El principi sembla senzill, però la mesura fiable del flux de l'orifici depèn de més que de la pròpia placa. El diàmetre del forat, la relació beta, l'estat de la vora, la ubicació de l'aixeta de pressió, la densitat del fluid, el nombre de Reynolds, el perfil de flux aigües amunt, el rang del transmissor DP i la instal·lació influeixen en el resultat.
Aquesta guia explica el principi de funcionament del mesurador de cabal d'orifici des de la restricció hidràulica fins al senyal de cabal final, i després mostra què afecta la incertesa de mesura, on funciona bé la tecnologia i què haurien de comprovar els enginyers abans d'especificar un sistema.
Què constitueix un mesurador de cabal d'orifici?
Un mesurador d'orifici s'ha de tractar com un sistema complet de mesura-de pressió diferencial en lloc d'una placa metàl·lica instal·lada entre dues brides.
Placa d'orifici
La placa crea la restricció. Una placa concèntrica-de vores afilades convencional té un forat circular centrat a la canonada. La mida del forat, el gruix, la vora aigües amunt i l'orientació de la instal·lació han de coincidir amb la base de disseny utilitzada per al càlcul del cabal.
Hi ha diferents geometries de plaques disponibles per a serveis concrets. La guia deescollint un tipus de placa d'orificiproporciona un context addicional quan una placa concèntrica estàndard pot no adaptar-se al fluid.
Aixetes de pressió i connexions d'impuls
Les aixetes de pressió detecten la pressió estàtica als costats aigües amunt i aigües avall de la restricció. Els tubs o els passatges integrats porten aquests senyals de pressió a l'instrument de pressió diferencial.
La disposició de la presa forma part del disseny de mesura. No es pot moure arbitràriament després de la mida de la placa perquè la pressió varia amb la posició al voltant de la restricció.
Transmissor de pressió diferencial
L'element de mesura secundari detecta la diferència entre els costats d'alta-pressió i de baixa-pressió. Un adequattransmissor de pressió diferencialconverteix aquesta diferència de pressió mecànica en un senyal electrònic utilitzable.
De manera més àmplia,configuracions del transmissor de pressiós'ha de seleccionar segons la pressió del procés, la temperatura, l'amplitud requerida, les condicions ambientals i els requisits del sistema de control-.
Com funciona un mesurador de cabal d'orifici?
1. El fluid s'acosta a la restricció
Amunt de la placa, el fluid ocupa tota la secció transversal-del tub. Per a la mesura estandarditzada, el cabal d'aproximació ha de complir les condicions d'instal·lació requerides pel mètode de càlcul escollit. Els colzes propers, les vàlvules i altres pertorbacions poden canviar el perfil de velocitat abans que el fluid arribi a l'orifici.
2. La velocitat augmenta a través de l'orifici
El forat proporciona menys àrea de flux que la canonada. Per mantenir la continuïtat, el fluid s'accelera a mesura que passa per l'obertura.
Aquesta acceleració és fonamental per a la mesura del flux de pressió diferencial-. El mesurador no mesura directament la velocitat a la placa; en canvi, mesura el canvi de pressió associat a l'acceleració.
3. Caigudes de pressió estàtica
A mesura que augmenta la velocitat, la pressió estàtica disminueix. El principi de Bernoulli proporciona la relació física bàsica entre pressió, velocitat i elevació per a un flux idealitzat, mentre que els càlculs pràctics d'orificis afegeixen coeficients que expliquen el comportament real del fluid.
Per tant, la pressió aigües amunt és superior a la pressió mesurada al costat aigües avall de la restricció.
4. Es forma una vena contracta aigües avall
El corrent de fluid no s'expandeix immediatament fins al diàmetre complet del tub després de creuar la placa. Continua contractant-se durant una curta distància aigües avall. La ubicació on el raig arriba a la seva -àrea de secció transversal mínima s'anomenavena contracta.
Passat aquest punt, el corrent s'expandeix i es recupera una mica de pressió estàtica. La recuperació no és completa perquè la separació i la turbulència dissipen l'energia mecànica. Aquesta part no recuperada apareix com una pèrdua de pressió permanent.
5. El sistema mesura la pressió diferencial
El transmissor veu dos senyals de pressió:
ΔP = P1 − P2
on P1 és la pressió de presa aigües amunt i P2 és la pressió de presa aigües avall.
A mesura que augmenta el cabal, augmenta la pressió diferencial. La relació, però, no és lineal.
6. La pressió diferencial es converteix en cabal
Per a una geometria fixa i condicions de procés d'altra manera estables, la relació simplificada és:
Q ∝ √ΔP
Això té una conseqüència pràctica important. Si la pressió diferencial cau al 25% del seu valor d'escala-total, el flux teòric corresponent és aproximadament el 50% de l'escala, no el 25%.
La funció d'arrel-quadrada es pot dur a terme dins d'un transmissor intel·ligent o en un PLC, DCS o ordinador de flux. Normalment no s'ha d'aplicar dues vegades. d'EmersonGuia d'enginyeria de flux DPassenyala específicament que l'extracció d'arrel quadrada-es pot dur a terme al transmissor o en qualsevol altre lloc del sistema de control i adverteix que no es realitza en ambdues ubicacions.
El senyal resultant també es pot acumular per atotalitzador de fluxquan l'aplicació requereix volum total o massa al llarg del temps.
Què entra a l'equació de flux d'orifici real?
La relació d'arrel quadrada-explica el principi, però no és una equació de mida d'enginyeria completa. Els càlculs reals tenen en compte la geometria i el comportament de l'element primari i les propietats del fluid.
Les variables importants inclouen:
- diàmetre del forat de l'orifici;
- diàmetre interior del tub;
- pressió diferencial;
- densitat del fluid;
- coeficient de descàrrega;
- relació beta;
- nombre de Reynolds;
- factor d'expansibilitat per a fluids compressibles.
Coeficient de descàrrega
El coeficient de descàrrega, representat habitualment per C, explica la diferència entre un càlcul de flux idealitzat i el flux real a través de la restricció. Està influenciat per la geometria i el règim de flux, per això no es pot substituir una placa d'orifici estàndard per un forat aproximadament similar i s'espera que produeixi la mateixa base de càlcul.
L'estat de la vora de la placa també és important. L'arrodoniment, els dipòsits, l'erosió o els danys mecànics poden modificar el comportament del flux local i, per tant, afectar el rendiment de la mesura.
Factor d'expansió
Per als líquids, els canvis de densitat a través de l'element de pressió diferencial són sovint prou petits com per tractar el fluid com a essencialment incompressible per al càlcul aplicable. El gas i el vapor es comporten de manera diferent.
Quan un fluid compressible passa per la restricció, els canvis de pressió van acompanyats de canvis de densitat. El factor d'expansibilitat té en compte aquest efecte en el càlcul de l'orifici aplicable. Aquesta és una de les raons per les quals la mida del gas i el vapor requereix més informació del procés que simplement el diàmetre de la canonada i el cabal màxim.
Què és la relació beta i per què és important?
La relació beta, escrita com a , és la relació entre el diàmetre de l'orifici de l'orifici i el diàmetre interior de la canonada:
= d / D
on d és el diàmetre del forat de l'orifici i D és el diàmetre interior de la canonada aigües amunt.
Un forat més petit en relació a la canonada crea una restricció més forta i generalment produeix més pressió diferencial a un cabal determinat. Un forat més gran produeix menys pressió diferencial i normalment menys pèrdua de pressió permanent.
Això no vol dir que una proporció beta molt petita o molt gran sigui automàticament millor. La relació beta interactua amb el nombre de Reynolds, el coeficient de descàrrega, el DP disponible, la incertesa i la sensibilitat de la instal·lació. S'ha de calcular a partir de les condicions reals del procés en lloc de triar només per crear un interval de transmissor convenient.
Quina disposició de presa de pressió s'utilitza?
La norma ISO 5167-2:2022 cobreix les plaques d'orifici estàndard utilitzades amb aixetes de brida, aixetes de cantonada i aixetes D i D/2. Elespecificació oficial ISO 5167-2també defineix la geometria, la instal·lació i les condicions de funcionament de les plaques estàndard utilitzades en conductes circulars complets.
Aixetes de brida
Les connexions de pressió es troben a les brides a distàncies estandarditzades prop de la placa. Aquest és un acord industrial comú.
Aixetes de cantonada
La pressió es detecta immediatament al costat de les cares aigües amunt i aigües avall de la placa.
D i D/2 Aixetes
L'aixeta aigües amunt es col·loca un diàmetre de canonada aigües amunt, mentre que l'aixeta aigües avall es troba a mig diàmetre de canonada aigües avall.
Aquests arranjaments no només proporcionen tres maneres diferents de connectar tubs. La ubicació de l'aixeta canvia la pressió diferencial que es mesura, de manera que la configuració de l'aixeta ha de coincidir amb el mètode de càlcul utilitzat per determinar el cabal.
Què afecta la precisió del mesurador de cabal d'orifici i la incertesa de la mesura?
És més útil pensar en la incertesa del sistema de mesura complet que no pas assignar un nombre genèric de precisió a cada mesurador d'orifici.
Geometria dels elements primaris
El diàmetre del forat, la planitud de la placa, el gruix, la condició de-bords afilats i el diàmetre de la canonada influeixen en la mesura principal. Una placa fabricada correctament però instal·lada cap enrere també pot produir un resultat fora de la base de disseny prevista.
Perfil de flux
Els colzes, les vàlvules parcialment obertes, els reductors i altres accessoris poden crear perfils de velocitat de remolí o asimètrics. L'efecte depèn de la pertorbació, la seva distància a la placa i la geometria del metre.
És per això que no hi ha cap afirmació universal útil que cada mesurador d'orifici necessiti exactament el mateix nombre de diàmetres de canonada aigües amunt. Els requisits d'instal·lació estàndard s'han de comprovar per a la configuració real de la canonada.
Número de Reynolds
El nombre de Reynolds descriu la relació entre els efectes inercials i viscosos en el fluid que flueix. Com que el coeficient de descàrrega està relacionat amb el règim de flux, el nombre de Reynolds forma part del càlcul estandarditzat i dels límits d'aplicabilitat.
La ISO 5167-2 especifica les condicions de funcionament i els límits d'aplicació definits en lloc de tractar el coeficient de la placa com a independent del règim de flux.
Interval del transmissor DP
Un transmissor que funciona bé prop del seu rang de funcionament dissenyat pot aportar proporcionalment més incertesa quan la pressió diferencial es fa molt petita.
Això és important perquè el DP cau ràpidament a mesura que disminueix el cabal. Si el flux és el 30% del flux de disseny, la pressió diferencial és només al voltant del 9% del DP de disseny corresponent sota la relació quadrada simplificada.
Per tant, el rendiment de flux baix-depèn de més que la precisió nominal del transmissor impresa en un full de dades.
Aixetes de pressió i línies d'impuls
Les aixetes bloquejades, les fuites, els caps de líquid desiguals, el gas atrapat o el condensat poden produir una pressió diferencial falsa fins i tot abans que el transmissor processi el senyal.
És per això que la comprovació del camí de pressió complet és sovint més útil que tornar a calibrar immediatament el transmissor quan una lectura es torna inestable.
Densitat de fluids i compensació
Per canviar les condicions del gas o del vapor, la densitat pot variar prou per afectar el flux calculat. Un sistema multivariable pot incorporar pressió estàtica i temperatura, de manera que el càlcul reflecteix les condicions canviants del procés.
La calibració continua sent part del procés de gestió{0}}de mesurament general. Guia del lloc acom calibrar un mesurador de cabalproporciona més antecedents, mentre que la instrumentació de pressió pot necessitar la seva pròpia documentacióInterval de calibració del transmissor de pressió.
On s'utilitzen els mesuradors de cabal d'orifici?
Flux de líquid
Les plaques d'orifici poden mesurar molts líquids nets i monofàsics quan la pèrdua de pressió i les condicions d'instal·lació són acceptables. L'aigua, els líquids de procés i els hidrocarburs són exemples habituals.
Els líquids bruts requereixen més precaució. Els dipòsits poden canviar la geometria del forat, mentre que els sòlids poden erosionar la vora o obstruir les aixetes de pressió.
Flux de gas
La mesura de pressió-diferencial també s'utilitza àmpliament per al gas. Tanmateix, cal tenir en compte la compressibilitat i la variació de la densitat. Un sistema destinat a informar de volum estàndard o flux de massa pot necessitar una compensació de pressió i temperatura a més de DP.
Els lectors que avaluen les aplicacions de gas poden continuar amb les del llocmesura de cabal de gas industrialrecursos.
Flux de vapor
El vapor és una aplicació de flux DP-important perquè l'element primari no té cap mecanisme de mesura giratori exposat al procés d'alta-temperatura.
La part difícil sovint no és la placa sinó el sistema de mesura de pressió. En els arranjaments-de cames humides convencionals, el condensat a les línies d'impuls s'ha de gestionar de manera que ambdós costats presentin un capçal de pressió estable i comparable al transmissor. El mal pendent de la línia, les potes de condensació desiguals o l'entrada de vapor al transmissor poden crear problemes de mesura i fiabilitat.
La densitat del vapor també canvia amb les condicions de funcionament, de manera que un sistema utilitzat en un ampli rang de pressió o temperatura pot requerir una compensació. Les tecnologies alternatives de vapor es discuteixen al llocmesurador de cabal de vaporsecció.
Quan una placa d'orifici és una mala elecció?
Un sistema d'orifici és atractiu perquè l'element principal és senzill i estandarditzat, però les seves compensacions-importen.
- Cost de pèrdua-permanent alt:si l'energia de la bomba o del compressor és crítica, un altre element primari pot proporcionar una millor recuperació de la pressió.
- Fluid de formació{0}}abrasiu o de dipòsit:l'erosió de les vores i les aixetes bloquejades poden perjudicar la mesura.
- Interval de funcionament molt ampli:El baix cabal produeix un DP molt petit, que pot fer que el sistema complet sigui menys adequat que una altra tecnologia.
- Pulsació forta:L'abast de la norma ISO 5167-2 exclou el flux pulsatiu.
- Conduccions aigües amunt pobres:un remolí greu o una distorsió del perfil{0}}de velocitat pot fer que una instal·lació estàndard sigui poc pràctica sense un redisseny.
- Flux de massa directe requerit:un sistema d'orifici generalment requereix informació addicional sobre pressió, temperatura i densitat en lloc de mesurar inherentment la massa.
Orifici vs Venturi, Vortex, Turbine i Coriolis
| Tecnologia | Força principal | Consideració principal |
|---|---|---|
| Orifici | Element primari normalitzat i senzill | Major pèrdua de pressió permanent i dependència de la instal·lació |
| Venturi | Millor recuperació de la pressió | Cost de l'equip inicial més gran i normalment més elevat |
| Vortex | Útil per a molts serveis de vapor, gas i líquids | Necessita un nombre de Reynolds i unes condicions de flux adequades |
| Turbina | Mesura sensible per a fluids nets-que flueixen lliurement | Conté un element de mesura giratori |
| Coriolis | Mesura directa del cabal de massa i de la densitat | Diferents consideracions de cost,{0}}caiguda de pressió i instal·lació |
A Mesurador de cabal VenturiVal la pena comparar especialment quan la pèrdua de pressió permanent és important. Les seccions de convergència i recuperació graduals solen conservar més pressió que l'expansió brusca aigües avall d'un orifici.
Per al servei de vapor o d'utilitat, compareu l'aplicació amb amesurador de cabal de vòrtex. Per a líquids nets on un rotor mecànic és acceptable, elrang del mesurador de cabal de turbinaofereix un altre enfocament de mesura. Quan el flux de massa directe és la prioritat, la guia del lloc per alPrincipi de funcionament del mesurador de cabal Coriolisexplica un mètode fonamentalment diferent.
Els serveis líquids conductors també poden justificar la comparació amb unmesurador de cabal electromagnètic, especialment quan és desitjable eliminar una restricció intrusiva.
Com seleccionar un mesurador de cabal d'orifici
Una especificació útil comença amb el procés, no amb la mida de la brida.
- Identificar el fluid i la fase.Indiqueu si el procés és líquid, gasós o vapor i si roman monofàsic en condicions de funcionament.
- Proporcioneu el cabal mínim, normal i màxim.Un sol flux de disseny no és suficient per avaluar el baix-flux DP o l'abast requerit.
- Definir pressió i temperatura.Inclou condicions normals i de disseny. Els càlculs de gas i vapor també poden necessitar aquests valors per a la compensació de densitat.
- Confirmeu el diàmetre interior del tub.La mida nominal de la canonada no sempre és suficient per a un càlcul precís de l'-element primari.
- Determinar la pèrdua de pressió permanent admissible.Això pot convertir-se en una restricció energètica del cicle de vida-en lloc d'un simple problema d'instrumentació.
- Seleccioneu la geometria i el material de la placa.Tingueu en compte la neteja dels fluids, la corrosió, la temperatura i els estàndards aplicables.
- Establir la relació beta i dissenyar DP.S'han de calcular conjuntament en lloc de seleccionar-los de manera independent.
- Trieu la disposició de toc que necessiteu.Les aixetes han de coincidir amb la base de càlcul.
- Mida el transmissor DP.Avalueu el DP esperat en el rang de funcionament real, no només al cabal màxim.
- Definir compensació i sortida.Determineu si el sistema necessita extracció d'arrel quadrada-, totalització, compensació de pressió/temperatura o càlcul de cabal-massa.
- Comproveu el disseny de les canonades.Reviseu les pertorbacions aigües amunt, els requisits-rectes, la ubicació del transmissor i l'encaminament de la-línia d'impuls abans de finalitzar el disseny.
Errors comuns d'instal·lació i posada en marxa
| Problema | Per què importa | Què comprovar |
|---|---|---|
| Placa instal·lada en la direcció equivocada | Canvia la geometria{0}}de vores afilades previstes | Marques de placa, direcció de bisell i dibuix |
| S'ha introduït un identificador de canonada incorrecte a la mida | Canvia la relació beta i el cabal calculat | Horari de canonada real i diàmetre intern |
| Vàlvula o colze massa a prop aigües amunt | Pot distorsionar el perfil de velocitat que s'aproxima | Requisit d'execució directa-aplicable |
| Aixeta de pressió tapada | Crea una resposta DP falsa o lenta | Aixetes, col·lectors i línies d'impuls |
| Gas atrapat a la línia d'impuls líquid | Canvia el capçal de pressió transmès | Encaminament de la línia i ventilació |
| Potes de condensació desiguals en servei de vapor | Introdueix una capçalera diferencial no relacionada amb el cabal | Nivell de condensació i disposició de la línia d'impuls- |
| Arrel quadrada aplicada dues vegades | Crea un error important de càlcul del cabal | Configuració del transmissor i DCS |
| L'abast del transmissor és massa ampli | Debilita el rendiment de mesura de baix-DP útil | DP mín./màx. real i desactivació requerida |
Emerson descriu els sistemes de flux DP com una combinació de l'element primari, el transmissor de pressió diferencial i els components de suport, com ara canonades d'impuls, vàlvules i connectors. Aquesta visualització a nivell-del sistema és útil durant la resolució de problemes perquè una placa bona no pot corregir un senyal de pressió dolent. Veure Emerson'sDescripció general de la mesura del cabal de pressió diferencialper obtenir una formació tècnica addicional.
Preguntes freqüents
Un mesurador de cabal d'orifici és un mesurador de cabal de pressió diferencial?
Sí. La placa d'orifici crea una diferència de pressió controlada i el sistema de mesura utilitza aquest DP per determinar el flux.
Per què el flux varia amb l'arrel quadrada de la pressió diferencial?
Per a una geometria fixa i condicions de fluid estables, la pressió diferencial varia aproximadament amb el quadrat del flux. Per tant, el cabal calculat varia amb l'arrel quadrada de DP.
Quin és el principal desavantatge d'un mesurador d'orifici?
La pèrdua de pressió permanent és una de les principals compensacions{0}}. La restricció brusca i la separació del flux aigües avall dissipen energia que no es recupera completament.
Què és la relació beta?
La relació beta és el diàmetre del forat de l'orifici dividit pel diàmetre interior del tub. Afecta la DP generada, el comportament de la descàrrega, la pèrdua de pressió i les condicions de dimensionament aplicables.
Un mesurador de cabal d'orifici pot mesurar el vapor?
Sí. L'element principal s'adapta bé al servei d'alta-temperatura, però la mesura precisa del vapor també depèn de l'estat del vapor, el càlcul de la densitat, la informació de pressió i temperatura i la instal·lació correcta-de la línia d'impuls.
Cada placa d'orifici requereix la mateixa longitud de tub recta?
No. El requisit depèn de la pertorbació aigües amunt, la relació beta, la disposició de la canonada i l'estàndard de càlcul aplicable. No s'ha d'aplicar un sol-número d'execució directa a totes les instal·lacions.
Amb quina freqüència s'ha de calibrar un mesurador de cabal d'orifici?
No hi ha cap interval universal per al sistema complet. La freqüència de calibratge ha de reflectir la criticitat de la mesura, l'estabilitat del transmissor, les condicions del servei, l'historial de manteniment i els requisits del sistema-de qualitat. La inspecció de plaques i les comprovacions de-carrera de pressió són independents de la calibració del transmissor.
Es pot utilitzar la ISO 5167 per a totes les aplicacions d'orifici?
La norma ISO 5167-2 defineix un abast específic per a plaques d'orifici i condicions de funcionament estandarditzades. Segons el resum de l'estàndard oficial, s'aplica a conductes complets, disposicions de presa de pressió-especificades, flux subsònic monofàsic- i rangs de mida i nombre de Reynolds definits; el flux pulsatori està fora del seu abast declarat.
Conclusió
Un mesurador de cabal d'orifici converteix una restricció hidràulica controlada en una pressió diferencial que es pot relacionar amb el cabal. La placa crea el canvi de velocitat i pressió, les aixetes de pressió transmeten els senyals resultants i el transmissor DP o sistema de control realitza la conversió necessària per a la indicació i totalització del flux.
La mesura fiable depèn del sistema complet. La relació beta, el coeficient de descàrrega, el nombre de Reynolds, la densitat del fluid, l'estat de la placa, el perfil de flux, la disposició de l'aixeta de pressió, l'abast del transmissor i la compensació influeixen en el resultat final.
Per a una nova aplicació, definiu el fluid, la fase, el rang de flux operatiu, la pressió, la temperatura, la identificació de la canonada, la pèrdua de pressió permesa i el rendiment de mesura necessari abans de dimensionar la placa. A continuació, comproveu que la disposició de canonades i el transmissor puguin suportar el rang DP esperat. Aquest procés fa que sigui molt més fàcil determinar si un mesurador d'orifici és adequat o si la tecnologia Venturi, vòrtex, turbina, electromagnètica o Coriolis ofereix un millor ajust.
