Hva er en åpningsmåler? Arbeidsprinsipp, nøyaktighet, applikasjoner og utvalg

Prinsippet høres enkelt ut, men pålitelig måling av munnstrøm avhenger av mer enn selve platen. Borediameter, betaforhold, kanttilstand, trykkuttaksplassering, væsketetthet, Reynolds-tall, oppstrøms strømningsprofil, DP-transmitterområde og installasjon påvirker alle resultatet.

Denne veiledningen forklarer arbeidsprinsippet for åpningsmåleren fra den hydrauliske begrensningen til det endelige strømningssignalet, og viser deretter hva som påvirker måleusikkerheten, hvor teknologien fungerer bra og hva ingeniører bør sjekke før de spesifiserer et system.

Hva utgjør en åpningsmåler?

En åpningsmåler bør behandles som et komplett differensial-trykkmålingssystem i stedet for som en metallplate installert mellom to flenser.

Åpningsplate

Platen skaper begrensningen. En konvensjonell konsentrisk skarp-plate har en sirkulær boring sentrert i røret. Dens boringsstørrelse, tykkelse, oppstrømskant og installasjonsorientering må samsvare med designgrunnlaget som brukes for strømningsberegningen.

Ulike plategeometrier er tilgjengelige for spesielle tjenester. Guiden tilvelge en type åpningsplategir ekstra kontekst når en standard konsentrisk plate kanskje ikke passer til væsken.

Trykkkraner og impulskoblinger

Trykkkraner registrerer statisk trykk på oppstrøms- og nedstrømssiden av begrensningen. Rør eller integrerte passasjer fører disse trykksignalene til differensialtrykkinstrumentet.

Tappearrangementet er en del av måledesignet. Den kan ikke flyttes vilkårlig etter at platen har blitt dimensjonert fordi trykket varierer med posisjon rundt restriksjonen.

Differensialtrykksender

Det sekundære måleelementet oppdager forskjellen mellom høy-trykk- og lavtrykkssiden. En passendedifferensialtrykktransmitterkonverterer den mekaniske trykkforskjellen til et brukbart elektronisk signal.

Mer generelt,trykktransmitterkonfigurasjonerbør velges i henhold til prosesstrykk, temperatur, nødvendig spennvidde, miljøforhold og kontrollsystemkrav-.

Hvordan fungerer en åpningsmåler?

1. Væske nærmer seg restriksjonen

Oppstrøms for platen opptar væsken hele rørtverrsnittet.- For standardisert måling bør strømningen som nærmer seg oppfylle installasjonsforholdene som kreves av den valgte beregningsmetoden. Nærliggende albuer, ventiler og andre forstyrrelser kan endre hastighetsprofilen før væsken når åpningen.

2. Hastigheten øker gjennom åpningen

Boringen gir mindre strømningsareal enn røret. For å opprettholde kontinuiteten akselererer væsken når den passerer gjennom åpningen.

Denne akselerasjonen er sentral for differensial-trykkstrømmåling. Måleren måler ikke direkte hastighet ved platen; i stedet måler den trykkendringen knyttet til akselerasjonen.

3. Statisk trykkfall

Når hastigheten øker, synker det statiske trykket. Bernoullis prinsipp gir det grunnleggende fysiske forholdet mellom trykk, hastighet og høyde for en idealisert strømning, mens praktiske åpningsberegninger legger til koeffisienter som står for reell væskeoppførsel.

Oppstrømstrykket er derfor høyere enn trykket målt på nedstrømssiden av restriksjonen.

4. En Vena Contracta dannes nedstrøms

Væskestrømmen utvider seg ikke umiddelbart til hele rørdiameteren etter å ha krysset platen. Den fortsetter å trekke seg sammen et lite stykke nedstrøms. Plasseringen der strålen når sitt minste tverrsnittsareal kallesvena contracta.

Etter dette punktet ekspanderer strømmen og noe statisk trykk gjenvinnes. Gjenoppretting er ikke fullstendig fordi separasjon og turbulens sprer mekanisk energi. Denne ikke-utvunnede delen fremstår som permanent trykktap.

5. Systemet måler differensialtrykk

Senderen ser to trykksignaler:

ΔP = P1 − P2

hvor P1 er oppstrøms tappetrykket og P2 er nedstrøms tappetrykket.

Når strømmen øker, øker differensialtrykket. Forholdet er imidlertid ikke-lineært.

6. Differensialtrykk konverteres til strømning

For en fast geometri og ellers stabile prosessforhold er det forenklede forholdet:

Q ∝ √ΔP

Dette har en viktig praktisk konsekvens. Hvis differansetrykket faller til 25 % av dens fulle-skalaverdi, er den tilsvarende teoretiske strømmen omtrent 50 % av full skala, ikke 25 %.

Den kvadratiske-rotfunksjonen kan utføres inne i en smart sender eller i en PLS, DCS eller flytdatamaskin. Det skal normalt ikke påføres to ganger. EmersonsDP flow engineering guidebemerker spesifikt at kvadratisk-rotutvinning kan utføres i senderen eller andre steder i kontrollsystemet og advarer mot å utføre det begge steder.

Det resulterende signalet kan også akkumuleres av enstrømningstellernår applikasjonen krever totalt volum eller masse over tid.

Hva går inn i den faktiske åpningsstrømligningen?

Kvadratrot-relasjonen forklarer prinsippet, men er ikke en komplett teknisk størrelseslikning. Faktiske beregninger tar hensyn til geometrien og oppførselen til det primære elementet og egenskapene til væsken.

Viktige variabler inkluderer:

• åpningsdiameter;
• rør innvendig diameter;
• differensialtrykk;
• væsketetthet;
• utslippskoeffisient;
• beta-forhold;
• Reynolds nummer;
• ekspansjonsfaktor for komprimerbare væsker.

Utslippskoeffisient

Utløpskoeffisienten, vanligvis representert ved C, står for forskjellen mellom en idealisert strømningsberegning og faktisk strømning gjennom begrensningen. Den er påvirket av geometrien og strømningsregimet, og derfor kan en standard åpningsplate ikke erstattes med et tilnærmet likt hull og forventes å gi samme beregningsgrunnlag.

Platekantens tilstand har også betydning. Avrunding, avleiringer, erosjon eller mekanisk skade kan endre den lokale strømningsatferden og derfor påvirke måleytelsen.

Utvidelsesfaktor

For væsker er tetthetsendringer gjennom differensialtrykkelementet ofte små nok til å behandle væsken som i det vesentlige inkompressibel for den aktuelle beregningen. Gass og damp oppfører seg forskjellig.

Når et komprimerbart fluid passerer gjennom restriksjonen, er trykkendringer ledsaget av tetthetsendringer. Ekspansjonsfaktoren står for denne effekten i gjeldende åpningsberegning. Dette er en grunn til at dimensjonering av gass og damp krever mer prosessinformasjon enn bare rørdiameter og maksimal strømning.

Hva er betaforhold og hvorfor betyr det noe?

Beta-forhold, skrevet som , er forholdet mellom åpningens diameter og rørets innvendige diameter:

= d / D

hvor d er åpningens diameter og D er oppstrøms rørets indre diameter.

En mindre boring i forhold til røret skaper en sterkere restriksjon og gir generelt mer differensialtrykk ved en gitt strømning. En større boring gir mindre differensialtrykk og vanligvis mindre permanent trykktap.

Det betyr ikke at enten et veldig lite eller veldig stort betaforhold automatisk er bedre. Beta-forholdet samhandler med Reynolds tall, utladningskoeffisient, tilgjengelig DP, usikkerhet og installasjonsfølsomhet. Den bør beregnes ut fra faktiske prosessforhold i stedet for bare å velges for å skape et praktisk senderspenn.

Hvilket trykkarrangement brukes?

ISO 5167-2:2022 dekker standard åpningsplater som brukes med flenskraner, hjørnekraner og D- og D/2-kraner. Deoffisiell ISO 5167-2-spesifikasjondefinerer også geometri, installasjon og driftsforhold for standardplater som brukes i hele sirkulære rør.

Flenskraner

Trykkforbindelser er plassert i flensene med standardiserte avstander nær platen. Dette er en vanlig industriell ordning.

Hjørnekraner

Trykket avføles umiddelbart ved siden av oppstrøms- og nedstrømsflatene av platen.

D og D/2 kraner

Oppstrømskranen er plassert en rørdiameter oppstrøms, mens nedstrømskranen er plassert på en halv rørdiameter nedstrøms.

Disse arrangementene gir ikke bare tre forskjellige måter å koble til slanger på. Tappeplassering endrer differensialtrykket som måles, så tappekonfigurasjonen må samsvare med beregningsmetoden som brukes for å bestemme strømning.

Hva påvirker Orifice Flow Meters nøyaktighet og måleusikkerhet?

Det er mer nyttig å tenke på usikkerheten til det komplette målesystemet enn å tildele ett generisk nøyaktighetsnummer til hver åpningsmåler.

Primærelementgeometri

Boringsdiameter, plateflathet, tykkelse, skarp-kanttilstand og rørdiameter påvirker alle primærmålingen. En plate produsert riktig, men installert baklengs kan også gi et resultat utenfor det tiltenkte designgrunnlaget.

Flytprofil

Albuer, delvis åpne ventiler, reduksjonsrør og andre beslag kan skape virvel- eller asymmetriske hastighetsprofiler. Effekten avhenger av forstyrrelsen, dens avstand fra platen og målerens geometri.

Dette er grunnen til at det ikke er noen nyttig universell utsagn om at hver åpningsmåler trenger nøyaktig samme antall rørdiametre oppstrøms. Standard installasjonskrav bør kontrolleres for den faktiske rørkonfigurasjonen.

Reynolds nummer

Reynolds nummer beskriver forholdet mellom treghets- og viskøse effekter i den strømmende væsken. Fordi utslippskoeffisienten er relatert til strømningsregime, utgjør Reynolds tall en del av de standardiserte beregnings- og anvendelighetsgrensene.

ISO 5167-2 spesifiserer definerte driftsforhold og bruksgrenser i stedet for å behandle platekoeffisienten som uavhengig av strømningsregimet.

DP-senderspenn

En sender som yter godt nær det utformede driftsområdet kan bidra proporsjonalt mer usikkerhet når differensialtrykket blir svært lite.

Dette har betydning fordi DP synker raskt når flyten avtar. Hvis strømningen er 30 % av dimensjonerende strømning, er differensialtrykket bare ca. 9 % av den tilsvarende dimensjonerende DP under det forenklede kvadratforholdet.

Lav-flytytelse avhenger derfor av mer enn den nominelle sendernøyaktigheten som er skrevet ut på et dataark.

Trykkkraner og impulslinjer

Blokkerte kraner, lekkasjer, ulik væskehode, innestengt gass eller kondensat kan produsere et falskt differensialtrykk før senderen i det hele tatt behandler signalet.

Dette er grunnen til at det ofte er mer nyttig å sjekke hele trykkbanen enn å umiddelbart rekalibrere senderen når en avlesning blir ustabil.

Væsketetthet og kompensasjon

For skiftende gass- eller dampforhold kan tettheten variere nok til å påvirke beregnet strømning. Et multivariabelt system kan inkludere statisk trykk og temperatur slik at beregningen reflekterer skiftende prosessforhold.

Kalibrering er fortsatt en del av den overordnede-målingsadministrasjonsprosessen. Nettstedets guide påhvordan kalibrere en strømningsmålergir ytterligere bakgrunn, mens trykkinstrumentering kan trenge sin egen dokumentertetrykktransmitter kalibreringsintervall.

Hvor brukes åpningsmålere?

Væskestrøm

Åpningsplater kan måle mange rene,-enfasede væsker når trykktap og installasjonsforhold er akseptable. Vann, prosessvæsker og hydrokarboner er vanlige eksempler.

Skitne væsker krever mer forsiktighet. Avleiringer kan endre boringsgeometrien, mens faste stoffer kan erodere kanten eller hindre trykktapper.

Gassstrøm

Differensial-trykkmåling er også mye brukt for gass. Komprimerbarhet og tetthetsvariasjon må imidlertid vurderes. Et system beregnet på å rapportere standard volum eller massestrøm kan trenge trykk- og temperaturkompensasjon i tillegg til DP.

Lesere som vurderer gassapplikasjoner kan fortsette med nettstedetsindustriell gassstrømmålingressurser.

Steam Flow

Damp er et viktig DP-flow-program fordi det primære elementet ikke har noen roterende målemekanisme som er utsatt for prosessen med høye-temperaturer.

Den vanskelige delen er ofte ikke platen, men trykkmålesystemet. I konvensjonelle våte-benarrangementer bør kondensatet i impulsledningene håndteres slik at begge sider har et stabilt og sammenlignbart trykkhode til senderen. Dårlig linjehelling, ujevne kondensatben eller damp som kommer inn i senderen kan skape måle- og pålitelighetsproblemer.

Damptettheten endres også med driftstilstanden, så et system som brukes over et bredt trykk- eller temperaturområde kan kreve kompensasjon. Alternative dampteknologier er omtalt på nettstedetdampstrømmålerdel.

Når er en åpningsplate et dårlig valg?

Et åpningssystem er attraktivt fordi det primære elementet er enkelt og standardisert, men avveiningene er viktige.-

• Høy tapskostnad for permanent trykk{{0}:hvis pumpe- eller kompressorenergi er kritisk, kan et annet primærelement gi bedre trykkgjenvinning.
• Slipende eller avleiring-dannende væske:kanterosjon og blokkerte kraner kan undergrave målingen.
• Veldig bredt driftsområde:lav flyt gir svært liten DP, noe som kan gjøre hele systemet mindre egnet enn annen teknologi.
• Sterk pulsering:standard ISO 5167-2 omfang utelukker pulserende strømning.
• Dårlig oppstrøms rørføring:kraftig virvling eller hastighet-profilforvrengning kan gjøre en standardinstallasjon upraktisk uten redesign.
• Direkte massestrøm nødvendig:et åpningssystem krever vanligvis ytterligere informasjon om trykk, temperatur og tetthet i stedet for å måle masse.

Orifice vs Venturi, Vortex, Turbine og Coriolis

A Venturi flowmålerer spesielt verdt å sammenligne når permanent trykktap er viktig. De gradvis konvergerende og gjenvinningsseksjonene beholder normalt mer trykk enn den brå ekspansjonen nedstrøms for en åpning.

For steam- eller verktøytjeneste, sammenlign applikasjonen med envirvelstrømningsmåler. For rene væsker der en mekanisk rotor er akseptabel,turbinstrømningsmålerområdegir en annen målemetode. Der direkte massestrøm er prioritet, nettstedets guide tilCoriolis strømningsmåler arbeidsprinsippforklarer en fundamentalt annen metode.

Konduktive væsketjenester kan også rettferdiggjøre sammenligning med enelektromagnetisk strømningsmåler, spesielt når det er ønskelig å eliminere en påtrengende restriksjon.

Hvordan velge en åpningsmåler

En nyttig spesifikasjon begynner med prosessen, ikke med flensstørrelsen.

1. Identifiser væsken og fasen.Oppgi om prosessen er væske, gass eller damp og om den forblir enfaset under driftsforhold.
2. Gi minimum, normal og maksimal flyt.En enkelt designflyt er ikke nok til å evaluere lav-flyt-DP eller nødvendig rekkevidde.
3. Definer trykk og temperatur.Inkluder normale og designmessige forhold. Gass- og dampberegninger kan også trenge disse verdiene for tetthetskompensasjon.
4. Bekreft rørets innvendige diameter.Nominell rørstørrelse er ikke alltid tilstrekkelig for en nøyaktig beregning av primære-elementer.
5. Bestem tillatt permanent trykktap.Dette kan bli en livssyklus-energibegrensning i stedet for bare et instrumenteringsproblem.
6. Velg plategeometri og materiale.Vurder væskerenhet, korrosjon, temperatur og gjeldende standarder.
7. Etabler beta-forhold og design DP.Disse bør beregnes sammen i stedet for å velges uavhengig.
8. Velg ønsket kranarrangement.Kranene skal stemme overens med beregningsgrunnlaget.
9. Størrelse på DP-senderen.Evaluer forventet DP over det virkelige driftsområdet, ikke bare ved maksimal strømning.
10. Definer kompensasjon og utgang.Bestem om systemet trenger kvadratisk-rotutvinning, totalisering, trykk-/temperaturkompensasjon eller masse-strømberegning.
11. Sjekk røroppsettet.Gjennomgå oppstrømsforstyrrelser, krav til rett-kjøring, senderplassering og impulslinje-ruting før du fullfører designet.

Vanlige installasjons- og igangsettingsfeil

Emerson beskriver DP-strømningssystemer som en kombinasjon av primærelementet, differensialtrykktransmitter og støttekomponenter som impulsrør, ventiler og koblinger. Denne system-nivåvisningen er nyttig under feilsøking fordi en god plate ikke kan korrigere et dårlig trykksignal. Se Emersonsdifferensialtrykkstrømningsoversiktfor ytterligere teknisk bakgrunn.

Ofte stilte spørsmål

Er en åpningsmåler en differensialtrykkstrømmåler?

Ja. Åpningsplaten skaper en kontrollert trykkforskjell, og målesystemet bruker den DP til å bestemme strømningen.

Hvorfor varierer strømningen med kvadratroten av differensialtrykket?

For fast geometri og stabile væskeforhold varierer differensialtrykket omtrent med kvadratet på strømningen. Den beregnede strømmen varierer derfor med kvadratroten av DP.

Hva er den største ulempen med en åpningsmåler?

Permanent trykktap er en av hovedavveiningene-. Den brå restriksjonen og nedstrøms strømningsseparasjonen sprer energi som ikke er fullstendig gjenvunnet.

Hva er beta ratio?

Beta-forhold er åpningens diameter delt på rørets innvendige diameter. Det påvirker generert DP, utslippsadferd, trykktap og gjeldende dimensjoneringsforhold.

Kan en åpningsmåler måle damp?

Ja. Det primære elementet er godt egnet for høy-temperaturservice, men nøyaktig dampmåling avhenger også av damptilstand, tetthetsberegning, trykk- og temperaturinformasjon og korrekt impulsledning-installasjon.

Krever hver åpningsplate samme rette rørlengde?

Nei. Kravet avhenger av oppstrømsforstyrrelsen, betaforhold, røropplegg og gjeldende beregningsstandard. Et enkelt rett-nummer skal ikke brukes på hver installasjon.

Hvor ofte bør en åpningsmåler kalibreres?

Det er ikke noe universelt intervall for hele systemet. Kalibreringsfrekvensen bør gjenspeile målingskritisitet, senderstabilitet, serviceforhold, vedlikeholdshistorikk og kvalitets-systemkrav. Plateinspeksjon og trykk-banesjekker er atskilt fra senderkalibrering.

Kan ISO 5167 brukes for alle åpninger?

nr. ISO 5167-2 definerer et spesifikt omfang for standardiserte åpningsplater og driftsforhold. I følge det offisielle standardsammendraget gjelder det for hele rør, spesifiserte trykk-uttaksarrangementer, enfaset subsonisk strømning og definerte størrelser og Reynolds-tallområder; pulserende strøm er utenfor det angitte omfanget.

Konklusjon

En åpningsmåler konverterer en kontrollert hydraulisk restriksjon til et differensialtrykk som kan relateres til strømning. Platen skaper hastigheten og trykkendringen, trykkuttak overfører de resulterende signalene, og DP-transmitteren eller kontrollsystemet utfører konverteringen som trengs for strømningsindikasjon og totalisering.

Pålitelig måling avhenger av hele systemet. Betaforhold, utslippskoeffisient, Reynolds-tall, væsketetthet, platetilstand, strømningsprofil, trykkuttaksarrangement, transmitterspenn og kompensasjon påvirker alle sluttresultatet.

For en ny applikasjon, definer væske, fase, driftsstrømområde, trykk, temperatur, rør-ID, tillatt trykktap og nødvendig måleytelse før dimensjonering av platen. Kontroller deretter at røropplegget og senderen kan støtte forventet DP-område. Den prosessen gjør det mye lettere å avgjøre om en åpningsmåler er passende eller om Venturi-, vortex-, turbin-, elektromagnetisk eller Coriolis-teknologi gir en bedre passform.