Co je clonový průtokoměr? Princip činnosti, přesnost, aplikace a výběr

Princip zní jednoduše, ale spolehlivé měření průtoku clonou závisí na více než na samotné desce. Průměr otvoru, poměr beta, stav břitu, umístění tlakové odbočky, hustota kapaliny, Reynoldsovo číslo, profil průtoku proti proudu, rozsah DP převodníku a instalace, to vše ovlivňuje výsledek.

Tato příručka vysvětluje princip fungování průtokoměru s clonou od hydraulického omezení až po signál konečného průtoku, poté ukazuje, co ovlivňuje nejistotu měření, kde technologie funguje dobře a co by měli inženýři zkontrolovat před specifikací systému.

Co tvoří clonový průtokoměr?

S clonovým měřičem by se mělo zacházet spíše jako s kompletním systémem měření rozdílu-tlaku než jako s kovovou deskou instalovanou mezi dvěma přírubami.

Clona

Deska vytváří omezení. Konvenční soustředná deska s ostrými hranami-má kruhový otvor uprostřed trubky. Jeho velikost otvoru, tloušťka, vstupní hrana a orientace instalace musí odpovídat návrhu použitému pro výpočet průtoku.

Pro konkrétní služby jsou k dispozici různé geometrie desek. Průvodce povýběr typu clonyposkytuje další kontext, když standardní soustředná deska nemusí tekutině vyhovovat.

Tlakové kohouty a impulsní připojení

Tlakové kohouty snímají statický tlak na straně proti proudu a po proudu od omezení. Trubice nebo integrované průchody přenášejí tyto tlakové signály do přístroje rozdílového tlaku.

Uspořádání výčepu je součástí návrhu měření. Po určení velikosti dlahy s ní nelze libovolně pohybovat, protože tlak se mění s polohou kolem omezení.

Převodník diferenciálního tlaku

Sekundární měřicí prvek zjišťuje rozdíl mezi vysoko-tlakou a nízkým-tlakem. Vhodnývysílač diferenčního tlakupřevádí tento mechanický tlakový rozdíl na použitelný elektronický signál.

V širším měřítku,konfigurace snímačů tlakuby měly být vybrány podle procesního tlaku, teploty, požadovaného rozpětí, podmínek prostředí a požadavků na řídicí-systém.

Jak funguje clonový průtokoměr?

1. Tekutina se blíží omezení

Před deskou zabírá kapalina celý průřez trubky-. Pro normalizované měření by měl přibližující se průtok splňovat podmínky instalace požadované zvolenou metodou výpočtu. Blízká kolena, ventily a další poruchy mohou změnit profil rychlosti předtím, než tekutina dosáhne otvoru.

2. Rychlost se zvyšuje přes otvor

Vývrt poskytuje menší průtokovou plochu než trubka. Aby byla zachována kontinuita, tekutina se při průchodu otvorem zrychluje.

Toto zrychlení je ústředním bodem měření diferenciálního-průtoku tlaku. Měřič neměří přímo rychlost na desce; místo toho měří změnu tlaku spojenou se zrychlením.

3. Pokles statického tlaku

Jak rychlost stoupá, statický tlak klesá. Bernoulliho princip poskytuje základní fyzikální vztah mezi tlakem, rychlostí a nadmořskou výškou pro idealizované proudění, zatímco praktické výpočty clony přidávají koeficienty, které zohledňují skutečné chování kapaliny.

Přední tlak je proto vyšší než tlak naměřený na zadní straně zúžení.

4. Po proudu se tvoří Vena Contracta

Proud tekutiny se po překročení desky okamžitě nerozšíří na celý průměr trubky. Pokračuje v kontrakci na krátkou vzdálenost po proudu. Místo, kde proud dosáhne svého minimálního průřezu-, se nazývávena contracta.

Po tomto bodě se proud rozpíná a obnoví se určitý statický tlak. Obnova není úplná, protože separace a turbulence rozptýlí mechanickou energii. Tato neobnovená část se jeví jako trvalá tlaková ztráta.

5. Systém měří diferenční tlak

Vysílač vidí dva tlakové signály:

ΔP = P1 − P2

kde P1 je vstupní odpichový tlak a P2 je výstupní odpichový tlak.

S rostoucím průtokem roste diferenční tlak. Vztah je však nelineární.

6. Diferenční tlak se převádí na průtok

Pro pevnou geometrii a jinak stabilní podmínky procesu je zjednodušený vztah:

Q ∝ √ΔP

To má důležitý praktický důsledek. Pokud diferenční tlak klesne na 25 % své plné{2}}hodnoty na stupnici, odpovídající teoretický průtok je asi 50 % plného rozsahu, nikoli 25 %.

Funkce odmocnina- může být vykonávána uvnitř chytrého vysílače nebo v PLC, DCS nebo průtokovém počítači. Normálně by neměl být aplikován dvakrát. EmersonovaInženýrská příručka toku DPkonkrétně poznamenává, že extrakci odmocnin{0}} lze provádět ve vysílači nebo jinde v řídicím systému, a varuje před jejím prováděním na obou místech.

Výsledný signál může být také akumulován pomocí atotalizátor průtokukdyž aplikace vyžaduje celkový objem nebo hmotnost v průběhu času.

Co vstupuje do rovnice průtoku skutečného otvoru?

Druhý-vztah vysvětluje princip, ale není úplnou inženýrskou rovnicí velikosti. Skutečné výpočty zohledňují geometrii a chování primárního prvku a vlastnosti tekutiny.

Mezi důležité proměnné patří:

• průměr otvoru otvoru;
• vnitřní průměr trubky;
• diferenční tlak;
• hustota tekutiny;
• vypouštěcí koeficient;
• poměr beta;
• Reynoldsovo číslo;
• faktor roztažnosti pro stlačitelné kapaliny.

Koeficient vybíjení

Koeficient průtoku, běžně reprezentovaný C, odpovídá za rozdíl mezi výpočtem idealizovaného průtoku a skutečným průtokem přes omezení. Je ovlivněna geometrií a režimem proudění, proto nelze standardní clonu nahradit přibližně podobným otvorem a očekávat, že vytvoří stejný základ výpočtu.

Stav hran desky je také důležitý. Zakulacení, usazeniny, eroze nebo mechanické poškození mohou změnit místní chování proudění a tím ovlivnit výkon měření.

Faktor roztažnosti

U kapalin jsou změny hustoty prostřednictvím prvku diferenciálního tlaku často dostatečně malé na to, aby se kapalina považovala za v podstatě nestlačitelnou pro příslušný výpočet. Plyn a pára se chovají jinak.

Když stlačitelná tekutina prochází omezením, změny tlaku jsou doprovázeny změnami hustoty. Faktor roztažnosti zohledňuje tento efekt ve výpočtu příslušné clony. To je jeden z důvodů, proč dimenzování plynu a páry vyžaduje více informací o procesu než jen průměr potrubí a maximální průtok.

Co je to Beta Ratio a proč na tom záleží?

Poměr beta, psaný jako , je poměr mezi průměrem otvoru otvoru a vnitřním průměrem trubky:

= d / D

kde d je průměr otvoru a D je vnitřní průměr trubky proti proudu.

Menší vrtání vzhledem k potrubí vytváří silnější omezení a obecně vytváří větší rozdílový tlak při daném průtoku. Větší vrtání vytváří menší diferenční tlak a obvykle menší trvalou tlakovou ztrátu.

To neznamená, že velmi malý nebo velmi velký poměr beta je automaticky lepší. Beta poměr interaguje s Reynoldsovým číslem, vybíjecím koeficientem, dostupným DP, nejistotou a citlivostí instalace. Měl by být vypočítán ze skutečných procesních podmínek spíše než zvolen pouze pro vytvoření vhodného rozpětí vysílače.

Jaké uspořádání tlakového kohoutu se používá?

ISO 5167-2:2022 se vztahuje na standardní clony používané s přírubovými závitníky, rohovými závitníky a závitníky D a D/2. Theoficiální specifikace ISO 5167-2také definuje geometrii, instalaci a provozní podmínky pro standardní desky používané v plně kruhových potrubích.

Přírubové závitníky

Tlakové spoje jsou umístěny v přírubách ve standardizovaných vzdálenostech v blízkosti desky. Jedná se o běžné průmyslové uspořádání.

Rohové kohoutky

Tlak je snímán bezprostředně přilehle k horní a dolní straně desky.

Závitníky D a D/2

Přední odbočka je umístěna o jeden průměr trubky proti proudu, zatímco poproudová odbočka je umístěna v polovině průměru trubky po proudu.

Tato uspořádání jednoduše neposkytují tři různé způsoby připojení potrubí. Umístění odbočky mění měřený diferenční tlak, takže konfigurace odbočky musí odpovídat metodě výpočtu použité k určení průtoku.

Co ovlivňuje přesnost průtokoměru clony a nejistotu měření?

Je užitečnější přemýšlet o nejistotě celého měřicího systému, než přidělovat jedno generické číslo přesnosti každému clonovému měřidlu.

Geometrie primárního prvku

Průměr díry, rovinnost desky, tloušťka, stav ostrých{0}}hran a průměr trubky – to vše ovlivňuje primární měření. Správně vyrobená deska, ale instalovaná zpětně, může také přinést výsledek mimo zamýšlený návrhový základ.

Průtokový profil

Kolena, částečně otevřené ventily, redukce a další armatury mohou vytvářet vířivé nebo asymetrické profily rychlosti. Účinek závisí na rušení, jeho vzdálenosti od desky a geometrii měřiče.

To je důvod, proč neexistuje žádné užitečné univerzální tvrzení, že každý clonový měřič potřebuje přesně stejný počet průměrů potrubí proti proudu. Standardní instalační požadavky by měly být zkontrolovány pro skutečnou konfiguraci potrubí.

Reynoldsovo číslo

Reynoldsovo číslo popisuje vztah mezi inerciálními a viskózními účinky v proudící tekutině. Protože průtokový koeficient souvisí s režimem proudění, Reynoldsovo číslo tvoří součást standardizovaných výpočtů a limitů použitelnosti.

ISO 5167-2 specifikuje definované provozní podmínky a limity použití spíše než považovat koeficient desky za nezávislý na režimu proudění.

Rozpětí vysílače DP

Převodník, který funguje dobře v blízkosti svého navrženého provozního rozsahu, může přispívat úměrně k větší nejistotě, když se tlakový rozdíl velmi sníží.

To je důležité, protože DP rychle klesá se snižujícím se průtokem. Pokud je průtok 30 % projektovaného průtoku, diferenční tlak je pouze asi 9 % odpovídajícího projektovaného DP podle zjednodušeného čtvercového vztahu.

Nízký-výkon průtoku proto závisí na více než nominální přesnosti vysílače vytištěné na datovém listu.

Tlakové kohouty a impulsní vedení

Ucpané kohouty, netěsnosti, nestejné hlavy kapaliny, zachycený plyn nebo kondenzát mohou vytvořit falešný rozdíl tlaků dříve, než vysílač vůbec zpracuje signál.

To je důvod, proč je kontrola kompletní tlakové dráhy často užitečnější než okamžitá rekalibrace převodníku, když se hodnota stane nestabilní.

Hustota kapaliny a kompenzace

Pro měnící se podmínky plynu nebo páry se může hustota lišit natolik, aby ovlivnila vypočítaný průtok. Systém s více proměnnými může zahrnovat statický tlak a teplotu, takže výpočet odráží měnící se podmínky procesu.

Kalibrace zůstává součástí celkového-procesu správy měření. Průvodce na webujak kalibrovat průtokoměrposkytuje další pozadí, zatímco tlaková instrumentace může vyžadovat vlastní dokumentaciinterval kalibrace snímače tlaku.

Kde se používají clonové průtokoměry?

Průtok kapaliny

Clony mohou měřit mnoho čistých, jednofázových- kapalin, pokud jsou tlakové ztráty a podmínky instalace přijatelné. Běžnými příklady jsou voda, procesní kapaliny a uhlovodíky.

Špinavé kapaliny vyžadují větší opatrnost. Usazeniny mohou změnit geometrii vývrtu, zatímco pevné látky mohou erodovat hranu nebo blokovat tlakové odbočky.

Průtok plynu

U plynu je také široce používáno{0}}měření diferenčního tlaku. Je však třeba vzít v úvahu kolísání stlačitelnosti a hustoty. Systém určený k hlášení standardního objemu nebo hmotnostního průtoku může kromě DP potřebovat kompenzaci tlaku a teploty.

Čtenáři hodnotící žádosti o plyn mohou pokračovat na stránkáchprůmyslové měření průtoku plynuzdroje.

Průtok páry

Steam je důležitou aplikací DP-toku, protože primární prvek nemá žádný rotační měřicí mechanismus vystavený procesu vysoké-teploty.

Obtížnou částí často není deska, ale systém měření tlaku. V konvenčním uspořádání mokrého-nohy by měl být kondenzát v impulzních vedeních řízen tak, aby obě strany vykazovaly stabilní a srovnatelnou tlakovou výšku vůči vysílači. Špatný sklon vedení, nestejné nohy kondenzátu nebo pára vstupující do vysílače mohou způsobit problémy s měřením a spolehlivostí.

Hustota páry se také mění s provozními podmínkami, takže systém používaný v širokém rozsahu tlaků nebo teplot může vyžadovat kompenzaci. Alternativní parní technologie jsou diskutovány na stránkáchprůtokoměr párysekce.

Kdy je clona špatnou volbou?

Systém ústí je atraktivní, protože primární prvek je jednoduchý a standardizovaný, ale záleží na jeho kompromisech-.

• Vysoké náklady na ztrátu-trvalého tlaku:je-li energie čerpadla nebo kompresoru kritická, může jiný primární prvek zajistit lepší obnovu tlaku.
• Abrazivní nebo usazeninová-kapalina:eroze hrany a ucpané odbočky mohou narušit měření.
• Velmi široký provozní rozsah:nízký průtok vytváří velmi malý DP, což může způsobit, že celý systém bude méně vhodný než jiná technologie.
• Silná pulzace:standardní rozsah ISO 5167-2 vylučuje pulzující proudění.
• Špatné potrubí proti proudu:silné víření nebo zkreslení profilu rychlosti- může způsobit, že standardní instalace bude nepraktická bez přepracování.
• Požaduje se přímý průtok hmoty:systém clony obecně vyžaduje dodatečné informace o tlaku, teplotě a hustotě spíše než vlastní měření hmotnosti.

Otvor vs Venturiho, Vortex, Turbína a Coriolis

A Venturiho průtokoměrje zvláště vhodné porovnat, když je důležitá trvalá tlaková ztráta. Postupně se sbíhající a regenerační sekce normálně udržují větší tlak než náhlá expanze po proudu od otvoru.

Pro parní nebo komunální služby porovnejte aplikaci s avírový průtokoměr. Pro čisté kapaliny, kde je přijatelný mechanický rotor,rozsah turbínových průtokoměrůposkytuje jiný přístup k měření. Tam, kde je prioritou přímý tok hmoty, je průvodcem webuPrincip činnosti Coriolisova průtokoměruvysvětluje zásadně odlišnou metodu.

Vodivé tekuté služby mohou také ospravedlnit srovnání selektromagnetický průtokoměr, zvláště když je žádoucí odstranit rušivé omezení.

Jak vybrat clonový průtokoměr

Užitečná specifikace začíná procesem, nikoli velikostí příruby.

1. Identifikujte tekutinu a fázi.Uveďte, zda je proces kapalný, plynný nebo parní a zda za provozních podmínek zůstává jednofázový.
2. Zajistěte minimální, normální a maximální průtok.Jediný návrhový tok nestačí k vyhodnocení DP s nízkým-průtokem nebo požadované rozsahu.
3. Definujte tlak a teplotu.Zahrňte normální a návrhové podmínky. Výpočty plynu a páry mohou také potřebovat tyto hodnoty pro kompenzaci hustoty.
4. Potvrďte vnitřní průměr trubky.Jmenovitá velikost potrubí není vždy dostatečná pro přesný výpočet primárního-prvku.
5. Určete přípustnou trvalou tlakovou ztrátu.To se může stát spíše energetickým omezením{0}}životního cyklu než pouhým problémem s přístroji.
6. Vyberte geometrii a materiál desky.Zvažte čistotu kapalin, korozi, teplotu a platné normy.
7. Stanovte poměr beta a navrhněte DP.Ty by měly být počítány společně, nikoli nezávisle vybírány.
8. Vyberte požadované uspořádání kohoutku.Kohouty musí odpovídat základu výpočtu.
9. Velikost vysílače DP.Vyhodnoťte očekávaný DP v reálném provozním rozsahu, nejen při maximálním průtoku.
10. Definujte kompenzaci a výstup.Zjistěte, zda systém potřebuje extrakci odmocniny, sčítání, kompenzaci tlaku/teploty nebo hmotnostní-výpočet průtoku.
11. Zkontrolujte uspořádání potrubí.Před dokončením návrhu zkontrolujte rušení proti proudu, -požadavky na přímý provoz, umístění vysílače a směrování impulsního{1} vedení.

Běžné chyby instalace a uvedení do provozu

Společnost Emerson popisuje průtokové systémy DP jako kombinaci primárního prvku, převodníku diferenčního tlaku a podpůrných součástí, jako jsou impulsní potrubí, ventily a konektory. Toto zobrazení na úrovni systému-je užitečné při odstraňování problémů, protože dobrá deska nemůže opravit špatný signál tlaku. Viz Emerson'spřehled měření průtoku diferenčního tlakupro další technické zázemí.

Často kladené otázky

Je clonový průtokoměr diferenční tlakový průtokoměr?

Ano. Clona vytváří řízený tlakový rozdíl a měřicí systém používá tento DP ke stanovení průtoku.

Proč se průtok mění s druhou odmocninou diferenciálního tlaku?

Pro pevnou geometrii a stabilní podmínky kapaliny se diferenční tlak mění přibližně s druhou mocninou průtoku. Vypočtený průtok se proto mění s druhou odmocninou DP.

Jaká je hlavní nevýhoda clonového měřiče?

Trvalá ztráta tlaku je jedním z hlavních kompromisů-. Náhlé omezení a oddělení toku po proudu rozptýlí energii, která není plně obnovena.

Co je poměr beta?

Beta poměr je průměr otvoru vydělený vnitřním průměrem trubky. Ovlivňuje generovaný DP, chování výtlaku, tlakovou ztrátu a použitelné podmínky dimenzování.

Může clonový průtokoměr měřit páru?

Ano. Primární prvek je vhodný pro vysokoteplotní provoz, ale přesné měření páry závisí také na stavu páry, výpočtu hustoty, informacích o tlaku a teplotě a správné instalaci impulsního- vedení.

Vyžaduje každá clona stejnou rovnou délku potrubí?

Ne. Požadavek závisí na rušení proti proudu, poměru beta, uspořádání potrubí a příslušné výpočtové normě. Jedno přímé-číslo běhu by nemělo být použito pro každou instalaci.

Jak často by se měl clonový průtokoměr kalibrovat?

Neexistuje žádný univerzální interval pro celý systém. Kalibrační frekvence by měla odrážet kritičnost měření, stabilitu vysílače, servisní podmínky, historii údržby a požadavky na kvalitu-systému. Kontrola destičky a kontrola dráhy tlaku-jsou oddělené od kalibrace převodníku.

Lze ISO 5167 použít pro každou aplikaci s clonou?

ISO 5167-2 definuje specifický rozsah pro normalizované clony a provozní podmínky. Podle oficiálního souhrnu standardů se vztahuje na kompletní potrubí, specifikovaná tlaková-uspořádání odběrů, jednofázový podzvukový tok a definované rozsahy velikostí a Reynoldsových čísel; pulzující proudění je mimo uvedený rozsah.

Závěr

Clonový průtokoměr převádí řízené hydraulické omezení na diferenční tlak, který lze vztáhnout k průtoku. Deska vytváří změnu rychlosti a tlaku, tlakové kohouty přenášejí výsledné signály a vysílač DP nebo řídicí systém provádí konverzi potřebnou pro indikaci průtoku a sčítání.

Spolehlivé měření závisí na celém systému. Beta poměr, vybíjecí koeficient, Reynoldsovo číslo, hustota kapaliny, stav desky, průtokový profil, uspořádání tlakové odbočky, rozpětí převodníku a kompenzace, to vše ovlivňuje konečný výsledek.

Pro novou aplikaci definujte tekutinu, fázi, provozní rozsah průtoku, tlak, teplotu, vnitřní průměr potrubí, přípustnou tlakovou ztrátu a požadovaný výkon měření před dimenzováním desky. Poté ověřte, že uspořádání potrubí a převodník mohou podporovat očekávaný rozsah DP. Tento proces výrazně usnadňuje určení, zda je clonový měřič vhodný nebo zda se lépe hodí Venturiho, vortexová, turbínová, elektromagnetická nebo Coriolisova technologie.