Wann benötigen Sie eine Temperatur- oder Druckkompensation für eine genaue Durchflussmessung?

Dralldurchflussmesser Messen Sie den Volumen- oder Massendurchfluss von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf, indem Sie eine kontrollierte Wirbelbewegung in der strömenden Flüssigkeit erzeugen und die Frequenz sekundärer Strömungsschwingungen erfassen, die genau mit der Strömungsgeschwindigkeit korrelieren. Sie nehmen in der industriellen Durchflussmessung eine klar definierte Stellung ein: robuster und toleranter gegenüber verschmutzten Flüssigkeiten als Wirbelzähler, genauer über einen größeren Durchflussbereich als Differenzdruckgeräte und bei vielen Prozessbedingungen deutlich wirtschaftlicher zu installieren und zu warten als Coriolis- oder Magnetzähler. Insbesondere für die Dampfdurchflussmessung hat sich der Wirbeldurchflussmesser aufgrund seiner Kombination aus Genauigkeit, geringem Wartungsaufwand und Kompatibilität mit den anspruchsvollen Temperatur- und Druckbedingungen von Dampfverteilungs- und Energiemanagementsystemen zu einem weithin akzeptierten primären Messgerät entwickelt.

Die direkte Antwort für Ingenieure, die die Spezifikationen von Wirbeldurchflussmessern bewerten, lautet: Ein einfacher Wirbeldurchflussmesser misst nur den Volumendurchfluss, was für Flüssigkeitsanwendungen mit im Wesentlichen konstanter Dichte ausreichend ist. Bei Gasen und Dämpfen, bei denen sich die Dichte sowohl mit der Temperatur als auch mit dem Druck erheblich ändert, reicht die Messung des Volumenstroms allein nicht aus, um den Massendurchfluss oder den Energiedurchfluss genau zu bestimmen. Ein Wirbeldurchflussmesser mit Temperaturkompensation fügt einen Temperatursensor hinzu und wandelt den gemessenen Volumenstrom mithilfe der temperaturabhängigen Flüssigkeitsdichte in einen Massendurchfluss um. Ein Dralldurchflussmesser mit Druckkompensation fügt für den gleichen Zweck einen Drucksensor hinzu. Ein vollständig kompensiertes Modell mit Temperatur- und Drucksensoren berechnet den Massendurchfluss in Echtzeit aus der gemessenen Kombination aus Volumendurchfluss, Temperatur und Druck. Dies ist die Konfiguration, die für eine genaue Dampfenergiemessung und den eichpflichtigen Gasverkehr erforderlich ist. In diesem Artikel wird erläutert, wie die einzelnen Konfigurationen funktionieren, wo sie angewendet werden und welche Spezifikationen die Auswahl bestimmen.

Funktionsweise eines Dralldurchflussmessers: Funktionsprinzip und Durchflusserkennung

Der Wirbeldurchflussmesser arbeitet nach dem Prinzip, ein stabiles Rotationsströmungsmuster innerhalb des Zählerkörpers zu erzeugen und die Frequenz sekundärer Strömungsschwingungen zu erfassen, die aus der Wechselwirkung zwischen dieser Wirbelströmung und der Zählergeometrie resultieren. Der Betriebsablauf besteht aus drei verschiedenen Phasen: Wirbelerzeugung, Schwingungsbildung und Frequenzerkennung.

Wirbelerzeugung durch den Einlasswirbler

Wenn Flüssigkeit in den Durchflussmesser eintritt, passiert sie eine feste Wirbelerzeugeranordnung, die aus abgewinkelten Flügeln besteht, die radial um die Rohrachse angeordnet sind. Diese Flügel verleihen der Flüssigkeit einen Drehimpuls und wandeln die axiale Strömung in ein spiralförmiges, rotierendes Strömungsmuster innerhalb der Messbohrung um. Der Drallerzeuger ist ein passives Element, das zu diesem Zeitpunkt keinen Strom und keine beweglichen Teile benötigt, was einer der Hauptgründe für die lange Lebensdauer und den geringen Wartungsaufwand des Drall-Durchflussmessers ist.

Sekundäre Schwingungsbildung in der Deswirl-Zone

Stromabwärts des Verwirblers gelangt die rotierende Strömung in einen expandierenden Abschnitt und strömt dann über ein Entwirblerelement, das die Rotation teilweise aufheben soll. Die Wechselwirkung zwischen der rotierenden Restströmung und dem Entwirbler erzeugt eine präzedierende Sekundärbewegung, eine Art Wirbelpräzession, bei der der verwirbelte Strömungskern mit einer Frequenz um die Rohrachse schwingt, die direkt proportional zum Volumenstrom ist. Diese Präzessionsbewegung ist das primär messbare Phänomen des Drall-Durchflussmessers. Die Strouhal-Beziehung, die den Ausgang des Wirbeldurchflussmessers bestimmt, legt fest, dass die Oszillationsfrequenz dividiert durch die Strömungsgeschwindigkeit eine dimensionslose Konstante (der K-Faktor des Messgeräts) über den angegebenen Betriebsbereich des Messgeräts ist, typischerweise im Reynolds-Zahlenbereich von 20.000 bis zu mehreren Millionen. Diese lineare Beziehung zwischen Frequenz und Strömungsgeschwindigkeit macht den Wirbeldurchflussmesser zu einem zuverlässigen und präzisen Messgerät über einen weiten Durchflussbereich ohne die nichtlinearen Korrekturen, die bei Differenzdruckgeräten erforderlich sind.

Erkennungsmethoden: Piezoelektrische und kapazitive Sensoren

Die oszillierende Strömungsbewegung wird von einem oder mehreren im Messgerätegehäuse angebrachten Sensoren erfasst. Zwei Erkennungstechnologien werden häufig verwendet:

• Piezoelektrische Sensoren: Erfassen Sie die periodischen Druckschwankungen oder mechanischen Vibrationen, die durch die präzedierende Strömung am Sensorstandort erzeugt werden. Piezoelektrische Sensorelemente erzeugen ein Spannungssignal, dessen Frequenz mit der Schwingungsfrequenz des Durchflusses übereinstimmt, das die Signalverarbeitungselektronik in eine Durchflussrate umwandelt. Diese Sensoren sind robust, reagieren schnell und eignen sich für Hochtemperatur-Dampfanwendungen, bei denen die Sensorbetriebstemperaturen bei entsprechender Sensorisolierung 250 Grad Celsius oder mehr erreichen können.
• Kapazitive Sensoren: Erkennen Sie Änderungen in der Kapazität eines Sensorelements, wenn der oszillierende Fluss das Element zyklisch auslenkt. Die kapazitive Erkennung eignet sich besonders gut für Niederdruck-Gasanwendungen, bei denen die Strömungsoszillationsenergie gering ist und piezoelektrische Sensoren möglicherweise ein unzureichendes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen, was in einigen Designs eine stabile Erkennung bei Strömungsgeschwindigkeiten von nur 0,5 Metern pro Sekunde ermöglicht.

Das von beiden Sensortypen ausgegebene Signal ist ein Frequenzsignal, das linear proportional zum Volumendurchfluss ist. Aus diesem Signal berechnet die Elektronik den momentanen Durchfluss, das Gesamtvolumen und mit entsprechender Kompensation den Massendurchfluss und den Energiefluss. Typische Spezifikationen für Wirbeldurchflussmesser umfassen eine Genauigkeit von plus/minus 1,0 bis 1,5 Prozent des Messwerts über das Turndown-Verhältnis, wobei Turndown-Verhältnisse je nach Flüssigkeit und Betriebsbedingungen 10:1 bis 25:1 betragen.

Temperaturkompensation in Drall-Durchflussmessern: Warum sie benötigt wird und wie sie funktioniert

Ein Wirbeldurchflussmesser, der den Volumenstrom misst, erzeugt einen Ausgang in Kubikmetern pro Stunde (oder äquivalenten Einheiten), der das Flüssigkeitsvolumen, das pro Zeiteinheit durch den Zähler fließt, genau wiedergibt. Bei Flüssigkeiten mit im Wesentlichen konstanter Dichte, wie z. B. Wasser bei moderaten Temperaturen, ist dieser volumetrische Messwert direkt proportional zum Massendurchfluss, da sich die Dichte über den Betriebsbereich hinweg nicht wesentlich mit der Temperatur ändert. Bei Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten mit stark temperaturabhängiger Dichte ändert sich jedoch die durch einen bestimmten Volumenstrom repräsentierte Flüssigkeitsmasse erheblich mit der Temperatur, sodass die volumetrische Messung allein für eine genaue Prozesssteuerung oder Energiebilanzierung nicht ausreicht.

Wie sich die Gas- und Dampfdichte mit der Temperatur ändert

Für ein ideales Gas bei konstantem Druck ist die Dichte umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur: Ein Gas bei 200 Grad Celsius (473 Kelvin) hat eine Dichte von etwa 62 Prozent des gleichen Gases bei 20 Grad Celsius (293 Kelvin) und dem gleichen Druck. Bei praktischen industriellen Gasmessanwendungen schwankt die Prozessgastemperatur üblicherweise um 50 bis 150 Grad Celsius um einen Nennbetriebspunkt, wenn sich die Prozesslasten ändern, die Umgebungstemperaturen saisonal variieren oder sich die Betriebsbedingungen ändern. Ohne Temperaturkompensation würde ein Wirbeldurchflussmesser, der Erdgas oder Druckluft bei einer Nenntemperatur von 150 Grad Celsius misst, bei einer Abweichung der Prozesstemperatur von plus oder minus 20 Grad Celsius einen Massendurchfluss-Messfehler von etwa 15 Prozent aufweisen, was für Anwendungen im eichpflichtigen Verkehr, bei der Energieabrechnung oder bei Prozesssteuerungsanwendungen, die eine Genauigkeit von mehr als 2 bis 3 Prozent erfordern, eindeutig inakzeptabel ist.

Wie die Temperaturkompensation implementiert wird

A Temperaturkompensierter Dralldurchflussmesser integriert einen Widerstandstemperaturdetektor (RTD), typischerweise ein Pt100- oder Pt1000-Element, das entweder im Gehäuse des Messgeräts direkt im Flüssigkeitsstrom oder in einem Schutzrohr neben dem Messgerät montiert ist. Das Temperatursignal wird kontinuierlich dem Signalprozessor des Messgeräts zugeführt, der anhand der gemessenen Temperatur und einer im Prozessor gespeicherten Flüssigkeitseigenschaftsdatenbank die tatsächliche Flüssigkeitsdichte unter den Messbedingungen berechnet. Der Volumendurchfluss aus dem Frequenzsignal wird dann mit dieser berechneten Dichte multipliziert, um eine Massendurchflussausgabe in Echtzeit zu erzeugen. Gleichzeitig verfolgt der integrierte oder summierte Massendurchflussspeicher die gesamte Flüssigkeitsmasse, die durch das Messgerät geflossen ist. Dies ist die Menge, die für die Abrechnung, Energieabrechnung und Chargenprozesssteuerung erforderlich ist.

Bei Dampfanwendungen, bei denen die Beziehung zwischen Temperatur, Druck und Dichte den IAPWS IF97-Dampftabellen und nicht einem idealen Gasgesetz folgt, greift der Prozessor des Temperaturkompensations-Drall-Durchflussmessers auf eine Dampfeigenschaftsdatenbank zu, die auf diesen international anerkannten Standardtabellen basiert, und interpoliert Dichtewerte für jede gemessene Temperatur bei dem angegebenen Betriebsdruck. Bei gesättigtem Dampf bei konstantem Druck bestimmt allein die Temperatur eindeutig alle thermodynamischen Eigenschaften, einschließlich Dichte und spezifischer Enthalpie, sodass ein Messgerät mit reiner Temperaturkompensation sowohl Massendurchfluss als auch Energiedurchfluss (in Kilowatt oder Megawatt) liefern kann, ohne dass ein Drucksensor erforderlich ist, vorausgesetzt, der Systemdruck ist stabil und gut charakterisiert.

Druckkompensation in Dralldurchflussmessern: Anwendungen und Konfiguration

Die Druckkompensation befasst sich mit der zweiten großen Variablen, die die Flüssigkeitsdichte bei der Messung kompressibler Strömungen beeinflusst. Bei Gasen mit konstanter Temperatur ist die Dichte direkt proportional zum absoluten Druck: Druckluft bei 6 bar absolut hat ungefähr die sechsfache Dichte derselben Luft bei 1 bar absolut, was bedeutet, dass ein Volumenstrom von 100 Kubikmetern pro Stunde bei 6 bar absolut ungefähr 600 Kubikmetern pro Stunde unter Standardbedingungen entspricht (oft definiert als 0 Grad Celsius oder 15 Grad Celsius und 1,01325 bar absolut). Die Umrechnung des tatsächlichen Volumenstroms in den Standardvolumenstrom oder Massenstrom erfordert die Kenntnis des tatsächlichen Betriebsdrucks, der die Funktion des Druckausgleichssystems darstellt.

Drucksensorintegration und Signalverarbeitung

A Dralldurchflussmesser mit Druckkompensation Integriert einen Absolutdrucktransmitter oder Relativdrucktransmitter (mit im Prozessor angewendeter Atmosphärendruckkorrektur), der entweder direkt am Messgerätegehäuse oder in der angrenzenden Prozessleitung montiert ist. Das Drucksignal wird demselben Signalprozessor zugeführt, der auch das Strömungsfrequenzsignal empfängt, sodass der Prozessor die tatsächliche Gasdichte aus dem gemessenen Druck berechnen kann (und, wenn auch die Temperatur gemessen wird, aus Druck und Temperatur gleichzeitig).

Für Anwendungen mit überhitztem Dampf sind sowohl Temperatur als auch Druck erforderlich, um den thermodynamischen Zustand und damit die Dichte und Enthalpie des Dampfes vollständig zu definieren: Überhitzter Dampf bei einem bestimmten Druck kann in einem weiten Bereich von Temperaturen und Dichten vorliegen, sodass weder ein reines Temperatur- noch ein reines Druckkompensationssystem eine genaue Massendurchflussmessung über den gesamten Betriebsbereich ermöglichen kann. Ein vollständig kompensierter Wirbeldurchflussmesser mit Temperatur- und Druckeingängen ist die richtige Spezifikation für die Messung von überhitztem Dampf in allen Anwendungen, bei denen Prozesstemperatur und -druck während des Betriebs unabhängig voneinander variieren.

Berechnung des Standardvolumenstroms für komprimierte Gase

Bei Anwendungen zur Druckgasmessung, einschließlich Erdgasverteilung, Druckluftüberwachung und industrieller Prozessgasmessung, wird die erforderliche Leistung häufig in Standardkubikmetern pro Stunde (Sm3/h) oder Normalkubikmetern pro Stunde (Nm3/h) und nicht im Massendurchfluss in Kilogramm pro Stunde ausgedrückt. Der Standard- oder Normalvolumenstrom stellt das äquivalente Volumen dar, das das Gas bei definierten Referenzbedingungen einnehmen würde (0 Grad Celsius und 1,01325 bar für Normalkubikmeter bzw. 15 Grad Celsius und 1,01325 Bar für Normkubikmeter). Der druck- und temperaturkompensierte Dralldurchflussmesser berechnet diesen Standardvolumenausgang direkt aus dem gemessenen tatsächlichen Volumenstrom, der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Druck und wendet dabei das ideale Gasgesetz oder eine reale Gaszustandsgleichung an, um die Gaskompressibilität zu berücksichtigen. Diese Standardvolumenausgabe ist die Abrechnungsmenge für die Erdgasversorgung, die Grundlage für die Berechnung der Prozessmaterialbilanz und die erforderliche Ausgabe für die behördliche Berichterstattung in vielen Gerichtsbarkeiten.

Vergleich der Konfigurationen von Drall-Durchflussmessern: Wann die einzelnen Typen angegeben werden sollten

Die folgende Tabelle fasst die drei Hauptkompensationskonfigurationen von Drall-Durchflussmessern, ihre Messausgänge und die Anwendungen zusammen, bei denen jede die richtige Wahl ist.

Dampfdurchflussmessung: Wo Dralldurchflussmesser mit Kompensation Excel

Die Dampfdurchflussmessung ist eine der anspruchsvollsten Anwendungen in der industriellen Durchflussinstrumentierung, da Dampf die Kompressibilität eines Gases mit phasenabhängigen thermodynamischen Eigenschaften kombiniert, die sich sowohl mit der Temperatur als auch mit dem Druck erheblich ändern, und das Messsystem bei erhöhten Temperaturen und Drücken in mechanisch und thermisch anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig funktionieren muss. Wirbeldurchflussmesser mit Temperatur- und Druckkompensation sind aus mehreren Gründen, die sie von konkurrierenden Technologien unterscheiden, zu einer bevorzugten Lösung für die Dampfdurchflussmessung im Energiemanagement, in der Prozessindustrie und in Fernwärmeanwendungen geworden.

Vorteile von Dralldurchflussmessern gegenüber Wirbeldurchflussmessern für Dampf

Sowohl Wirbel- als auch Wirbelzähler verwenden eine frequenzbasierte Durchflusserkennung und können mit einer Temperatur- und Druckkompensation für die Dampfmessung ausgestattet werden. Für Dampfanwendungen bietet der Dralldurchflussmesser mehrere praktische Vorteile:

• Untere Mindestströmungsgeschwindigkeit: Wirbeldurchflussmesser gewährleisten eine zuverlässige Signalerkennung bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten als Wirbeldurchflussmesser, da die durch den Wirbel erzeugte Schwingung bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit eine größere Amplitude aufweist als das Wirbelablösungssignal in den meisten Konstruktionen. Dadurch kann der Wirbelmesser die Dampfbedingungen bei geringer Last genau messen, was in Heizsystemen wichtig ist, in denen der Dampfbedarf zwischen Volllast- und Standby-Bedingungen stark schwankt.
• Toleranz gegenüber Nassdampf und Kondensatschwaden: Die robuste mechanische Konstruktion des Wirbelmessergehäuses, ohne das schlanke, stumpfe Körperhindernis, das das kritische Element eines Wirbelmessers darstellt, sorgt für eine bessere Toleranz gegenüber Nassdampfbedingungen und gelegentlichen Kondensatpfropfen, die den empfindlicheren Abscheiderstab eines Wirbelmessers beschädigen oder stören können.
• Großer Betriebsdruckbereich: Wirbeldurchflussmesser sind im Handel für Betriebsdrücke von 0,1 MPa bis 4 MPa und mehr erhältlich und decken den gesamten Bereich industrieller Dampfverteilungsdrücke ab, von Niederdruck-Heizsystemen bis hin zu Hochdruck-Prozessdampf.

Berechnung des Energieflusses aus temperatur- und druckkompensierten Drallmessgeräten

Wenn ein temperatur- und druckkompensierter Dralldurchflussmesser in einer Dampfversorgungsleitung installiert ist und auch die Kondensatrücklauftemperatur bekannt ist, kann der Zähler die vom Dampfsystem gelieferte Wärmeenergie in Echtzeit berechnen und summieren. Die Berechnung verwendet die IAPWS-IF97-Dampfeigenschaftentabellen, um die spezifische Enthalpie des Versorgungsdampfes aus der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Druck zu bestimmen, subtrahiert die spezifische Enthalpie des rücklaufenden Kondensats bei seiner gemessenen Temperatur und multipliziert die Enthalpiedifferenz mit dem gemessenen Massendurchfluss, um die Ausgangsleistung in Kilowatt zu erhalten. Diese Möglichkeit der direkten Energiemessung, ohne dass ein separater Energiezähler oder Durchflussrechner erforderlich ist, macht den temperatur- und druckkompensierten Wirbeldurchflussmesser zu einem umfassenden Instrument für das Dampfenergiemanagement, das Durchflussmessung, Dichtekompensation und Energieberechnung in einem einzigen Gerät vereint und so die Instrumentierung, die für die Einhaltung des ISO 50001-Energiemanagementsystems und die Kostenverteilung für die Dampfverteilung erforderlich ist, erheblich vereinfacht.

Installationsanforderungen und Spezifikationsparameter

Um die angegebene Genauigkeit zu erreichen, ist die korrekte Installation eines Drall-Durchflussmessers von entscheidender Bedeutung, da Drallmesser empfindlich auf das Geschwindigkeitsprofil der einströmenden Strömung reagieren. Ungleichmäßige Profile, die durch vorgeschaltete Armaturen, Ventile oder Biegungen verursacht werden, führen zu Fehlern in der Oszillationsfrequenz, die die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit nicht vollständig widerspiegeln, was zu Messungenauigkeiten führt.

Anforderungen an vor- und nachgelagerte gerade Rohre

Die Hersteller geben Mindestlängen gerader Rohre vor und nach dem Wirbeldurchflussmesser an, um sicherzustellen, dass sich das in den Zähler eintretende Geschwindigkeitsprofil vollständig entwickelt hat und frei von Wirbelkomponenten ist, die durch vorgeschaltete Armaturen eingeführt werden. Typische Anforderungen sind 3D eines geraden Rohrs stromaufwärts und 1D stromabwärts.

Orientierung und Kondensatableitung

Bei Dampfanwendungen sollte das Messgerät nach Möglichkeit in einem horizontalen Rohrabschnitt installiert werden, um eine Kondensatansammlung im Messgerätegehäuse zu verhindern, die zu unregelmäßigen Durchflusssignalen und Elementkorrosion führen würde. Wenn eine vertikale Installation erforderlich ist, sollte der Dampfstrom durch das Messgerät nach oben gerichtet sein, um den Abfluss von Kondensat aus dem Messabschnitt durch die Schwerkraft zu ermöglichen. Ein dem Messgerät nachgeschalteter Kondensatableiter sorgt für die Kondensatableitung und verhindert, dass sich Kondensat ansammelt und die Messzone überschwemmt.

Wichtige Spezifikationsparameter für die Auswahl eines Drall-Durchflussmessers

Bei der Spezifikation eines Drall-Durchflussmessers müssen die folgenden Parameter definiert werden, um sicherzustellen, dass das richtige Modell für die Anwendung ausgewählt wird:

1. Flüssigkeitstyp: Flüssigkeit, Gas oder Dampf (gesättigt oder überhitzt), da dies den erforderlichen Kompensationsgrad, die Auswahl des benetzten Materials und die anwendbare Datenbank mit den Flüssigkeitseigenschaften bestimmt.
2. Betriebsdruckbereich: Minimaler und maximaler Prozessdruck, der die Druckstufe des Messgerätegehäuses und den Bereich des Drucktransmitters bei kompensierten Modellen bestimmt.
3. Betriebstemperaturbereich: Minimale und maximale Prozesstemperatur, die die Temperaturbewertung der Messgerät- und Sensormaterialien bestimmt.
4. Durchflussbereich: Minimale und maximale Durchflussraten, die die erforderliche Zählergröße bestimmen und bestätigen, dass der gewünschte Durchflussbereich innerhalb des angegebenen Reynolds-Zahlenbereichs und Turndown-Verhältnisses des Zählers liegt.
5. Erforderliche Ausgabe: Nur Volumendurchfluss, Massendurchfluss, Standardvolumendurchfluss oder Energiedurchfluss, der die erforderliche Kompensationskonfiguration bestimmt.
6. Prozessanschluss: Für den Installationsort erforderlicher Rohrdurchmesser, Druckstufe und Flanschstandard (ASME, EN, JIS).
7. Ausgangssignal: Impulsausgang für Summierung, 4 bis 20 mA analog für Durchfluss, HART, Modbus oder Profibus für digitale Kommunikation mit dem Anlagensteuerungssystem.

Der Wirbeldurchflussmesser bietet in seinen verschiedenen Kompensationskonfigurationen eine zuverlässige, genaue und praktisch vielseitige Lösung für die Durchflussmessung in Anwendungen, die von der einfachen Flüssigkeitsmessung bis hin zu den anspruchsvollen Anforderungen der Dampfenergieabrechnung in industriellen Energiemanagementprogrammen reichen. Die Wahl zwischen einfachen, temperaturkompensierten, druckkompensierten und vollständig kompensierten Konfigurationen ist keine Frage der Budgetpräferenz, sondern der korrekten Anpassung des Messgeräts an die tatsächlichen physikalischen Bedingungen des Prozessmediums. Dies ist der einzige Ansatz, der die Genauigkeit und Zuverlässigkeit liefert, die für Durchflussmessungen in Energie- und Prozesssteuerungsanwendungen erforderlich sind.