Šta je mjerač protoka otvora? Princip rada, tačnost, primjena i odabir

Princip zvuči jednostavno, ali pouzdano mjerenje protoka otvora ovisi o više od same ploče. Prečnik otvora, beta odnos, stanje ivice, lokacija slavine za pritisak, gustina fluida, Reynoldsov broj, uzvodni profil protoka, opseg DP transmitera i instalacija sve utiču na rezultat.

Ovaj vodič objašnjava princip rada merača protoka otvora od hidrauličkog ograničenja do konačnog signala protoka, zatim pokazuje šta utiče na nesigurnost merenja, gde tehnologija dobro funkcioniše i šta inženjeri treba da provere pre nego što odrede sistem.

Šta čini mjerač protoka sa otvorom?

Mjerač otvora treba tretirati kao kompletan sistem mjerenja diferencijalnog{0}}pritiska, a ne kao metalnu ploču postavljenu između dvije prirubnice.

Orifice Plate

Ploča stvara ograničenje. Konvencionalna koncentrična ploča sa oštrim{1}}ivima ima kružni provrt u sredini cijevi. Njegova veličina otvora, debljina, uzvodni rub i orijentacija instalacije moraju odgovarati projektnoj osnovi koja se koristi za proračun protoka.

Za određene usluge dostupne su različite geometrije ploča. Vodič zaodabir tipa ploče sa otvorompruža dodatni kontekst kada standardna koncentrična ploča možda ne odgovara tekućini.

Tlačne slavine i impulsni priključci

Tlačne slavine osjećaju statički pritisak na uzvodnoj i nizvodnoj strani ograničenja. Cevi ili integrisani prolazi prenose ove signale pritiska do instrumenta diferencijalnog pritiska.

Raspored točenja je dio mjernog dizajna. Ne može se proizvoljno pomicati nakon što je ploča dimenzionirana jer pritisak varira s pozicijom oko ograničenja.

Transmiter diferencijalnog pritiska

Sekundarni mjerni element otkriva razliku između strane visokog-pritiska i niskog-pritiska. Pogodantransmiter diferencijalnog pritiskapretvara tu mehaničku razliku pritiska u upotrebljiv elektronski signal.

šire gledano,konfiguracije transmitera pritiskatreba odabrati u skladu sa procesnim tlakom, temperaturom, potrebnim rasponom, uvjetima okoline i zahtjevima kontrolnog{0}}sistema.

Kako radi mjerač protoka otvora?

1. Fluid se približava ograničenju

Uzvodno od ploče, tekućina zauzima cijeli poprečni{0}} presjek cijevi. Za standardizovano merenje, protok koji se približava treba da ispunjava uslove instalacije koje zahteva odabrana metoda proračuna. Obližnja koljena, ventili i drugi poremećaji mogu promijeniti profil brzine prije nego što tekućina dođe do otvora.

2. Brzina se povećava kroz otvor

Provrt pruža manju površinu protoka od cijevi. Da bi se održao kontinuitet, tekućina se ubrzava dok prolazi kroz otvor.

Ovo ubrzanje je centralno za mjerenje protoka diferencijalnog{0}}pritiska. Mjerač ne mjeri direktno brzinu na ploči; umjesto toga mjeri promjenu pritiska povezanu sa ubrzanjem.

3. Statički pritisak pada

Kako brzina raste, statički pritisak se smanjuje. Bernoullijev princip daje osnovnu fizičku vezu između pritiska, brzine i elevacije za idealizirani protok, dok praktični proračuni otvora dodaju koeficijente koji uzimaju u obzir stvarno ponašanje fluida.

Stoga je gornji tlak veći od tlaka izmjerenog na donjoj strani ograničenja.

4. Vena Contracta formira se nizvodno

Struja fluida se ne širi odmah do punog promjera cijevi nakon prelaska ploče. Nastavlja se skupljati na kratkoj udaljenosti nizvodno. Lokacija na kojoj mlaz dostiže svoju minimalnu površinu poprečnog{2}}poprečnog presjeka naziva sevena contracta.

Nakon ove tačke, struja se širi i neki statički pritisak se vraća. Oporavak nije potpun jer razdvajanje i turbulencija rasipaju mehaničku energiju. Ovaj nepovratni dio izgleda kao trajni gubitak tlaka.

5. Sistem mjeri diferencijalni pritisak

Predajnik vidi dva signala pritiska:

ΔP = P1 − P2

gdje je P1 ulazni tlak u topu, a P2 je nizvodni tlak usisavanja.

Kako se protok povećava, raste i diferencijalni pritisak. Odnos je, međutim, nelinearan.

6. Diferencijalni pritisak se pretvara u protok

Za fiksnu geometriju i inače stabilne uslove procesa, pojednostavljeni odnos je:

Q ∝ √ΔP

Ovo ima važnu praktičnu posljedicu. Ako diferencijalni pritisak padne na 25% svoje pune-vrijednosti, odgovarajući teoretski protok je oko 50% pune skale, a ne 25%.

Funkcija kvadratnog{0}}korijena može se izvoditi unutar pametnog predajnika ili u PLC-u, DCS-u ili protočnom računaru. Obično se ne bi trebao primijeniti dva puta. Emerson'sDP vodič za inženjering protokaposebno napominje da vađenje kvadratnog-korijena može biti izvedeno u predajniku ili negdje drugdje u kontrolnom sistemu i upozorava da se to ne izvodi na obje lokacije.

Rezultirajući signal također može biti akumuliran od strane atotalizator protokakada aplikacija zahtijeva ukupnu zapreminu ili masu tokom vremena.

Šta ulazi u stvarnu jednačinu protoka otvora?

Odnos kvadratnog-korijena objašnjava princip, ali nije potpuna inženjerska jednačina veličine. Stvarni proračuni uzimaju u obzir geometriju i ponašanje primarnog elementa i svojstva fluida.

Važne varijable uključuju:

• prečnik otvora otvora;
• unutrašnji prečnik cevi;
• diferencijalni pritisak;
• gustina tečnosti;
• koeficijent pražnjenja;
• beta odnos;
• Reynoldsov broj;
• faktor ekspanzibilnosti za kompresibilne fluide.

koeficijent pražnjenja

Koeficijent pražnjenja, obično predstavljen sa C, objašnjava razliku između idealiziranog proračuna protoka i stvarnog protoka kroz ograničenje. Na njega utiču geometrija i režim protoka, zbog čega se standardna ploča sa otvorom ne može zameniti približno sličnom rupom i očekivati ​​da će proizvesti istu osnovu za proračun.

Stanje ivice ploče je takođe važno. Zaokruživanje, naslage, erozija ili mehanička oštećenja mogu promijeniti ponašanje lokalnog protoka i stoga utjecati na performanse mjerenja.

Faktor proširenosti

Za tečnosti, promene gustine kroz element diferencijalnog pritiska često su dovoljno male da se fluid tretira kao suštinski nestišljiv za primenljivi proračun. Plin i para se ponašaju različito.

Kako kompresibilni fluid prolazi kroz ograničenje, promjene tlaka su praćene promjenama gustine. Faktor ekspanzivnosti uzima u obzir ovaj efekat u primjenjivom proračunu otvora. Ovo je jedan od razloga zašto dimenzioniranje plina i pare zahtijeva više informacija o procesu od jednostavnog promjera cijevi i maksimalnog protoka.

Šta je Beta omjer i zašto je važan?

Beta omjer, napisan kao , je omjer između promjera otvora otvora i unutrašnjeg prečnika cijevi:

= d / D

gdje je d promjer otvora otvora, a D je unutrašnji prečnik uzvodne cijevi.

Manji provrt u odnosu na cijev stvara jače ograničenje i općenito proizvodi veći diferencijalni pritisak pri datom protoku. Veći otvor proizvodi manji diferencijalni pritisak i obično manji trajni gubitak pritiska.

To ne znači da je ili vrlo mali ili vrlo veliki omjer beta automatski bolji. Beta odnos je u interakciji sa Reynoldsovim brojem, koeficijentom pražnjenja, dostupnim DP, nesigurnošću i osetljivošću instalacije. Trebalo bi da se izračuna iz stvarnih uslova procesa, a ne da se bira samo da bi se stvorio pogodan raspon transmitera.

Koji se raspored slavine pod pritiskom koristi?

ISO 5167-2:2022 pokriva standardne otvorne ploče koje se koriste sa prirubničkim slavinama, ugaonim slavinama i D i D/2 slavinama. Thezvanična ISO 5167-2 specifikacijatakođer definira geometriju, instalaciju i uvjete rada za standardne ploče koje se koriste u punim kružnim vodovima.

Prirubnice

Priključci pod pritiskom nalaze se u prirubnicama na standardizovanim udaljenostima u blizini ploče. Ovo je uobičajen industrijski aranžman.

Corner Taps

Pritisak se osjeti neposredno uz prednju i nizvodnu stranu ploče.

D i D/2 slavine

Uzvodna slavina je postavljena jedan prečnik cevi uzvodno, dok je nizvodna slavina smeštena na pola prečnika cevi nizvodno.

Ovi aranžmani ne pružaju jednostavno tri različita načina povezivanja cijevi. Lokacija slavine mijenja diferencijalni tlak koji se mjeri, tako da konfiguracija slavine mora odgovarati metodi proračuna koja se koristi za određivanje protoka.

Šta utiče na tačnost mjerača protoka otvora i mjernu nesigurnost?

Korisnije je razmišljati o nesigurnosti kompletnog mjernog sistema nego dodijeliti jedan generički broj tačnosti svakom mjeraču otvora.

Geometrija primarnih elemenata

Prečnik otvora, ravnost ploče, debljina, stanje oštre-ivice i prečnik cevi utiču na primarno merenje. Ispravno proizvedena ploča, ali postavljena unazad, također može dati rezultat izvan predviđene osnove dizajna.

Flow Profile

Koljena, djelomično otvoreni ventili, reduktori i drugi spojevi mogu stvoriti vrtložne ili asimetrične profile brzine. Učinak ovisi o smetnji, njenoj udaljenosti od ploče i geometriji mjerača.

Zbog toga ne postoji korisna univerzalna izjava da je svakom mjeraču otvora potreban potpuno isti broj promjera cijevi uzvodno. Standardne instalacijske zahtjeve treba provjeriti za stvarnu konfiguraciju cjevovoda.

Reynoldsov broj

Reynoldsov broj opisuje odnos između inercijskih i viskoznih efekata u tekućini koja teče. Budući da je koeficijent pražnjenja povezan sa režimom protoka, Reynoldsov broj čini dio standardiziranog proračuna i granica primjenjivosti.

ISO 5167-2 specificira definisane radne uslove i granice primene, a ne tretira koeficijent ploče kao nezavisan od režima protoka.

Raspon DP predajnika

Predajnik koji dobro radi u blizini svog projektovanog radnog opsega može doprineti proporcionalno većoj nesigurnosti kada diferencijalni pritisak postane veoma mali.

Ovo je važno jer DP brzo opada kako se protok smanjuje. Ako je protok 30% projektovanog protoka, diferencijalni pritisak je samo oko 9% odgovarajućeg projektovanog DP prema pojednostavljenom kvadratnom odnosu.

Niski{0}}performansi protoka zavise više od nominalne tačnosti predajnika koja je odštampana na tablici sa podacima.

Tlačne slavine i impulsni vodovi

Začepljene slavine, curenje, nejednake glave tekućine, zarobljeni plin ili kondenzat mogu proizvesti lažni diferencijalni tlak prije nego što predajnik uopće obradi signal.

Zbog toga je provjera cjelokupnog puta tlaka često korisnija nego odmah ponovno kalibrirati predajnik kada očitavanje postane nestabilno.

Gustina tečnosti i kompenzacija

Za promenu uslova gasa ili pare, gustina može da varira dovoljno da utiče na izračunati protok. Multivarijabilni sistem može uključiti statički pritisak i temperaturu tako da proračun odražava promjenjive uslove procesa.

Kalibracija ostaje dio ukupnog procesa{0}}upravljanja mjerenjem. Vodič za stranicu nakako kalibrirati mjerač protokapruža dodatnu pozadinu, dok instrumentacija za pritisak može zahtijevati vlastitu dokumentacijuinterval kalibracije transmitera pritiska.

Gdje se koriste mjerači protoka otvora?

Protok tekućine

Ploče sa otvorom mogu mjeriti mnogo čistih, jednofaznih-tečnosti kada su gubitak pritiska i uslovi ugradnje prihvatljivi. Voda, procesne tekućine i ugljovodonici su uobičajeni primjeri.

Prljava tečnost zahteva veći oprez. Naslage mogu promijeniti geometriju bušotine, dok čvrste tvari mogu erodirati rubove ili ometati tlačne slavine.

Protok gasa

Diferencijalno{0}}mjerenje pritiska se takođe široko koristi za gas. Međutim, moraju se uzeti u obzir varijacije kompresije i gustine. Sistemu koji je namijenjen za izvještavanje o standardnoj zapremini ili masenom protoku može biti potrebna kompenzacija pritiska i temperature pored DP.

Čitaoci koji ocjenjuju primjenu plina mogu nastaviti sa stranicamamerenje protoka industrijskog gasaresurse.

Steam Flow

Steam je važna aplikacija DP-toka jer primarni element nema rotirajući mjerni mehanizam izložen visoko-temperaturnom procesu.

Težak deo često nije ploča već sistem za merenje pritiska. U konvencionalnim mokrim{1}}aranžmanima, kondenzat u impulsnim vodovima treba upravljati tako da obje strane predstavljaju stabilnu i uporedivu tlačnu glavu za transmiter. Loš nagib vodova, nejednake noge kondenzata ili para koja ulazi u predajnik mogu stvoriti probleme mjerenja i pouzdanosti.

Gustina pare se takođe menja sa radnim uslovima, tako da sistem koji se koristi u širokom opsegu pritiska ili temperature može zahtevati kompenzaciju. Alternativne parne tehnologije razmatraju se na stranicimjerač protoka pareodjeljak.

Kada je ploča s otvorom loš izbor?

Sistem otvora je atraktivan jer je primarni element jednostavan i standardiziran, ali njegovi-ustupci su važni.

• Visoki trajni troškovi{0}}gubljenja pritiska:ako je energija pumpe ili kompresora kritična, drugi primarni element može osigurati bolji oporavak tlaka.
• Abrazivna ili{0}}tečnost koja stvara talog:erozija ivica i začepljene slavine mogu potkopati mjerenje.
• Veoma širok radni opseg:mali protok proizvodi vrlo mali DP, što može učiniti kompletan sistem manje pogodnim od druge tehnologije.
• Jaka pulsacija:Standard ISO 5167-2 opseg isključuje pulsirajući protok.
• Loši uzvodni cjevovodi:ozbiljno izobličenje profila vrtloga ili brzine{0}}može učiniti standardnu ​​instalaciju nepraktičnom bez redizajna.
• Potreban direktan protok mase:sistem otvora općenito zahtijeva dodatne informacije o pritisku, temperaturi i gustini, a ne inherentno mjerenje mase.

Orifice vs Venturi, Vortex, Turbine i Coriolis

A Venturi mjerač protokaposebno vrijedi usporediti kada je važan stalni gubitak tlaka. Sekcije koje se postepeno konvergiraju i vraćaju normalno zadržavaju veći pritisak od naglog širenja nizvodno od otvora.

Za Steam ili komunalne usluge, uporedite aplikaciju sa avrtložni merač protoka. Za čiste tečnosti gde je mehanički rotor prihvatljiv,opseg turbinskih mjerača protokapruža još jedan pristup mjerenju. Gdje je direktan protok mase prioritet, vodič za lokacijuPrincip rada Coriolisovog mjerača protokaobjašnjava fundamentalno drugačiju metodu.

Konduktivne tečne usluge takođe mogu opravdati poređenje saelektromagnetni merač protoka, posebno kada je eliminisanje nametljivog ograničenja poželjno.

Kako odabrati mjerač protoka otvora

Korisna specifikacija počinje procesom, a ne veličinom prirubnice.

1. Identifikujte fluid i fazu.Navedite da li je proces tečan, gasovit ili parni i da li ostaje jednofazni u radnim uslovima.
2. Osigurajte minimalni, normalan i maksimalni protok.Jedan projektni tok nije dovoljan za procjenu niskog-DP protoka ili tražene mogućnosti raspona.
3. Definirajte pritisak i temperaturu.Uključuje normalne i projektovane uslove. Proračuni plina i pare mogu također trebati ove vrijednosti za kompenzaciju gustine.
4. Potvrdite unutrašnji prečnik cevi.Nazivna veličina cijevi nije uvijek dovoljna za tačan proračun primarnog-elementa.
5. Odredite dozvoljeni trajni gubitak pritiska.Ovo može postati energetsko{0}}ograničenje životnog ciklusa, a ne samo problem instrumentacije.
6. Odaberite geometriju ploče i materijal.Uzmite u obzir čistoću tekućine, koroziju, temperaturu i primjenjive standarde.
7. Uspostaviti beta omjer i dizajnirati DP.Treba ih izračunati zajedno, a ne nezavisno birati.
8. Odaberite željeni raspored slavina.Slavine moraju odgovarati bazi proračuna.
9. Dimenzionirajte DP predajnik.Procijenite očekivani DP u stvarnom radnom opsegu, ne samo pri maksimalnom protoku.
10. Definirajte kompenzaciju i izlaz.Odredite da li sistemu treba-vađenje kvadratnog korijena, totalizacija, kompenzacija pritiska/temperature ili proračun mase-protoka.
11. Provjerite raspored cijevi.Pregledajte uzvodne smetnje,-zahtjeve za pravolinijski pogon, lokaciju odašiljača i usmjeravanje impulsnih{1}}voda prije finalizacije dizajna.

Uobičajene greške pri instalaciji i puštanju u rad

Emerson opisuje DP sisteme protoka kao kombinaciju primarnog elementa, transmitera diferencijalnog pritiska i pratećih komponenti kao što su impulsni cevi, ventili i konektori. Taj sistem{1}}prikaz na nivou je koristan tokom rješavanja problema jer dobra ploča ne može ispraviti loš signal pritiska. Vidite Emersonovupregled mjerenja protoka diferencijalnog pritiskaza dodatnu tehničku pozadinu.

Često postavljana pitanja

Da li je mjerač protoka otvora mjerač protoka diferencijalnog pritiska?

Da. Ploča sa otvorom stvara kontrolisanu razliku pritiska, a merni sistem koristi taj DP da odredi protok.

Zašto protok varira s kvadratnim korijenom diferencijalnog tlaka?

Za fiksnu geometriju i stabilne uslove fluida, diferencijalni pritisak varira približno sa kvadratom protoka. Izračunati protok stoga varira s kvadratnim korijenom DP.

Koji je glavni nedostatak mjerača otvora?

Trajni gubitak pritiska je jedan od glavnih kompromisa{0}}. Naglo ograničenje i odvajanje nizvodnog toka rasipaju energiju koja se ne povrati u potpunosti.

Šta je beta omjer?

Beta odnos je prečnik otvora otvora podeljen sa unutrašnjim prečnikom cevi. Utječe na generirani DP, ponašanje pražnjenja, gubitak tlaka i primjenjive uvjete dimenzioniranja.

Može li mjerač protoka otvora mjeriti paru?

Da. Primarni element je dobro prilagođen za visoko-usluge na visokim temperaturama, ali precizno mjerenje pare također zavisi od stanja pare, proračuna gustine, informacija o pritisku i temperaturi, te ispravne instalacije impulsnog{2}}voda.

Da li svaka ploča s otvorom zahtijeva istu ravnu dužinu cijevi?

Ne. Zahtjev zavisi od uzvodnog poremećaja, beta omjera, rasporeda cjevovoda i primjenjivog standarda proračuna. Jedan broj ravnog-provođenja ne treba primjenjivati ​​na svaku instalaciju.

Koliko često treba kalibrirati mjerač protoka otvora?

Ne postoji univerzalni interval za kompletan sistem. Učestalost kalibracije treba da odražava kritičnost mjerenja, stabilnost predajnika, uslove rada, istoriju održavanja i{1}}sistemske zahtjeve kvaliteta. Inspekcija ploče i provjere puta{3}} pritiska su odvojene od kalibracije transmitera.

Može li se ISO 5167 koristiti za svaku primjenu otvora?

Br. ISO 5167-2 definiše specifičan opseg za standardizovane ploče sa otvorom i uslove rada. Prema zvaničnom rezimeu standarda, primjenjuje se na pune vodove, specificirani pritisak{4}}pritisni rasporedi, jednofazni podzvučni protok i definirane veličine i raspona Reynolds-ovog broja; pulsirajući tok je izvan svog navedenog opsega.

Zaključak

Mjerač protoka s otvorom pretvara kontroliranu hidrauličku restrikciju u diferencijalni tlak koji se može povezati s protokom. Ploča stvara promenu brzine i pritiska, slavine za pritisak prenose rezultirajuće signale, a DP transmiter ili kontrolni sistem obavljaju konverziju potrebnu za indikaciju protoka i totalizaciju.

Pouzdano merenje zavisi od kompletnog sistema. Beta omjer, koeficijent pražnjenja, Reynoldsov broj, gustina fluida, stanje ploče, profil protoka, raspored slavine pod pritiskom, raspon transmitera i kompenzacija sve utiču na konačni rezultat.

Za novu primenu, definišite fluid, fazu, opseg radnog protoka, pritisak, temperaturu, ID cevi, dozvoljeni gubitak pritiska i potrebne performanse merenja pre dimenzionisanja ploče. Zatim provjerite da li raspored cijevi i predajnik mogu podržati očekivani DP raspon. Taj proces znatno olakšava određivanje da li je mjerač otvora odgovarajući ili Venturi, vrtložna, turbinska, elektromagnetna ili Coriolisova tehnologija nudi bolje pristajanje.