 505 uzlabotais digitālais regulēšanas kontrolieris un Woodward 8200-1300 digitālais regulētājs tvaika turbīnām pieņem 4–20 mA analogo ieeju, kas attēlo plūsmu kā maksimālā procentuālo daļu. Nepareizi konfigurēts diapazons var izraisīt regulētāja nepareizu reakciju uz slodzes izmaiņām, radot ātruma svārstības turbīnas palaišanas laikā.

Turklāt veiciet nulles pārbaudi ar apstādinātu plūsmu. Virpuļa mērītājam jāizvada precīzi 4,00 mA. Jebkāds atlikušais iznākums virs 4,2 mA norāda uz vibrāciju traucējumiem. Identificējiet un izolējiet mehāniskās vibrācijas avotus trīs cauruļvada diametru attālumā no mērītāja korpusa.

Nobeigums un rīcības ieteikumi

Virpuļa plūsmas mērītāji nodrošina izcilu ilgtermiņa precizitāti tvaika, gāzes un zemas viskozitātes šķidrumu mērīšanā bez kustīgām daļām, kas nolietojas. ABB VortexMaster raidītāji kopā ar Woodward turbīnas vadības sistēmām ir pārbaudīta augstas veiktspējas tvaika mērīšanas risinājums. Panākumi ir atkarīgi no pareiza izmēra izvēles Reilija skaitļa diapazonam, pietiekama taisnās caurules garuma pirms mērītāja, apstiprinātas K-faktora konfigurācijas un rūpīgas nodošanas ekspluatācijā pret zināmu nulles atsauci. Iekļaujiet taisnās caurules prasības cauruļvadu projektā P&ID posmā, lai izvairītos no dārgām pārbūvēm vēlāk.

Autors: Zhang Haowen ir rūpnieciskās automatizācijas inženieris ar vairāk nekā 10 gadu pieredzi PLC, DCS un vadības sistēmās.