GO WITH THE FLOW 2012 VA-meters Verschildruk debietsmeters

GO WITH THE FLOW 2012
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-1-
VA-meters
Verschildruk debietsmeters
Vortex debietsmeters
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-2-
1
VA-meters
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-3-
Agenda
Nomenclatuur
Meetprincipe
Toepassingsgebied
Uitvoeringen
Nauwkeurigheid
Voordelen en beperkingen
Speciale uitvoeringen
Installatievoorschriften
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-4Page 4
2
Nomenclatuur
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-5-
Nomenclatuur
Variabele doorlaat-meter
– Vado-meter of VA-meter
Vlotterdebiet-meter
Zweeftol-debietmeter
Rotameter
Peil-meter
….
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-6-
3
Meetprincipe
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-7-
Meetprincipe
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-8-
4
Meetprincipe
Meetprincipe: zwaartekracht
Conische geslepen buis met vlotter
Druk van het fluïdum = gewicht van
de vlotter => Vlotter blijft hangen
Hoogte van vlotter is evenredig met
de stroomsnelheid van gas of
vloeistof (debiet)
Schaalverdeling
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
-9-
Toepassingsgebied en
voorwaarden
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 10 -
5
Toepassingsgebieden en voorwaarden
Dichteid moet constant zijn
Vaste deeltjes in het medium zijn
niet toegestaan
– aantasting vlotter, meetfouten, blokking
Viscositeit: max. 100 mPa.s
Druk: tot en met 700 bar
Temperatuur:
– RVS : -200 tot + 450°C
– PTFE: -80 tot +130°C
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 11 -
Toepassingsgebieden en voorwaarden
– Low-range limiet 10 : 1
– High-range limiet:
•
•
–
–
–
–
–
water: 130 m³/h
lucht: 1400 m³/h
Repeatability: 0,1% van full scale
Installatie: vertikaal
Meestal voor lokale indicatie
Drukval over vlotter: constant
Meet-karakteristieken: lineair
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 12 -
6
Uitvoeringen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 13 -
Uitvoeringen in verschillende materialen
Metalen
Glas
Plastic
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 14 -
7
Nauwkeurigheden
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 15 -
Nauwkeurigheid bij Rotameters
Bestaande systeem voor classificatie van de nauwkeurigheid is recent herzien om
de begrijpbaarheid ervan te vergroten naar klanten toe.
De voormalige specificaties (gecreëerd in december 1978) maakten gebruik van
onderstaande formule ter berekening van de fout voor de gemeten waarden
Formule:
M
E
K
F = (¾ M
=
=
=
+ ¼ E)*K/100
gemeten waarde van de flow met flow-eenheid
full scale waarde van de flow met flow-eenheid
waarde van de nauwkeurigheidsklasse
=> Nieuw systeem is eenvoudiger en transparant
-> praat niet meer over nauwkeurigheidsklassen
-> bepaalt het maximum toegelaten percentage van afwijking van de
gemeten waarde
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 16 -
8
Nauwkeurigheid bij Rotameters
De nieuwe specificaties worden gesplit in 2 ranges:
– Lineaire Range van qG tot Qmax
(main working range)
– Niet-lineaire Range van Qmin tot qG
(low flow range)
De nauwkeurigheidsklasse wordt vervangen door 2 nieuwe parameters:
– Maximum permissible error “G”
– Threshold value “qG”
Vroegere specificatie
Nieuwe specificatie
Accuracy class 1.6
G=1.6
qG = 50 %
Accuracy class 2.5
G=2.5
qG = 50 %
G=4
qG = 50 %
Accuracy class 4
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 17 -
Nauwkeurigheid bij Rotameters
Former specification: accuracy class 1.6
New specification: qG = 50%, G=1.6
New specification
less strict
Deviation
/ % of
measured
value
more strict
than former specification
Now 8%
Before 5.2%
Threshold value « qG » is defined by each manufacturer
qG
Range qG to Qmax
with constant error value
Measuring range / % Qmax
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 18 -
9
Voordelen en beperkingen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 19 -
Voordelen
Lage kostprijs
Geen voeding nodig voor lokale indicatie
Geschikt voor gas, vloeistoffen en stoom
Metalen versie
– CIP
– Steriliseerbaar
– PTFE-lining
Verschillende vormen van vlotters beschikbaar
Constante drukval onafhankelijk van het debiet
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 20 -
10
Beperking
Vertikale installatie is verplicht
Invloed van wijzigingen in temperatuur en densiteit
Schade aan vlotter door aanwezigheid van vaste deeltjes
– Kan tegengegaan worden door bv. Magneetfilters
Invloed van pulsatie en vibratie
Nood aan exotische materialen (monel, Hastelloy, …)
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 21 -
Beperkingen
Start, zero en maximum
Zonder flow: vlotter ligt op onderste stopper (rustpunt)
Meting start wanneer de drukval hoog genoeg is om de vlotter te liften
(5 – 8% van de max. flow)
Rotameter heeft dus geen afgelijnd zero-punt
Maximum overrange die kan aangeduid worden vooraleer de bovenste stopper
wordt bereikt is tussen 105 – 110% van de schaal
Float reaches the
upper stopper at
105% of max. flow.
Indication
Measuring Range of a Rotameter
Float lifts at 5
to 8% of max.
flow.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 22 -
11
Speciale uitvoeringen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 23 -
Float blocking detection
De Zero-fluctuaties worden
geregistreerd onder
No-flow condition wanneer
de vlotter zich op het
rustpunt bevindt.
Er wordt een grens
vastgelegd voor het
minimum aan fluctuaties
met inbegrip van een
safety factor.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 24 -
12
ATEX: EExd Rota meter
• Met EExd approval (12 mm glass moulded, EEX d wartels M20*1,5)
• Met dust EEx approval (12 mm glass moulded)
• Standaard IP 67
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 25 -
VA-meters
SIL
Safety Integrity Level
– Norm: IEC 61508 en IEC 61511
– SIL 1 : Ondergeschikte (onroerende) goederen- en productiebescherming.
– SIL 2 : Belangrijke (onroerende) goederen- en productiebescherming.
Mogelijke kans op verwonding van werknemers.
– SIL 3 : Werknemers- en gemeenschap-bescherming.
– SIL 4 : Katastrofale impact op de gemeenschap.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 26 -
13
Installatievoorschriften
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 27 -
Installatie-voorschriften
De VA-meter dient verticaal gemonteerd te worden
met flow-richting opwaarts
Grotere leiding-diameters vragen een rechte lengte
van 5D voor en na voor een ideaal flow-profiel
Vermijd corrosieve omgevingen
Geen blootstelling aan omgeving met sterke vibraties
Om interferentie te vermijden is de minimale afstand
tussen twee flowmeters best > 300mm
Het meetgedeelte is gevoelig aan externe niethomogene magnetische velden (bv. Solenoid valves)
Asymmetrische magnetische vormen kunnen een
invloed hebben op de werking van de vlotter
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 28 -
14
Installatie Hints voor Metalen Rotameters
Min. 300 mm
Grotere nominale diameters
(DN80/DN100), vragen ten minste 5D voor
en na de Rotameter
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 29 VA-meters
Verschildruk debietsmeters
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 30 -
15
Volumetrisch debiet
Upstream
Initial Head
Maximum
Pressure
Change
Permanent
Pressure Loss
Wet van Bernoulli
Wet van behoud van energie: drukenergie +
statische energie + kinetische energie
= constant
Final Head After
Pressure
Recovery
Flow
A1
A0
Streamlin
e (Typical)
ε=
ρ
K ⋅µ
1 − µ 2 ⋅ m2
A0  d 0 
= 
A1  d1 
A
µ= 2
A0
2
m=
Secondary Element
DP Transmitter
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
2 ⋅ ∆p
Gas expansion factor (for liquids =1)
C = discharge coefficient =
Low Pressure
Connection
Primary Element
Concentric Orifice
Plate
High Pressure Connection
Π
⋅d 2 ⋅
4
QV = C ⋅ ε ⋅ m ⋅
A2
density = ρ
Diameter pipe = D
A0=surface orifice hole
A1=surface pipe
A2=surface after orifice hole
- 31 -
Massadebiet
Upstream
Initial Head
Maximum
Pressure
Change
Permanent
Pressure Loss
Final Head After
Pressure
Recovery
Flow
A1
A0
High Pressure Connection
A2
Streamlin
e (Typical)
Wet van Bernoulli
Wet van behoud van energie:
drukenergie + statische energie +
kinetische energie = constant
Relatie tussen dp en Qm:
Qm =
1
1− β 4
Low Pressure
Connection
Primary Element
Concentric Orifice
Plate
C
1− β 4
⋅ε ⋅
Π 2
⋅ d ⋅ 2.∆p.ρ
4
= velocity of approach factor
C = discharge coefficient
ε = Gas expansion factor (for liquids = 1)
d= Bore Diameter primary
element
D= Pipe Diameter
Secondary Element
DP Transmitter
β = BetaRatio =
d
D
∆p = Differential pressure
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
ρ = density at flowing conditions
- 32 -
16
De berekeningen: de makkelijke manier
Qm =
π ⋅d 2
C
1− β
4
4
ε
2 ⋅ ρ ⋅ ∆P
K-factor
Qm = k ⋅ ∆ P
Is dit correct?
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 33 -
Binnenin de leiding
T stijging
D en d wijziging
Snelheid omhoog (V ⇑ )
Punt met laagste druk
(vena contracta) verschuift Snelheid omhoog (V ⇑ )
Druk daalt (P ⇓ )
Dichtheid daalt (ρ
ρ⇓)
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 34 -
17
Wat is de β−ratio
Beta Ratio (β
β)
–
Definitie:
–
De verhouding van de orifice bore diameter (d)
en de interne buis diameter (D).
β = d/D
d
D
Smaller beta
Larger
beta
–
Definieert hoeveel restrictie (drukval) je in de
leiding/orifice kan hebben.
–
Hoe kleiner Beta, hoe groter de restrictie.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 35 -
Discharge coefficiënt (C)
Empirisch bepaalde factor voor een DP flow element
C=
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Actual Flow
Theoretica l Flow
- 36 -
18
Discharge coëfficient: orifice en averaging pitot
Averaging pitot
Orifice
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 37 -
Discharge coëfficiënt varieert met debiet
Vena Contracta
High
side
Low
side
Het punt met de laagste druk noemen we de ‘Vena Contracta’.
De exacte positie van de Vena Contracta wijzigt als de flow
verandert. Dit effect heeft impact op de Discharge
coëfficiënt.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 38 -
19
Dichtheid ρ is afhankelijk van druk en temperatuur
Bij eenzelfde volume neemt de dichtheid toe als de
druk toeneemt
Bij eenzelfde volume neemt de dichtheid toe als de
temperatuur toeneemt
P = 4 bar, abs
P = 8 bar, abs
Same volume
2x the gas or steam!
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 39 -
Fouten bij primaire elementen: dichtheidswijziging
Het medium moet door een vernauwing:
Snelheid omhoog
(Statische) druk daalt
Dichtheid daalt
We moeten een correctiefactor invoeren om de
dichtheidswijziging op te vangen
Primary element
Flow
Velocity increase (V ⇑ )
Pressure decrease (P ⇓ )
Density decrease (ρ
ρ⇓)
High
side
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Low
side
- 40 -
20
Velocity of approach-factor
Primary element
Flow
High
side
Low
side
Door temperatuurswijzigingen, wijzigen ook afmetingen van
het primair element
1
= velocity of approach factor
1− β 4
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 41 -
Primair element bore (d) wordt beïnvloed door de T°
De diameter van de buis (D) en van het primair element
(d) verandert door de T. Oorzaak is de thermische
expansie van metalen.
T = 30 degC
T = 200 degC
d = 10 mm
d = 10.03 mm
Dit is typisch een redelijk kleine fout, maar in applicaties waar
de T nogal varieert, kan dit belangrijk zijn:
Typische Fouten door T-veranderingen:
Gassen & Stoom: 0.05 - 0.5%
Vloeistoffen: 0.05 - 0.5%
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Steel Stainless (304): 17.3 x 10-6 mm/K
Steel Stainless (316) 16.0 x 10-6 mm/K
- 42 -
21
Wat is de impact van de proceswijzigingen?
Qm = C ⋅ ε ⋅
Π
1
⋅
⋅ d 2 ⋅ 2.∆p.ρ
4 1− β 4
Varieert door debietwijziging
1. C = Discharge Coefficient
2. ε = Gas Expansion Factor
Varieert door druk en T
5. Density Compensation
6. Compressibility Factor
Varieert door temperatuurswijziging
3. Velocity of Approach = 1/(1-β
β 4)1/2
2
4. d = Diameter van primary element
Massadebiet wordt bepaald door continue herberekening
van deze parameters
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 43 -
ISO 5167 formule
C =f ( Re D No )
Re D No =f ( Q m , µ , D )
µ =f ( T )
d =f ( d 0 , α 2 , T )
D =f ( D 0 , α 1 , T )
Qm =
πd 2
ε
1− β 4 4
C
2∆Pρ1
Qm
C
β
d
D
ε
ρ 1 =f ( SP , T )
∆P
ρ
ε = f ( SP , ∆ P )
Re D No
SP
T
β =f ( D , d )
<VIK – Go with the flow>
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
<October 2012>
µ
α
Mass ｆlow rate
Discharge coefficient
Beta Ratio d/D
Bore of Diffrential Producer
Pipe inner diameter
Gas expansion factor
Differential pressure
Density
Reynolds number
Static pressure
Temperature
Viscosity
Thermal expansion
- 44 -
22
Nauwkeurigheid binnen de ISO formule
Nauwkeurigheid:
– ISO5167-2 2003
– Primary device: Orifice; medium: gas
δq m
qm
0.928
2
2
2
2
2
2
2   δd  １
 δC   δε  2β4   δD  
 
= 
 ＋
 ＋
 ＋
  ＋
4 
4
ε
１－β
１－β
C
D

 
 
 
  d  ４
 
0.563
0.072
0.137
0.086
2
 δp  １  δρ
  ＋ 

 p ４ ρ
0.0004
0.0025
(δC / C)2
C
(δε / ε)2
ε
((2β4)/(1-β4))2(δD / D)2
D
DP
(2/(1-β4))2(δd / d)2
d
ρ
1/4(δ∆P/∆P)2
P
1/4(δρ /ρ)2
ρ
C
ε
D
d
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
2
- 45 -
De berekeningen: de makkelijke manier
Qm =
π ⋅d 2
C
1− β
4
4
ε
2 ⋅ ρ ⋅ ∆P
K-factor
Qm = k ⋅ ∆ P
Is dit correct? Ja, als er geen externe factoren wijzigen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 46 -
23
Single variable flow
Qm = k ⋅ ∆ P
Vaste compensatie-factor (k)
Opletten bij gebruik in dynamische condities
Low flow
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 47 -
Wat is een multivariable transmitter?
Druktransmitter met zowel verschildruk, statische druk, temperatuurmeting
én flow computer
Four in one = Cost saving
Dynamic flow measurement: Improves flow accuracy
Flow computer
Temp.
transmitter
+
Temp.
sensor
Gauge
pressure
transmitter
Differential
pressure
transmitter
EJX /MV
Mass flow output
Multi-sensing
(DP,SP, temp, density)
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Temp.
sensor
- 48 -
24
Voorbeeld van de intelligentie binnenin een multivariabele druktransmitter
RTD
Orifice Plate
Orifice plate data
Fluid databank 126
most common fluids
SIGNAL OUTPUT
Pulse
・
Volume/mass
Analog
・Difference pressure
・Static pressure
absolute pressure/（gage
pressure）
・Temperature（density）
INPUT SIGNAL
Differential pressure
Resonant
sensor
Static pressure
（High accuracy）
）
Computation
BUS OUTPUT
● Flow calculation
Re No compensation
● Density compensation
Temperature
HART
F-Fieldbus
RTD
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Flow
・ rate
Volume/mass
・Difference pressure
・Static pressure
absolute pressure/（gage
pressure）
・Temperature（density）
- 49 -
Dichtheidsberekeningen in een flow computer
Hou rekening met de mogelijkheden!
– Gebruikmakend van een database (bvb. DIPPR) (AIChE)
•
Eigenschappen van 126 verschillende vloeistoffen en gassen
– AGA 8 of ISO12213 aardgas vergelijkingen
•
Simplified of full molecular weight composition
– IAPWS-IF97 formules voor water en stoom
– Eigen compensatie-tabel (dichtheid en viscositeit moet
gekend zijn bij verschillende condities)
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 50 Page 50
25
Voorbeeld van de DIPPR database
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Fluid name
Acetic Acid
Acetone
Acetonitrile
Acetylene
Acrylonitrile
Air
Allyl Alcohol
Ammonia
Argon
Benzaldehyde
Benzene
Benzoic Acid
Benz Alcohol
Biphenyl
Bromine
Carbon Dioxide
Carbon Monoxide
Carbon Tetrachloride
Chlorine
Chlorodifluoromethane
Chloroprene
Chlorotrifluoroethylene
Citric Acid
Cycloheptane
Cyclohexane
Cyclopentane
Cyclopentene
Cyclopropane
Dichlorodifluoromethane
Divinyl Ether
Ethane
Ethanol
No.
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
Fluid name
Ethylamine
Ethylbenzene
Ethylene
Ethylene Glycol
Ethylene Oxide
Fluorene
Furan
Helium-4
Hydrazine
Hydrogen
Hydrogen Chloride
Hydrogen Cyanide
Hydrogen Peroxide
Hydrogen Sulfide
Isobutane
Isobutene
Isobutylbenzene
Isopentane
Isoprene
Isopropanol
m-chloronitrobenzene
m-dichlorobenzene
Methane
Methanol
Methyl Acrylate
Methyl Ethyl Ketone
Methyl Vinyl ether
Monochlorobenzene
n-Butane
n-Butanol
n-Butylaldehyde
n-Butyronitrile
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
No.
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
Fluid name
n-Decane
n-Dodecane
n-Heptadecane
n-Heptane
n-Hexane
n-nonane
n-Octane
n-Pentane
Neon
Neopentane
Nitric Acid
Nitric Oxide
Nitrobenzene
Nitroethane
Nitrogen
Nitromethane
Nitrous Oxide
Oxygen
Pentafluoroethane
Phenol
Phosphoric Acid
Propadiene
Propane
Propylene
Pyrene
Styrene
Sulfur Dioxide
Toluene
Trichloroethylene
Trichlorofluoromethane
Vinyl Acetate
Vinyl Chloride
No.
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
Fluid name
Vinyl Cyclohexene
Water
1-Butene
1-Decene
1-Decanal
1-Decanol
1-Dodecene
1-Dodecanol
1-Heptanol
1-Heptene
1-Hexene
1-Hexadecanol
1-Octanol
1-Octene
1-Nonanal
1-Nonanol
1-Pentadecanol
1-Pentanol
1-Pentene
1-Undecanol
1,1,2,2-Tetrafluoroethane
1,1,2-Trichloroethane
1,2,4-Trichlorobenzene
1,2-Butadiene
1,3-Butadiene
1,3,5-Trichlorobenzene
1,4-Dioxane
1,4-Hexadiene
2-Methyl-1-Pentene
2,2-Dimethylbutane
- 51 Page 51
Primaire elementen
<VIK – Go with the flow>
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
<October 2012>
- 52 -
26
Overzicht
Orifice plate
Elbow
Flow Nozzle
Pitot Tube
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Venturi Tube
Wedge Flow Element
- 53 -
Pitot tube
Wat is het?
– Een L-vormige buis met een opening in de stroomrichting (dynamische
drukmeting) met daarin een tweede buis met een opening loodrecht op
de stroomrichting (meet de statische druk). Het debiet is rechtevenredig
met het verschil tussen de dynamische en de statische drukmeting
Nauwkeurigheid
– Van 0.5% to 4%
Voordelen
– Klein
– Draagbare oplossingen
Beperkingen
– Blokkage van de drukopeningen
– De positie(s) van de statische drukopeningen kunnen de meting
beinvloeden
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 54 -
27
De “averaging” pitot tube
Wat?
– Een pitot tube met meerdere dynamische en statische drukopeningen.
De verschildruktransmitter berekent het debiet door het gemiddelde te
nemen van de drukopeningen.
Nauwkeurigheid
– 1%
Voordelen
– Lage drukval
– Bi-directionele oplossingen mogelijk
– Mogelijkheid tot geïntegreerde temperatuursmeting voor
massadebietsmeting
Beperkingen
– Geen berekeningen volgens een standaard
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 55 -
Averaging pitot tube: info
Lage installatiekost in vergelijking met andere primaire elementen
Drill
Weld
Insert
2) Bi-directionele metingen
mogelijk bij sommige
vormen
Wire
3) Lage permanente drukval leidt
tot kostenbesparing
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
4) « Non clogging »
oplossingen mogelijk
- 56 -
28
Averaging pitot tube: installatie
Gas application
Horizontal pipe
(side view)
Vertical pipe
(bottom view)
Steam application
Relatief lange upstream en
downstream lengtes zijn echter
noodzakelijk
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Horizontal pipe
(side view)
Vertical pipe
(bottom view)
- 57 -
Orifice plate
Wat?
– Een vlakke metalen plaat met een opening (al dan niet concentrisch).
De verschildruktransmitter meet de druk voor en na de plaat en
berekent zo het volumetrisch debiet.
Nauwkeurigheid
– Indien volgens de standaard ISO5167: 0.5% - 0.75%
– Indien volgens de standaard AGA: 0.44 - 1%
Voordelen
– Goede nauwkeurigheid
– Installatievoorschriften en documentatie voorhanden in ISO
documentatie
Nadelen
– Relatief grote drukval
– Grote upstream en downstream lengtes noodzakelijk
– Blokkage van de impulsleidingen mogelijk bij sommige vloeistoffen of
gassen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 58 -
29
Orifice: tappings
Pressure tappings:
Flanged tappings (Orifice flange assembly – most
common execution)
Corner tappings: used mostly in monobloc &
wafer executions
Case 1: with annular rings
Case 2: single pressure tappings
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 59 -
Orifice: tappings
Pipe tappings (D & D/2)
Pipe tappings (D & D/2)
are mostly used in larger
pipe sizes to save the
flanges cost.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 60 -
30
Orifice: compact oplossingen
Compact mass flow including multi-variable
transmitter & temperature compensation
Gas
Compact flow
measurement
Steam application,
horizontal line
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 61 -
Installatie van de druktransmitter
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 62 -
31
Installatievoorschriften en nauwkeurigheid
Installation requirements according to ISO standard
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 63 Page 63
Meter run
Wat?
– Een orifice plaat met daarbij geinstalleerd een leiding en
flensconstructie. De volledige constructie respecteert de upstream en
downstream lengtes
Nauwkeurigheid
– Conform ISO5167: 0.5%
Voordelen
– Goede nauwkeurigheid
– Geen problemen qua montage
Beperkingen
– Drukval redelijk hoog
– Blokkage van de impulsleidingen mogelijk bij sommige vloeistoffen of
gassen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 64 -
32
Venturi
Wat?
– A leiging met een convergerende ingang en divergerende uitgang. De
verschildruktransmitter meet het drukverschil tussen inlet en
middendeel en berekent op die manier het volumetrisch debiet
Nauwkeurigheid
– 0.7% - 1.5%
Voordelen
– Lagere drukval dan orifice plates
– Practisch geen blokkages mogelijk
Beperkingen
– Duur
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 65 -
Nozzle
Wat?
– Een stuk leiding met een zacht inlopende ingang en een scherpe
uitgang. De verschildruktransmitter meet het drukverschil tussen de
ingang en de uitgang en bepaalt op deze manier het volumetrisch
debiet
Nauwkeurigheid
– 2.0%
Voordeel
– Beperkt drukverlies
Beperkingen
– Duurder dan orifice plates
– Slechts beperkte buisdiameters mogelijk
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 66 -
33
Venturi nozzle
Wat?
– Een venturi met een nozzle ingang
Nauwkeurigheid
– 1% - 1.5%
Voordelen
– Minder drukval dan orifice plate
– Combineert de sterktes van een venturi en nozzle
Beperkingen/nadelen
– Prijs
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 67 -
Selectie primair element
Device
Line size (mm)
Field of application
Orifice plate flange taps
50 to 1000
General purpose
Orifice plate corner taps
25 to 1200
Lines below 50 mm
Orifice plate D & D/2 taps
100 to 1000
Line sizes above 600 mm
Orifice plate quarter circle
25 to 500
Orifice plate conical entrance
Specific Advantages
Specific disadvantages
Economic, simple, flexible, widely
accepted
Pressure loss, upstream pipe
requirements
Viscous fluids, low Reynolds
number
Viscous fluid, low flow rate
Less accurate
25 to 500
Viscous fluids, low Reynolds
number
Viscous fluid, low flow rate
Less accurate
Orifice plate eccentric
100 to 1000
Dirty fluids and two phase flow Dirty Fluids
Less accurate
Integral orifice plate
15 to 40
Small flowrates, small line size
Small flowrates
Less accurate
Meter run
15 to 400
Accurate measurement
Accuracy
Manufacturing costs, handling
length
Venturi tube
50 to 1200
Accurate measurement, low
pressure loss
Accuracy with low pressure loss
Handling length
(Venturi) nozzle
65 to 500
High velocity fluids on low
pressure loss
Erosive fluids with low pressure
loss
Less accurate, handling length
Averaging pitot tube
15 to 15000
Large flow rate at low pressure Economic, low pressure loss, biof clean fluids
directional
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Clean fluids, no international
standard
- 68 -
34
Vortex debietsmeters
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 69 -
Agenda
Werkingsprincipe
Eigenschappen & specificaties
Voordelen / beperkingen
Vortex en veiligheidstoepassingen
Installatievoorschriften
Applicaties
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 70 Page 70
35
Werkingsprincipe
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 71 -
Werkingsprincipe
Wat is een Karman Vortex Straat?
Hoe wordt deze gebruikt in debietmeting?
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 72 Page 72
36
Karmán vortex straat
Theodore von Kármán
Theodore von Kármán (1881-1963) is een Hongaars-Amerikaanse
ingenieur en wetenschapper die hoofdzakelijk actief was in
luchtvaart en ruimtevaart.
Hij gaf les aan de universiteit van Göttingen, RWTH Aken,
California Institute of Technology.
Hij is medeoprichter van Jet Propulsion Laboratory, NASA
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 73 Page 73
Karmán vortex straat
Vortices zijn een natuurlijk fenomeen.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 74 Page 74
37
Karmán vortex straat
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 75 Page 75
Vortex als debietsmeting
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 76 Page 76
38
Vortex als debietsmeting
Het Strouhal getal (St):
St =
d
≈ 0,17
l
l
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 77 Page 77
Vortex als debietsmeting
Karmán vortex frequentie
f =
St ⋅ v
d
f = Karmán vortex frequency
St = Strouhal number (constant in a certain area)
v = fluid velocity
d = width of vortex shedder (constant)
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 78 Page 78
39
Principe
Reynolds getal (Re):
lichte bries - laminaire flow,
no vortices formed
Re < 5000
Stevige bries - transitie flow,
onregelmatige vortices gevormd
5000 < Re < 20000
Sterke wind - turbulente flow,
regelmatig vortex patroon
Re > 20000
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 79 Page 79
Principe
Strouhal Number
Relatie tussen St, Re en snelheid
.3
MEASURING RANGE
LINEAR RANGE
.2
SPECIFICATION RANGE
.1
5 x 10
3
2 x 10
4
10 F/S (GAS)
1 F/S (LIQUID)
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
REYNOLDS NUMBER
VELOCITY
7 x 107
262 F/S (GAS)
32 F/S (LIQUID)
- 80 Page 80
40
Principe
Geometrie van de shedder bar
– Alleen de delta
geometrie geeft
een optimaal
verband tussen
snelheid en vortex
frequentie.
– Verdere
verbeteringen aan
de geometrie
hebben geleid tot
een
nauwkeurigheid
van 0,75%.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Delta geometry { D }
Round geometry {
}
Laminar
Transitional
Turbulent
- 81 Page 81
Principe
In praktijk vervangt de K-factor het St (Strouhal getal) als de
toonaangevende parameter.
De omzettingsvergelijking wordt dan:
Flow rate = Vortex Frequency
K-factor
De K-factor wordt bepaald door de fabriekskalibratie van de
debietmeter (water kalibratie – “ X “ Pulsen / Liter)
K-factor wordt niet beïnvloed door: T, P, density, ...
Gevolg hiervan is dat alle kalibraties uitgevoerd worden met
water voor alle applicaties.
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 82 Page 82
41
Eigenschappen & specificaties
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 83 -
Sensor design : pick-up sensor
Sensor posities voor vortex metingen
Drukschommelingen
Fluida-beweging
Fluida-kracht op de
shedder-bar
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 84 Page 84
42
Sensor design : pick-up sensor
Verschildruk Integraal
Diafragma
Differential Switched
Capacitor
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 85 Page 85
Sensor desig : pick-up sensor
Vane achter Shedder-bar
Massieve
piëzo pick up
Shedder-Bar
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Piëzo vinger
pick up
in de Shedder
- 86 Page 86
43
Sensor design : pick-up sensor
Drukschommelingen
Fluida-beweging
Fluida-kracht op de
shedder-bar
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 87 Page 87
Sensor design : bodies
Wafer type
Insertion type
Flanged type
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 88 Page 88
44
Sensor design : bodies
Reduced bore type
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 89 Page 89
Sensor design : hoge & lage temperatuur
Extended neck:
*Beschermt de elektronica
tegen hoge/lage temperatuur
*Installatie van elektronica
buiten isolatie
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 90 Page 90
45
Convertor design
Remote opstelling
Integral opstelling
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 91 Page 91
Bidirectional flow
Bidirectionele flow mogelijk gemaakt
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 92 Page 92
46
Multivariabel
piezo
sensors
shedder
bar
RTD
sensor
Druk gecompenseerd
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Temperatuur gecompenseerd
- 93 Page 93
Multivariabel
Temperatuur gecompenseerd
ingebouwde temperatuur sensor
• beschermd in de shedder bar
• +/- 1 °C (vloeistof), +/- 2 °C
(gas/stoom);
RTD Pt1000
multi-variabele optie
• waarde flow & temperatuur worden
weergegeven
• dubbele output (flow: pulse, temp: 4-20mA)
stoom massadebiet-berekening
• Massadebiet-berekening, gebruik makend
van gemeten T (druk = cte)
• +/- 2% nauwkeurig
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 94 Page 94
47
Multivariabel
Druk gecompenseerd
Ingebouwde druk sensor
• ±1.5% van de gemeten waarde
(Re ≥ 20000); ±2.5% van de gemeten
waarde (10000 < Re < 20000)
multi-variabele optie
• waardes voor flow & druk worden
weergegeven
• dubbele output (flow, pressure)
steam mass flowrate calculation
• Massadebiet-berekening, gebruik makend
van gemeten P (Temperatuur = cte)
1
2
3
4
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Pressure sensor
Shut-off valve
Fully welded stainless steel design
Converter with Intelligent Signal Processing [ISP]
- 95 Page 95
Vibratie onderdrukking
Vibraties kunnen veroorzaakt
worden door:
•Pompen
•Compressoren
•Wandelende mensen
•Piping
•Wind
•…
Als f(vibration) = f(vortex)
« interferenties »
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 96 Page 96
48
Vibratie invloeden / onderdrukking
-Signaal wordt opgesplitst in
individuele frequentie sub-banden
Vortex Signal met ruis
Time
SUB6
SUB5
SUB4
Frequency Analyzing/
SUB3
Intelligent Amplification
SUB2
-band splitting filter maakt gebruik van
intelligente demping om de amplitude
vs. snelheid karakteristiek te
lineariseren
SUB1
Frequency
Sensitivity Curve
Vortex Signal
Spectrum Analyzing
Gain
SB6
Spectral Adaptive
Filtering (SAF)
SB5
SB4
Noise
SB3
SB2
SB1
-Met als basis de info van de applicatie,
(vloeistof of gas, flow span en
dichtheid) kan een
amplitude/gevoeligheids-curve
berekend worden
Frequency
[Separation by SAF]
Frequency
-resultaten van de individuele sub-band
analysers worden vergeleken met de
berekende gevoeligheidscurve
Output Waveform
Time
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- Uiteindelijk wordt een tight band pass
filter gebruikt die de focus legt rond het
vortex flow signaal
- 97 Page 97
Voordelen & beperkingen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 98 -
49
Voordelen
Geaccepteerd door de industrie
Industriële metingen bestaan reeds sinds late jaren 60
Output proportioneel tot snelheid
Geen invloed van dichtheid, p, T°, geleidbaarheid, …
Hoge nauwkeurigheid over grote range (40:1) voor een redelijke prijs
Weinig mogelijke lekpunten
Sensor aansluiting
Gelaste flenzen , gegoten bodies
Minimum snelheid/debiet nodig (Re>20.000)
Klein permanent drukverlies
Minimale tegendruk nodig om cavitatie te vermijden
Debietmeter normaal 1 maat kleiner dan de nominale diameter van de buis (hogere
snelheid)
Sommige leveranciers kunnen reduced bore types aanbieden
Hoge T° & P ratings mogelijk
Geen bewegende delen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 99 -
Beperkingen
De meeste pick up sensoren zijn gelokaliseerd op 1 punt
Pipe condition/ Flowprofile gevoelig
–
Sommige leveranciers zijn minder gevoelig aan deze condities / profiles.
Multivariabele oplossingen
–
–
Meeste leveranciers voorzien een geïntegreerde T°-correctie (verzadigde stoom, dichtheidscompensatie, actieve
K-factor correctie)
Sommige leveranciers voorzien een geïntegreerde P-correctie (Drukopname is echter op de verkeerde plaats.
Druk zou moeten gemeten worden op 5D na de meter)
Vibratie-gevoelig (alle leveranciers specifiëren in de range van 1G bij flow van water)
Soms moeilijk om onderscheid te maken tussen vortex signaal en vibraties
–
Sommige leveranciers voorzien vibratie diagnostiek
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 100 -
50
Vortex veiligheidstoepassingen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 101 -
Vortex en veiligheid
SIL = Safety Integrity level
Verklaring van sommige benamingen en afkortingen
IEC 61508
• Algemene standaard over veiligheid
IEC 61511
• Meer gedetailleerde veiligheidsstandaard voor de procesindustrie
FMEDA Report volgens IEC 61508 en IEC 61511
• Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis
Noodzakelijk om SFF (Safety Failure Fraction) te
vinden/berekenen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 102 Page 102
51
Vortex en veiligheid
SIL = Safety Integrity level
SFF = Safety Failure Fraction
The magic number is 0.9 or 90%
SFF > 0.9 one unit is suitable for a SIL 2
application
SFF < 0.9 two units are needed for SIL 2
application
Application
Application
Application
SFF
SIL 1
SIL 2
SIL 3
SIL 4
< 0.9
1 unit
2 units
3 units
4 units
> 0.9
1 unit
1 unit
2 units
3 units
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
Application
- 103 Page 103
Vortex en veiligheid
SIL = Safety Integrity level
Kalibratie samen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 104 Page 104
52
Installatievoorschriften
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 105 -
Installatievoorschriften
Anders per leverancier!
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 106 -
53
Installatievoorschriften
Positionering converter in alle richtingen
Converter naar boven/beneden/zijdelings gericht
Zijdelingse installatie kan gebruikt worden om invloeden van
vibraties te voorkomen
Volle buis vereist
Gas / Steam
Vermijden van waterslag of andere obstakels
Goede uitlijning van piping en dichtingen
Liquid
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 107 Page 107
Installatievoorschriften
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 108 Page 108
54
Applicaties
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 109 -
Waar te gebruiken
Propere toepassingen / viscositeit vloeistof (<3cp)
Stoom & Gassen
Lage viscositeit Koolwaterstoffen
Water, laal corrosieve chemicaliën
Niet geleidende vloeistoffen
Hoge-T oliën en bitumen
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 110 Page 110
55
Waar niet te gebruiken
Minder geschikt voor
– corrosieve chemicaliën
– visceuze vloeistoffen (<7cp)
– Lichte slurries (minder dan 1%)
Niet mogelijk
–
–
–
–
Stoffige en vuile processtromen
2-fasige stroom
Pulserende flow
Hoge omgevingsvibraties (>1G)
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 111 Page 111
Specificaties
Maten / procesaansluitingen
–
–
–
–
–
–
–
Wafer 15-100 mm
Flenzen 15-400 mm
Butt weld
Tri clamp
Smooth flens-afwerking
RTJ (Ring Type Joint or nut und feder- DIN 2526/2513) Flenzen
EN, ANSI, JIS
Sizing toont aan dat de meter telkens 1-2 maten kleiner is dan de nominale
diameter van de buis
Nauwkeurigheid
–
–
–
+/- 0.75% van de gemeten waarde voor vloeistoffen
+/- 1% van de gemeten waarde voor gassen
MV types: +/- 2% van de gemeten waarde voor massa-debiet van verzadigde stoom
Repeatability
–
+/- 0.2% va de gemeten waarde
Druk
–
Vanaf volledig vacuüm tot EN 250 / ANSI #2500
Temperatuur
–
-200°C tot +450 °C
Wetted materials
–
SS316, CF8M, ASTM 216 A WCB, 1.4552, Hast C, Gold coating
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 112 Page 112
56
Specificaties
Wetted parts behandeling
–
–
NACE compliant
Zuurstof ontvetting mogelijk
Ranges
–
Vanaf Re 20.000: tot 10 m/s voor vloeistoffen en 80 m/s voor gassen/stoom
Output
–
–
–
2 draad 4-20 mA Hart, Profibus, FF
EDDL en/of FDT/DTM ready
Gelijktijdig pulse contact
Remote electronica
–
Tot 30m tussen meter en converter
CE MARKING
–
–
PED
ATEX: Exi, Exd, Exn, FM, JIS
Beschermingsklasse
–
IP65 or 67
Certificaten
–
–
–
–
–
–
3.1 Materiaal certificaat
Las-certificaten
Dye penetration test
FMEDA report
ATEX certificaten
Kalibratie
VIK – Go with the flow
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
October 2012
- 113 Page 113
Vragen?
<VIK – Go with the flow>
Copyright © Yokogawa Electric Corporation
<October 2012>
- 114 -
57