va-meters, verschildruk / vortex debietmeters

1

VIK – Go with the flowCopyright © Yokogawa Electric CorporationOctober 2012

- 1 -- 1 -

GO WITH THE FLOW 2012


- 2 -- 2 -

VA-meters

Verschildruk debietsmeters

Vortex debietsmeters

2


- 3 -- 3 -

VA-meters

- 4 -VIK – Go with the flowCopyright © Yokogawa Electric CorporationOctober 2012

Agenda

Nomenclatuur

Meetprincipe

Toepassingsgebied

Uitvoeringen

Nauwkeurigheid

Voordelen en beperkingen

Speciale uitvoeringen

Installatievoorschriften

Page 4

3


Nomenclatuur


Nomenclatuur

Variabele doorlaat-meter– Vado-meter of VA-meter

Vlotterdebiet-meter

Zweeftol-debietmeter

Rotameter

Peil-meter

….

4


Meetprincipe


Meetprincipe

5


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


Toepassingsgebied en voorwaarden

6


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

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

Toepassingsgebieden en voorwaarden

7


Uitvoeringen


Metalen

Glas

Plastic

Uitvoeringen in verschillende materialen

8


Nauwkeurigheden


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 vanonderstaande formule ter berekening van de fout voor de gemeten waarden

Formule: F = (¾ M + ¼ E)*K/100

M = gemeten waarde van de flow met flow-eenheid

E = full scale waarde van de flow met flow-eenheid

K = 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

9



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 %

Accuracy class 4 G=4 qG = 50 %



Former specification: accuracy class 1.6New specification: qG = 50%, G=1.6

Now 8%

Before 5.2%

New specification

less strict more strict

than former specification

qG

Threshold value « qG » is defined by each manufacturer

Range qG to Qmax

with constant error value

Deviation / % of measured value

Measuring range / % Qmax

10


Voordelen en beperkingen


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

11


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, …)


Measuring Range of a Rotameter

Indication

Float reaches the

upper stopper at

105% of max. flow.

Float lifts at 5

to 8% of max.

flow.

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

12


Speciale uitvoeringen


Float blocking detection

De Zero-fluctuaties wordengeregistreerd onderNo-flow condition wanneerde vlotter zich op het rustpunt bevindt.

Er wordt een grensvastgelegd voor het minimum aan fluctuatiesmet inbegrip van eensafety factor.

13


ATEX: EExd Rota meter

VA-meters

• Met EExd approval (12 mm glass moulded, EEX d wartels M20*1,5)• Met dust EEx approval (12 mm glass moulded)• Standaard IP 67


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.

14




Installatie-voorschriften

De VA-meter dient verticaal gemonteerd te wordenmet flow-richting opwaarts

Grotere leiding-diameters vragen een rechte lengtevan 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 afstandtussen twee flowmeters best > 300mm

Het meetgedeelte is gevoelig aan externe niet-homogene magnetische velden (bv. Solenoid valves)

Asymmetrische magnetische vormen kunnen eeninvloed hebben op de werking van de vlotter

15


Installatie Hints voor Metalen Rotameters

VA-meters

Min. 300 mm�

� Grotere nominale diameters (DN80/DN100), vragen ten minste 5D voor en na de Rotameter


- 30 -- 30 -

Verschildruk debietsmeters

16


Wet van Bernoulli

Wet van behoud van energie: drukenergie + statische energie + kinetische energie = constant

Permanent

Pressure Loss

Final Head After

Pressure

Recovery

Upstream

Initial HeadMaximum

Pressure

Change

Streamlin

e (Typical)Flow

High Pressure Connection

Low Pressure

ConnectionPrimary Element

Concentric Orifice

Plate

Secondary ElementDP Transmitter

ρε

pdmCQV

∆⋅⋅⋅

Π⋅⋅⋅=

2

4

2

221tcoefficien discharge

m

KC

⋅−

⋅==

µ

µ=ε Gas expansion factor (for liquids =1)

2

1

0

1

0

==d

d

A

Am

0

2

A

A=µ

ρ=density

Diameter pipe = D

A0=surface orifice hole

A1=surface pipe

A2=surface after orifice hole

A0A1

A2

Volumetrisch debiet


Massadebiet

ρεβ

..241

2

4pd

CQm ∆⋅⋅

Π⋅⋅

−=

Permanent

Pressure Loss

Final Head After

Pressure

Recovery

Upstream

Initial HeadMaximum

Pressure

Change

Streamlin

e (Typical)Flow

High Pressure Connection

Low Pressure

ConnectionPrimary Element

Concentric Orifice

Plate

Secondary ElementDP Transmitter

A0A1

A2

factorapproach ofvelocity 1

1

4=

− β

tcoefficien discharge =C

1) liquids(for factor expansion Gas ==ε

D

d== BetaRatioβ

conditions flowingat density =ρ

d= Bore Diameter primary

element

pressure alDifferenti=∆p

D= Pipe Diameter

Wet van Bernoulli

Wet van behoud van energie: drukenergie + statische energie + kinetische energie = constant

Relatie tussen dp en Qm:

17


De berekeningen: de makkelijke manier

PdC

Qm ∆⋅⋅ ⋅

−= ρε

π

β2

41

2

4

K-factor

PkQm ∆ ⋅=

Is dit correct?


Binnenin de leiding

Snelheid omhoog (V ⇑⇑⇑⇑ )Druk daalt (P ⇓⇓⇓⇓ )

Dichtheid daalt (ρ ρ ρ ρ ⇓⇓⇓⇓ )

Snelheid omhoog (V ⇑⇑⇑⇑ )Punt met laagste druk

(vena contracta) verschuift ��

T stijgingD en d wijziging

18


Larger beta

Smaller beta

d/Dβ = dD

Wat is de ββββ−−−−ratio

� Beta Ratio (ββββ)

– Definitie:

– De verhouding van de orifice bore diameter (d) en de interne buis diameter (D).

– Definieert hoeveel restrictie (drukval) je in de leiding/orifice kan hebben.

– Hoe kleiner Beta, hoe groter de restrictie.


Discharge coefficiënt (C)

Empirisch bepaalde factor voor een DP flow element

Flow lTheoretica

Flow Actual=C

19


Discharge coëfficient: orifice en averaging pitot

Orifice Averaging pitot


Discharge coëfficiënt varieert met debiet

� 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.

High

sideLow

side

Vena Contracta

20


P = 4 bar, abs

Same volume

2x the gas or steam!

P = 8 bar, abs

Dichtheid ρ ρ ρ 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


� Het medium moet door een vernauwing:

�Snelheid omhoog

� (Statische) druk daalt

�Dichtheid daalt

� We moeten een correctiefactor invoeren om de dichtheidswijziging op te vangen

High

side

Low

side

Primary element

Velocity increase (V ⇑⇑⇑⇑ )Pressure decrease (P ⇓⇓⇓⇓ )Density decrease (ρ ρ ρ ρ ⇓⇓⇓⇓ )

Flow

Fouten bij primaire elementen: dichtheidswijziging

21


Velocity of approach-factor

factorapproach ofvelocity 1

1

4=

− β

High

side

Low

side

Primary element

Flow

Door temperatuurswijzigingen, wijzigen ook afmetingen van

het primair element


� De diameter van de buis (D) en van het primair element (d) verandert door de T. Oorzaak is de thermischeexpansie van metalen.

Typische Fouten door T-veranderingen:

Gassen & Stoom: 0.05 - 0.5%

Vloeistoffen: 0.05 - 0.5%

Dit is typisch een redelijk kleine fout, maar in applicaties waar

de T nogal varieert, kan dit belangrijk zijn:

Primair element bore (d) wordt beïnvloed door de T°

d = 10 mm d = 10.03 mm

T = 30 degC T = 200 degC

Steel Stainless (304): 17.3 x 10-6 mm/K

Steel Stainless (316) 16.0 x 10-6 mm/K

22


Varieert door debietwijziging1. C = Discharge Coefficient

2. ε = Gas Expansion Factor

Varieert door druk en T5. Density Compensation6. Compressibility Factor

Varieert door temperatuurswijziging3. Velocity of Approach = 1/(1-ββββ4)1/2

4. d2 = Diameter van primary element

Massadebiet wordt bepaald door continue herberekeningvan deze parameters

Wat is de impact van de proceswijzigingen?

ρβ

ε ..21

1

4

2

4pdCQm ∆⋅⋅

−⋅

Π⋅⋅=

<VIK – Go with the flow>Copyright © Yokogawa Electric Corporation<October 2012>

- 44 -

ISO 5167 formule

1

2

42

41ρε

π

βP

dCQm ∆

−=

C=f (Re D No ) µ=f (T )

ββββ =f (D , d )

ε = f (SP , ∆∆∆∆ P )

Re D No=f (Q m , µ , D )

d=f ( d 0 , αααα 2 , T )

D=f (D 0 , αααα 1 , T )

ρρρρ 1=f (SP , T )

Q m Mass ｆlow rate

C Discharge coefficient

ββββ Beta Ratio d/D

d Bore of Diffrential Producer

D Pipe inner diameter

ε Gas expansion factor

∆∆∆∆ P Differential pressure

ρρρρ Density

Re D No Reynolds number

SP Static pressure

T Temperature

µµµµ Viscosity

αααα Thermal expansion

23


Nauwkeurigheid binnen de ISO formule

Nauwkeurigheid:

– ISO5167-2 2003

– Primary device: Orifice; medium: gas

2222

4

22

4

422

m

m

p

p

d

d2

D

D2

C

C

q

q

=

ρ

ρ

４

１＋

４

１＋

１－β＋

１－β

β＋

ε

ε＋

δδδδδδδ

(δC / C)2 C

(δε / ε)2 ε

((2β4)/(1-β4))2(δD / D)2 D

(2/(1-β4))2(δd / d)2 d

1/4(δ∆P/∆P)2 P

1/4(δρ /ρ)2 ρ

C

ε

D

d

DP

ρ

0.928 0.563 0.072 0.137 0.086 0.0004 0.0025


De berekeningen: de makkelijke manier

PdC

Qm ∆⋅⋅ ⋅

−= ρε

π

β2

41

2

4

K-factor

PkQm ∆ ⋅=

Is dit correct? Ja, als er geen externe factoren wijzigen

24


Single variable flow

Vaste compensatie-factor (k)

Opletten bij gebruik in dynamische condities

Low flow

PkQm ∆ ⋅=


Druktransmitter met zowel verschildruk, statische druk, temperatuurmetingén flow computer

Flow computer

Temp.sensor

Four in one = Cost saving

Dynamic flow measurement: Improves flow accuracy

EJX /MV Mass flow outputMulti-sensing

(DP,SP, temp, density)

Gauge pressure transmitter

Differentialpressure transmitter

Temp.transmitter+

Temp. sensor

Wat is een multivariable transmitter?

25


Voorbeeld van de intelligentie binnenin een multivariabele druktransmitter

Differential pressureResonantsensor

RTD

（（（（High accuracy））））Computation

●●●● Flow calculationRe No compensation

●●●● Density compensation

・Flow rateVolume/mass・Difference pressure・Static pressureabsolute pressure/（gage pressure）・Temperature（density）

Static pressure

Temperature

INPUT SIGNAL

BUS OUTPUT

HARTF-Fieldbus

・PulseVolume/massAnalog・Difference pressure・Static pressureabsolute pressure/（gage pressure）・Temperature（density）

SIGNAL OUTPUT

Fluid databank 126most common fluids

Orifice plate data

Orifice Plate RTD


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)

Page 50

26


Voorbeeld van de DIPPR database

Page 51

No. Fluid name No. Fluid name No. Fluid name No. Fluid name1 Acetic Acid � 33 Ethylamine � 65 n-Decane � 97 Vinyl Cyclohexene �

2 Acetone � 34 Ethylbenzene � 66 n-Dodecane � 98 Water �

3 Acetonitrile � 35 Ethylene � 67 n-Heptadecane � 99 1-Butene �

4 Acetylene � 36 Ethylene Glycol � 68 n-Heptane � 100 1-Decene �

5 Acrylonitrile � 37 Ethylene Oxide � 69 n-Hexane � 101 1-Decanal �

6 Air � 38 Fluorene � 70 n-nonane � 102 1-Decanol �

7 Allyl Alcohol � 39 Furan � 71 n-Octane � 103 1-Dodecene �

8 Ammonia � 40 Helium-4 � 72 n-Pentane � 104 1-Dodecanol �

9 Argon � 41 Hydrazine � 73 Neon � 105 1-Heptanol �

10 Benzaldehyde � 42 Hydrogen � 74 Neopentane � 106 1-Heptene �

11 Benzene � 43 Hydrogen Chloride � 75 Nitric Acid � 107 1-Hexene �

12 Benzoic Acid 44 Hydrogen Cyanide � 76 Nitric Oxide � 108 1-Hexadecanol �

13 Benz Alcohol � 45 Hydrogen Peroxide � 77 Nitrobenzene � 109 1-Octanol �

14 Biphenyl � 46 Hydrogen Sulfide � 78 Nitroethane � 110 1-Octene �

15 Bromine � 47 Isobutane � 79 Nitrogen � 111 1-Nonanal �

16 Carbon Dioxide � 48 Isobutene � 80 Nitromethane � 112 1-Nonanol �

17 Carbon Monoxide � 49 Isobutylbenzene � 81 Nitrous Oxide � 113 1-Pentadecanol �

18 Carbon Tetrachloride � 50 Isopentane � 82 Oxygen � 114 1-Pentanol �

19 Chlorine � 51 Isoprene � 83 Pentafluoroethane � 115 1-Pentene �

20 Chlorodifluoromethane 52 Isopropanol � 84 Phenol � 116 1-Undecanol �

21 Chloroprene � 53 m-chloronitrobenzene � 85 Phosphoric Acid 117 1,1,2,2-Tetrafluoroethane �

22 Chlorotrifluoroethylene � 54 m-dichlorobenzene � 86 Propadiene � 118 1,1,2-Trichloroethane �

23 Citric Acid 55 Methane � 87 Propane � 119 1,2,4-Trichlorobenzene �

24 Cycloheptane � 56 Methanol � 88 Propylene � 120 1,2-Butadiene �

25 Cyclohexane � 57 Methyl Acrylate � 89 Pyrene � 121 1,3-Butadiene �

26 Cyclopentane � 58 Methyl Ethyl Ketone � 90 Styrene � 122 1,3,5-Trichlorobenzene �

27 Cyclopentene � 59 Methyl Vinyl ether � 91 Sulfur Dioxide � 123 1,4-Dioxane �

28 Cyclopropane � 60 Monochlorobenzene 92 Toluene � 124 1,4-Hexadiene �

29 Dichlorodifluoromethane 61 n-Butane � 93 Trichloroethylene � 125 2-Methyl-1-Pentene �

30 Divinyl Ether � 62 n-Butanol � 94 Trichlorofluoromethane 126 2,2-Dimethylbutane �

31 Ethane � 63 n-Butylaldehyde � 95 Vinyl Acetate �

32 Ethanol � 64 n-Butyronitrile � 96 Vinyl Chloride �


- 52 -

Primaire elementen

27


Pitot Tube

Venturi Tube

Wedge Flow ElementFlow Nozzle

Elbow

Overzicht

Orifice plate


Pitot tube

Wat is het?

– Een L-vormige buis met een opening in de stroomrichting (dynamischedrukmeting) met daarin een tweede buis met een opening loodrecht op de stroomrichting (meet de statische druk). Het debiet is rechtevenredigmet 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

28


De “averaging” pitot tube

Wat?

– Een pitot tube met meerdere dynamische en statische drukopeningen. De verschildruktransmitter berekent het debiet door het gemiddelde tenemen van de drukopeningen.

Nauwkeurigheid

– 1%

Voordelen

– Lage drukval

– Bi-directionele oplossingen mogelijk

– Mogelijkheid tot geïntegreerde temperatuursmeting voormassadebietsmeting

Beperkingen

– Geen berekeningen volgens een standaard


Averaging pitot tube: info

Lage installatiekost in vergelijking met andere primaire elementen

Drill Weld Insert Wire

3) Lage permanente drukval leidt

tot kostenbesparing2) Bi-directionele metingen

mogelijk bij sommige

vormen

4) « Non clogging »

oplossingen mogelijk

29


Averaging pitot tube: installatie

Relatief lange upstream en

downstream lengtes zijn echter

noodzakelijk

Gas application

Steam application

Horizontal pipe

(side view)Vertical pipe

(bottom view)

Horizontal pipe

(side view)

Vertical pipe

(bottom view)


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

30


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

Orifice: tappings


Pipe tappings (D & D/2)

Pipe tappings (D & D/2) are mostly used in larger pipe sizes to save the flanges cost.

Orifice: tappings

31


Steam application, horizontal line

Compact mass flow including multi-variable

transmitter & temperature compensation

Compact flow measurement

Gas

Orifice: compact oplossingen


Installatie van de druktransmitter

32


Page 63

Installation requirements according to ISO standard

Installatievoorschriften en nauwkeurigheid


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

33


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


Nozzle

Wat?

– Een stuk leiding met een zacht inlopende ingang en een scherpeuitgang. De verschildruktransmitter meet het drukverschil tussen de ingang en de uitgang en bepaalt op deze manier het volumetrischdebiet

Nauwkeurigheid

– 2.0%

Voordeel

– Beperkt drukverlies

Beperkingen

– Duurder dan orifice plates

– Slechts beperkte buisdiameters mogelijk

34


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


Selectie primair element

Device Line size (mm) Field of application Specific Advantages Specific disadvantages

Orifice plate flange taps 50 to 1000 General purpose

Orifice plate corner taps 25 to 1200 Lines below 50 mm Economic, simple, flexible, widely accepted

Pressure loss, upstream pipe requirements

Orifice plate D & D/2 taps 100 to 1000 Line sizes above 600 mm

Orifice plate quarter circle 25 to 500 Viscous fluids, low Reynolds number

Viscous fluid, low flow rate Less accurate

Orifice plate conical entrance 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 of clean fluids

Economic, low pressure loss, bi-directional

Clean fluids, no international standard

35


- 69 -- 69 -

Vortex debietsmeters


Agenda

Werkingsprincipe

Eigenschappen & specificaties

Voordelen / beperkingen

Vortex en veiligheidstoepassingen


Applicaties

Page 70

36


Werkingsprincipe


Werkingsprincipe

Wat is een Karman Vortex Straat?

Hoe wordt deze gebruikt in debietmeting?

Page 72

37


Karmán vortex straat

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

Theodore von Kármán

Page 73



Vortices zijn een natuurlijk fenomeen.

Page 74

38



Page 75


Vortex als debietsmeting

Page 76

39


l

17,0≈=l

dSt

Het Strouhal getal (St):


Page 77


Karmán vortex frequentie

f = Karmán vortex frequency

St = Strouhal number (constant in a certain area)

v = fluid velocity

d = width of vortex shedder (constant)

d

vStf

⋅=


Page 78

40


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

Reynolds getal (Re):

�� Principe

Page 79


Relatie tussen St, Re en snelheid

LINEAR RANGE

MEASURING RANGE

5 x 103

2 x 104

VELOCITY

.2

.1

.3

262 F/S (GAS)

32 F/S (LIQUID)1 F/S (LIQUID)

10 F/S (GAS)

7 x 10 7

SPECIFICATION RANGE

REYNOLDS NUMBER

Strouhal Number

Principe

Page 80

41


Principe

Page 81

Laminar TurbulentTransitional

Delta geometry { D }Round geometry { }– 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%.

Geometrie van de shedder bar


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.

Page 82

42


Eigenschappen & specificaties


Sensor design : pick-up sensor

Sensor posities voor vortex metingen

Page 84

Drukschommelingen

Fluida-beweging

Fluida-kracht op de

shedder-bar

43



Page 85

Verschildruk Integraal

Diafragma

Differential SwitchedCapacitor


Sensor desig : pick-up sensor

Page 86

Massieve

piëzo pick up

Shedder-Bar

Vane achter Shedder-bar

Piëzo vinger pick up in de Shedder

44



Page 87

Drukschommelingen

Fluida-beweging

Fluida-kracht op de

shedder-bar


Sensor design : bodies

Page 88

Wafer type

Flanged typeInsertion type

45


Sensor design : bodies

Page 89

Reduced bore type


Sensor design : hoge & lage temperatuur

Page 90

Extended neck:

*Beschermt de elektronica tegen hoge/lage temperatuur*Installatie van elektronica buiten isolatie

46


Convertor design

Page 91

Remote opstelling

Integral opstelling


Bidirectional flow

Bidirectionele flow mogelijk gemaakt

Page 92

47


Multivariabel

Page 93

RTD sensor

piezo sensors

shedder bar

Druk gecompenseerd Temperatuur gecompenseerd


Temperatuur gecompenseerd

Page 94

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

Multivariabel

48


Druk gecompenseerd

Page 95

Ingebouwde druk sensor

• ±1.5% van de gemeten waarde(Re ≥ 20000); ±2.5% van de gemetenwaarde (10000 < Re < 20000)

multi-variabele optie

• waardes voor flow & druk wordenweergegeven

• dubbele output (flow, pressure)

steam mass flowrate calculation

• Massadebiet-berekening, gebruik makendvan gemeten P (Temperatuur = cte)

1 Pressure sensor2 Shut-off valve3 Fully welded stainless steel design4 Converter with Intelligent Signal Processing [ISP]

Multivariabel


Vibratie onderdrukking

Page 96

Vibraties kunnen veroorzaaktworden door:•Pompen•Compressoren•Wandelende mensen •Piping•Wind•…

Als f(vibration) = f(vortex)

« interferenties »

49


Vibratie invloeden / onderdrukking

Page 97

Frequency Analyzing/Intelligent Amplification

Output Waveform

Vortex Signal met ruis

Spectrum Analyzing

Spectral Adaptive

Filtering (SAF)

-Signaal wordt opgesplitst in

individuele frequentie sub-banden

-band splitting filter maakt gebruik van

intelligente demping om de amplitude

vs. snelheid karakteristiek te

lineariseren

-Met als basis de info van de applicatie,

(vloeistof of gas, flow span en

dichtheid) kan een

amplitude/gevoeligheids-curve

berekend worden

-resultaten van de individuele sub-band

analysers worden vergeleken met de

berekende gevoeligheidscurve

- Uiteindelijk wordt een tight band pass

filter gebruikt die de focus legt rond het

vortex flow signaal

SUB6

SUB5SUB4

SUB3

SUB2SUB1

Time

Time

SB6 SB5 SB4 SB3 SB2 SB1 Frequency

Noise

Gain

Frequency

[Separation by SAF]

Frequency

Vortex SignalSensitivity Curve


Voordelen & beperkingen

50


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


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

51


Vortex veiligheidstoepassingen


Vortex en veiligheid

Verklaring van sommige benamingen en afkortingen

IEC 61508

• Algemene standaard over veiligheid

IEC 61511

• Meer gedetailleerde veiligheidsstandaard voor de proces-industrie

FMEDA Report volgens IEC 61508 en IEC 61511

• Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis

Noodzakelijk om SFF (Safety Failure Fraction) te vinden/berekenen

Page 102

SIL = Safety Integrity level

52



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

Page 103

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




Page 104


Kalibratie samen

53





Anders per leverancier!

54



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

Vermijden van waterslag of andere obstakels

Goede uitlijning van piping en dichtingen

Page 107

Liquid

Gas / Steam



Page 108

55


Applicaties


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

Page 110

56


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)

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

Page 112

57


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

Page 113


- 114 -

Vragen?

va-meters, verschildruk / vortex debietmeters

Presentations & Public Speaking