Co to jest przepływomierz kryzowy? Zasada działania, dokładność, zastosowania i wybór

Zasada wydaje się prosta, ale niezawodny pomiar przepływu przez kryzę zależy od czegoś więcej niż samej płyty. Na wynik wpływają średnica otworu, współczynnik beta, stan krawędzi, położenie kranu ciśnieniowego, gęstość płynu, liczba Reynoldsa, profil przepływu przed zaworem, zasięg przetwornika DP i instalacja.

W tym przewodniku wyjaśniono zasadę działania przepływomierza kryzowego od ograniczenia hydraulicznego do końcowego sygnału przepływu, a następnie pokazano, co wpływa na niepewność pomiaru, gdzie technologia działa dobrze i co inżynierowie powinni sprawdzić przed określeniem systemu.

Co składa się na przepływomierz kryzowy?

Kryzę należy traktować jako kompletny-system pomiaru różnicy ciśnień, a nie jako metalową płytkę instalowaną pomiędzy dwoma kołnierzami.

Płyta kryzowa

Płyta tworzy ograniczenie. Konwencjonalna koncentryczna płyta-o ostrych krawędziach ma okrągły otwór umieszczony centralnie w rurze. Rozmiar otworu, grubość, górna krawędź i orientacja instalacji muszą odpowiadać podstawie projektowej zastosowanej do obliczenia przepływu.

Dla poszczególnych usług dostępne są różne geometrie płyt. Przewodnik powybór typu kryzyzapewnia dodatkowy kontekst, gdy standardowa płytka koncentryczna może nie pasować do płynu.

Krany ciśnieniowe i połączenia impulsowe

Krany ciśnieniowe wykrywają ciśnienie statyczne po górnej i dolnej stronie zwężki. Rurki lub zintegrowane kanały przenoszą te sygnały ciśnieniowe do przyrządu różnicowego.

Układ gwintowania jest częścią projektu pomiarowego. Nie można go dowolnie przesuwać po zwymiarowaniu płytki, ponieważ ciśnienie zmienia się w zależności od położenia wokół ograniczenia.

Przetwornik różnicy ciśnień

Drugi element pomiarowy wykrywa różnicę pomiędzy stroną wysokiego-i niskiego-ciśnienia. Odpowiedniprzetwornik różnicy ciśnieńprzetwarza tę mechaniczną różnicę ciśnień na użyteczny sygnał elektroniczny.

szerzej,konfiguracje przetwornika ciśnienianależy wybrać zgodnie z ciśnieniem procesowym, temperaturą, wymaganą rozpiętością, warunkami środowiskowymi i wymaganiami-systemu sterowania.

Jak działa przepływomierz kryzowy?

1. Płyn zbliża się do ograniczenia

Przed płytą ciecz zajmuje cały-przekrój poprzeczny rury. W przypadku pomiaru znormalizowanego przepływ dopływający powinien spełniać warunki instalacyjne wymagane przez wybraną metodę obliczeniową. Znajdujące się w pobliżu kolanka, zawory i inne zakłócenia mogą zmienić profil prędkości, zanim płyn dotrze do otworu.

2. Prędkość wzrasta przez otwór

Otwór zapewnia mniejszy obszar przepływu niż rura. Aby zachować ciągłość, płyn przyspiesza, przechodząc przez otwór.

To przyspieszenie ma kluczowe znaczenie dla-pomiaru przepływu przy różnicy ciśnień. Miernik nie mierzy bezpośrednio prędkości na płycie; zamiast tego mierzy zmianę ciśnienia związaną z przyspieszeniem.

3. Spada ciśnienie statyczne

Wraz ze wzrostem prędkości ciśnienie statyczne maleje. Zasada Bernoulliego zapewnia podstawową zależność fizyczną między ciśnieniem, prędkością i wysokością dla idealnego przepływu, podczas gdy praktyczne obliczenia kryzy dodają współczynniki, które odpowiadają za rzeczywiste zachowanie płynu.

Ciśnienie przed reduktorem jest zatem wyższe niż ciśnienie zmierzone po stronie wylotowej przewężenia.

4. Vena Contracta tworzy się poniżej

Strumień płynu nie rozszerza się natychmiast do pełnej średnicy rury po przekroczeniu płyty. W dalszym ciągu kurczy się na krótkim dystansie w dół rzeki. Miejsce, w którym strumień osiąga minimalne-pole przekroju poprzecznego, nazywa sięvena kontrakt.

Po tym momencie strumień rozszerza się i odzyskuje się część ciśnienia statycznego. Odzysk nie jest całkowity, ponieważ separacja i turbulencje rozpraszają energię mechaniczną. Ta nieodzyskana część objawia się trwałą utratą ciśnienia.

5. System mierzy różnicę ciśnień

Przetwornik widzi dwa sygnały ciśnienia:

ΔP = P1 − P2

gdzie P1 to ciśnienie poboru przed zaworem, a P2 to ciśnienie poboru za zaworem.

Wraz ze wzrostem przepływu wzrasta różnica ciśnień. Zależność jest jednak nieliniowa.

6. Różnica ciśnień jest przekształcana na przepływ

W przypadku ustalonej geometrii i poza tym stabilnych warunków procesu uproszczona zależność wygląda następująco:

Q ∝ √ΔP

Ma to ważne konsekwencje praktyczne. Jeśli różnica ciśnień spadnie do 25% pełnej-wartości skali, odpowiedni przepływ teoretyczny wyniesie około 50% pełnej skali, a nie 25%.

Funkcję pierwiastka-można wykonać w inteligentnym przetworniku, w sterowniku PLC, DCS lub komputerze przepływu. Zwykle nie należy go nakładać dwukrotnie. EmersonaPrzewodnik po inżynierii przepływu DPw szczególności zauważa, że ​​ekstrakcję pierwiastkową-można przeprowadzić w nadajniku lub w innym miejscu systemu sterowania, i ostrzega przed wykonywaniem tego w obu lokalizacjach.

Powstały sygnał może być również akumulowany przez:licznik przepływugdy aplikacja wymaga całkowitej objętości lub masy w czasie.

Co wchodzi w skład rzeczywistego równania przepływu w kryzie?

Zależność pierwiastkowa-wyjaśnia tę zasadę, ale nie jest pełnym równaniem inżynieryjnym. Rzeczywiste obliczenia uwzględniają geometrię i zachowanie głównego elementu oraz właściwości płynu.

Ważne zmienne obejmują:

• średnica otworu kryzy;
• średnica wewnętrzna rury;
• różnica ciśnień;
• gęstość płynu;
• współczynnik rozładowania;
• współczynnik beta;
• liczba Reynoldsa;
• współczynnik rozszerzalności dla płynów ściśliwych.

Współczynnik rozładowania

Współczynnik wypływu, zwykle reprezentowany przez C, uwzględnia różnicę między obliczeniem wyidealizowanego przepływu a rzeczywistym przepływem przez przewężenie. Wpływa na to geometria i reżim przepływu, dlatego też standardowej kryzy nie można zastąpić mniej więcej podobnym otworem i oczekuje się, że będzie dawać tę samą podstawę obliczeniową.

Stan krawędzi płyty również ma znaczenie. Zaokrąglenia, osady, erozja lub uszkodzenia mechaniczne mogą zmienić zachowanie lokalnego przepływu i tym samym wpłynąć na wydajność pomiaru.

Współczynnik rozszerzalności

W przypadku cieczy zmiany gęstości w elemencie różnicy ciśnień są często wystarczająco małe, aby w odpowiednich obliczeniach uznać płyn za zasadniczo nieściśliwy. Gaz i para zachowują się inaczej.

Gdy ściśliwy płyn przechodzi przez zwężenie, zmianom ciśnienia towarzyszą zmiany gęstości. Współczynnik rozszerzalności uwzględnia ten efekt w odpowiednich obliczeniach kryzy. Jest to jeden z powodów, dla których dobór gazu i pary wymaga więcej informacji procesowych niż tylko średnica rury i maksymalny przepływ.

Co to jest współczynnik beta i dlaczego ma to znaczenie?

Współczynnik Beta, zapisywany jako, jest stosunkiem średnicy otworu kryzy do średnicy wewnętrznej rury:

= d / D

gdzie d jest średnicą otworu kryzy, a D jest średnicą wewnętrzną rury przed rurą.

Mniejszy otwór w stosunku do rury stwarza silniejsze ograniczenie i generalnie wytwarza większą różnicę ciśnień przy danym przepływie. Większy otwór powoduje mniejszą różnicę ciśnień i zwykle mniej trwałą utratę ciśnienia.

Nie oznacza to, że albo bardzo mały, albo bardzo duży współczynnik beta jest automatycznie lepszy. Współczynnik Beta oddziałuje z liczbą Reynoldsa, współczynnikiem wyładowania, dostępnym DP, niepewnością i czułością instalacji. Należy go obliczyć na podstawie rzeczywistych warunków procesu, a nie wybierać jedynie w celu stworzenia wygodnego zakresu przetwornika.

Jaki układ kranu ciśnieniowego jest używany?

ISO 5167-2:2022 obejmuje standardowe kryzy stosowane z kranami kołnierzowymi, narożnymi oraz gwintownikami D i D/2. Theoficjalna specyfikacja ISO 5167-2określa także geometrię, warunki montażu i eksploatacji standardowych płyt stosowanych w peszlach o przekroju okrągłym.

Krany kołnierzowe

Przyłącza ciśnieniowe znajdują się w kołnierzach w znormalizowanych odległościach w pobliżu płyty. Jest to powszechne rozwiązanie przemysłowe.

Krany narożne

Ciśnienie jest mierzone bezpośrednio w sąsiedztwie górnej i dolnej powierzchni płyty.

Krany D i D/2

Kran przed rurą znajduje się o jedną średnicę rury przed, natomiast kran za rurą znajduje się o połowę średnicy rury za rurą.

Układy te nie zapewniają po prostu trzech różnych sposobów łączenia rurek. Lokalizacja kranu zmienia mierzoną różnicę ciśnień, zatem konfiguracja kranu musi być zgodna z metodą obliczeniową zastosowaną do określenia przepływu.

Co wpływa na dokładność przepływomierza kryzowego i niepewność pomiaru?

Bardziej przydatne jest myślenie o niepewności całego systemu pomiarowego, niż przypisywanie jednego ogólnego wskaźnika dokładności do każdego miernika kryzy.

Podstawowa geometria elementu

Średnica otworu, płaskość płyty, grubość,-stan ostrych krawędzi i średnica rury mają wpływ na pomiar główny. Płyta wyprodukowana prawidłowo, ale zainstalowana odwrotnie może również dać wynik odbiegający od zamierzonej podstawy projektu.

Profil przepływu

Kolana, częściowo otwarte zawory, reduktory i inne złączki mogą tworzyć wirowe lub asymetryczne profile prędkości. Efekt zależy od zakłócenia, jego odległości od płytki i geometrii miernika.

Z tego powodu nie ma przydatnego, uniwersalnego stwierdzenia, że ​​każdy miernik kryzowy wymaga dokładnie tej samej liczby średnic rur przed licznikiem. Należy sprawdzić standardowe wymagania instalacyjne pod kątem rzeczywistej konfiguracji rurociągów.

Liczba Reynoldsa

Liczba Reynoldsa opisuje związek między efektami bezwładności i lepkości w przepływającym płynie. Ponieważ współczynnik rozładowania jest powiązany z reżimem przepływu, liczba Reynoldsa stanowi część znormalizowanych obliczeń i granic stosowalności.

ISO 5167-2 określa zdefiniowane warunki pracy i ograniczenia zastosowań, zamiast traktować współczynnik płyty jako niezależny od reżimu przepływu.

Rozpiętość nadajnika DP

Przetwornik, który działa dobrze w pobliżu zaprojektowanego zakresu roboczego, może powodować proporcjonalnie większą niepewność, gdy różnica ciśnień staje się bardzo mała.

Ma to znaczenie, ponieważ DP szybko spada wraz ze spadkiem przepływu. Jeśli przepływ wynosi 30% przepływu projektowego, różnica ciśnień wynosi tylko około 9% odpowiedniego projektowego DP w ramach uproszczonej zależności kwadratowej.

Dlatego też wydajność przy niskim-przepływie zależy od dokładności przekraczającej nominalną dokładność przetwornika podaną w arkuszu danych.

Krany ciśnieniowe i linie impulsowe

Zablokowane krany, nieszczelności, nierówne ciśnienie cieczy, uwięziony gaz lub kondensat mogą powodować fałszywe ciśnienie różnicowe, zanim przetwornik w ogóle przetworzy sygnał.

Dlatego sprawdzenie pełnej ścieżki ciśnienia jest często bardziej przydatne niż natychmiastowa ponowna kalibracja przetwornika, gdy odczyt staje się niestabilny.

Gęstość płynu i kompensacja

W przypadku zmieniających się warunków gazu lub pary gęstość może zmieniać się na tyle, że wpływa na obliczony przepływ. System wielozmienny może uwzględniać ciśnienie statyczne i temperaturę, dzięki czemu obliczenia odzwierciedlają zmieniające się warunki procesu.

Kalibracja pozostaje częścią ogólnego-procesu zarządzania pomiarami. Przewodnik po witryniejak skalibrować przepływomierzzapewnia dalsze informacje, podczas gdy oprzyrządowanie ciśnieniowe może wymagać własnej dokumentacjiinterwał kalibracji przetwornika ciśnienia.

Gdzie stosuje się przepływomierze kryzowe?

Przepływ cieczy

Kryzy mogą mierzyć wiele czystych,-fazowych cieczy, jeśli akceptowalne są straty ciśnienia i warunki instalacji. Typowymi przykładami są woda, ciecze procesowe i węglowodory.

Brudne płyny wymagają większej ostrożności. Osady mogą zmieniać geometrię otworu, natomiast ciała stałe mogą powodować erozję krawędzi lub blokować krany ciśnieniowe.

Przepływ gazu

Pomiar różnicy-ciśnień jest również szeroko stosowany w przypadku gazu. Należy jednak wziąć pod uwagę ściśliwość i zmienność gęstości. System przeznaczony do raportowania standardowego przepływu objętościowego lub masowego może wymagać oprócz DP kompensacji ciśnienia i temperatury.

Czytelnicy oceniający zastosowania gazu mogą kontynuować przeglądanie stronyprzemysłowy pomiar przepływu gazówzasoby.

Przepływ pary

Para jest ważnym zastosowaniem w przepływie DP-, ponieważ główny element nie ma obrotowego mechanizmu pomiarowego narażonego na proces-wysokotemperaturowy.

Często najtrudniejszą częścią nie jest płyta, ale system pomiaru ciśnienia. W konwencjonalnych układach z mokrymi-odnogami kondensat w przewodach impulsowych powinien być tak zarządzany, aby obie strony zapewniały stabilne i porównywalne ciśnienie w przetworniku. Słabe nachylenie linii, nierówne gałęzie kondensatu lub para przedostająca się do przetwornika mogą powodować problemy z pomiarami i niezawodnością.

Gęstość pary zmienia się również w zależności od warunków pracy, więc system używany w szerokim zakresie ciśnień lub temperatur może wymagać kompensacji. Alternatywne technologie parowe są omówione w witrynieprzepływomierz parysekcja.

Kiedy płytka kryzowa jest złym wyborem?

System kryz jest atrakcyjny, ponieważ główny element jest prosty i znormalizowany, ale istotne są-kompromisy.

• Wysokie, stałe ciśnienie-koszt straty:jeśli energia pompy lub sprężarki jest krytyczna, inny element główny może zapewnić lepszy odzysk ciśnienia.
• Płyn ścierny lub tworzący osad-:erozja krawędzi i zablokowane krany mogą zakłócić pomiar.
• Bardzo szeroki zakres działania:niski przepływ powoduje bardzo małe DP, co może sprawić, że cały system będzie mniej odpowiedni niż inna technologia.
• Silna pulsacja:zakres normy ISO 5167-2 wyklucza przepływ pulsacyjny.
• Słabe orurowanie przed zaworem:poważne zniekształcenie profilu wirowania lub prędkości-może sprawić, że standardowa instalacja będzie niepraktyczna bez przeprojektowania.
• Wymagany bezpośredni przepływ masowy:system kryz zazwyczaj wymaga dodatkowych informacji o ciśnieniu, temperaturze i gęstości, a nie z natury pomiaru masy.

Kryza kontra zwężka Venturiego, wir, turbina i Coriolis

A Przepływomierz Venturiegojest szczególnie warte porównania, gdy istotna jest trwała utrata ciśnienia. Sekcje stopniowego zbiegania się i odzyskiwania zwykle utrzymują większe ciśnienie niż nagłe rozszerzanie się za otworem.

W przypadku usług parowych lub użyteczności publicznej porównaj aplikację zprzepływomierz wirowy. W przypadku czystych cieczy, gdzie dopuszczalny jest rotor mechaniczny,zakres przepływomierza turbinowegozapewnia inną metodę pomiaru. Tam, gdzie priorytetem jest bezpośredni przepływ masowy, należy zapoznać się z przewodnikiem poZasada działania przepływomierza Coriolisawyjaśnia zasadniczo inną metodę.

Przewodzące ciecze mogą również uzasadniać porównanie zprzepływomierz elektromagnetyczny, zwłaszcza gdy pożądane jest wyeliminowanie natrętnych ograniczeń.

Jak wybrać przepływomierz kryzowy

Przydatna specyfikacja zaczyna się od procesu, a nie od rozmiaru kołnierza.

1. Zidentyfikuj płyn i fazę.Określ, czy proces jest procesem ciekłym, gazowym czy parowym i czy w warunkach operacyjnych pozostaje jednofazowy.
2. Zapewnij przepływ minimalny, normalny i maksymalny.Pojedynczy przepływ projektowy nie wystarczy, aby ocenić-DP przy niskim przepływie lub wymaganą zakresowość.
3. Zdefiniuj ciśnienie i temperaturę.Uwzględnij warunki normalne i projektowe. Obliczenia gazu i pary mogą również wymagać tych wartości w celu kompensacji gęstości.
4. Potwierdź średnicę wewnętrzną rury.Nominalny rozmiar rury nie zawsze jest wystarczający do dokładnego obliczenia-elementu pierwotnego.
5. Określ dopuszczalną trwałą stratę ciśnienia.Może to stanowić ograniczenie energetyczne-w cyklu życia, a nie jedynie problem z oprzyrządowaniem.
6. Wybierz geometrię i materiał płyty.Należy wziąć pod uwagę czystość płynu, korozję, temperaturę i obowiązujące normy.
7. Ustal współczynnik beta i zaprojektuj DP.Należy je obliczyć łącznie, a nie wybierać niezależnie.
8. Wybierz żądany układ kranu.Krany muszą odpowiadać podstawie obliczeń.
9. Rozmiar nadajnika DP.Oceń oczekiwany DP w rzeczywistym zakresie roboczym, a nie tylko przy maksymalnym przepływie.
10. Zdefiniuj kompensację i moc wyjściową.Określ, czy system wymaga{{0}wyciągnięcia pierwiastka kwadratowego, zsumowania, kompensacji ciśnienia/temperatury lub obliczenia-masy i przepływu.
11. Sprawdź układ rurociągów.Przed sfinalizowaniem projektu przejrzyj zakłócenia na dopływie, wymagania-prostego przebiegu, lokalizację nadajnika i-trasę linii impulsowej.

Typowe błędy instalacji i uruchomienia

Emerson opisuje systemy przepływu DP jako kombinację elementu głównego, przetwornika różnicy ciśnień i elementów pomocniczych, takich jak przewody impulsowe, zawory i złącza. Ten widok na poziomie systemu-jest przydatny podczas rozwiązywania problemów, ponieważ dobra płyta nie jest w stanie skorygować złego sygnału ciśnienia. Zobacz Emersonaprzegląd pomiaru przepływu różnicy ciśnieńdla dodatkowego zaplecza technicznego.

Często zadawane pytania

Czy przepływomierz kryzowy jest przepływomierzem różnicowym?

Tak. Kryza wytwarza kontrolowaną różnicę ciśnień, a system pomiarowy wykorzystuje ten DP do określenia przepływu.

Dlaczego przepływ zmienia się wraz z pierwiastkiem kwadratowym różnicy ciśnień?

W przypadku stałej geometrii i stabilnych warunków cieczy różnica ciśnień zmienia się w przybliżeniu wraz z kwadratem przepływu. Obliczony przepływ zmienia się zatem wraz z pierwiastkiem kwadratowym z DP.

Jaka jest główna wada miernika kryzowego?

Trwała utrata ciśnienia to jeden z głównych-kompromisów. Nagłe ograniczenie i oddzielenie przepływu za urządzeniem powoduje rozproszenie energii, która nie jest w pełni odzyskana.

Co to jest współczynnik beta?

Współczynnik Beta to średnica otworu kryzy podzielona przez średnicę wewnętrzną rury. Wpływa na generowany DP, zachowanie przy tłoczeniu, utratę ciśnienia i obowiązujące warunki doboru.

Czy przepływomierz kryzowy może mierzyć parę?

Tak. Element główny dobrze nadaje się do pracy w wysokich-temperaturach, ale dokładny pomiar pary zależy także od stanu pary, obliczeń gęstości, informacji o ciśnieniu i temperaturze oraz prawidłowej instalacji-linii impulsowej.

Czy każda kryza wymaga tej samej długości prostej rury?

Nie. Wymóg zależy od zakłóceń na wlocie, współczynnika beta, układu rurociągów i obowiązującej normy obliczeniowej. Nie należy przypisywać jednego prostego numeru-do każdej instalacji.

Jak często należy kalibrować przepływomierz kryzowy?

Nie ma uniwersalnego przedziału dla całego systemu. Częstotliwość kalibracji powinna odzwierciedlać krytyczność pomiarów, stabilność przetwornika, warunki serwisowe, historię konserwacji i-wymagania systemowe dotyczące jakości. Kontrola płytki i kontrola-ścieżki ciśnienia to czynności niezależne od kalibracji przetwornika.

Czy normę ISO 5167 można zastosować do każdego zastosowania kryzy?

Nr ISO 5167-2 określa konkretny zakres znormalizowanych kryz i warunków pracy. Zgodnie z oficjalnym podsumowaniem normy, dotyczy to pełnych przewodów, określonych-układów poboru ciśnienia, jedno-fazowego przepływu poddźwiękowego oraz określonych zakresów wymiarów i liczb Reynoldsa; przepływ pulsacyjny wykracza poza podany zakres.

Wniosek

Przepływomierz kryzowy przekształca kontrolowane ograniczenie hydrauliczne w różnicę ciśnień, która może być powiązana z przepływem. Płyta tworzy zmianę prędkości i ciśnienia, zawory ciśnieniowe przesyłają powstałe sygnały, a przetwornik DP lub system sterowania wykonuje konwersję potrzebną do wskazania przepływu i sumowania.

Wiarygodny pomiar zależy od całego systemu. Na wynik końcowy wpływają współczynnik beta, współczynnik wyładowania, liczba Reynoldsa, gęstość płynu, stan płyty, profil przepływu, rozmieszczenie kranu ciśnieniowego, rozpiętość przetwornika i kompensacja.

W przypadku nowego zastosowania przed wymiarowaniem płyty zdefiniuj płyn, fazę, zakres przepływu roboczego, ciśnienie, temperaturę, średnicę wewnętrzną rury, dopuszczalną stratę ciśnienia i wymaganą wydajność pomiarową. Następnie sprawdź, czy układ rurociągów i przetwornik mogą obsługiwać oczekiwany zakres DP. Proces ten znacznie ułatwia określenie, czy miernik kryzy jest odpowiedni lub czy technologia Venturiego, wirowa, turbinowa, elektromagnetyczna lub Coriolisa zapewnia lepsze dopasowanie.