Vortex 유량계 가이드: 압력 및 온도 보상

와류 유량계는 흐름 흐름에 배치된 절벽 몸체에 의해 발산되는 와류의 빈도를 감지하여 체적 유량을 측정합니다(폰 카르만 효과라고 알려진 원리). 증기, 압축 가스 또는 작동 조건에 따라 밀도가 크게 변하는 유체와 관련된 응용 분야의 경우 표준 와류 유량계만으로는 충분하지 않습니다. 압력 보상 및 온도 보상 변형은 추가 센서를 계기 본체에 직접 통합하여 질량 유량 또는 수정된 체적 유량을 실시간으로 계산하므로 외부 계측 및 수동 수정 계산이 필요하지 않습니다. 올바른 구성을 선택하는 것은 유체 유형, 필요한 정확도, 정상 작동 중에 압력, 온도 또는 둘 모두가 변하는지 여부에 따라 달라집니다.

와류 유량계의 작동 방식

A의 작동 원리 와류 유량계 잘 확립된 유체 역학 현상을 기반으로 합니다. 유체가 유선형이 아닌 장애물(블러프 바디 또는 셰더 바라고 함)을 지나 흐를 때 바디의 각 측면에 규칙적이고 반복되는 패턴으로 교번하는 소용돌이가 생성됩니다. 이 패턴을 von Kármán 소용돌이 거리라고 합니다.

이러한 와류가 발생하는 빈도는 유체 속도에 직접적으로 비례하며, 다음과 같은 세인트rouhal 관계식으로 표현됩니다.

f = St × V / d

어디에 f 는 와류 발산 주파수이고, St 무차원 스트롤 수(일반적으로 0.17~0.21 대부분의 허세 바디 디자인의 경우), V 는 유체 속도이고, d 블러프 바디의 너비입니다. 스트롤 수는 넓은 레이놀즈 수 범위에서 거의 일정하게 유지되므로 와류 주파수는 유속의 신뢰할 수 있는 선형 지표 역할을 합니다.

탐지 방법

소용돌이는 블러프 바디 내부 또는 근처에 내장된 여러 감지 기술 중 하나에 의해 감지되는 진동 압력 변동을 생성합니다.

• 압전 센서 : 가장 일반적인 유형입니다. 압전 결정체는 각 와류의 진동력에 반응하여 작은 전압 신호를 생성합니다. 이 센서에는 움직이는 부품이 없으며 증기 및 가스 서비스에서 신뢰성이 높습니다.
• 정전용량 센서 : 유연한 다이어프램을 이용하여 와류에 의해 발생하는 압력차를 감지합니다. 일부 압전 설계보다 진동 간섭에 덜 민감합니다.
• 초음파 센서 : 일부 고급 설계에서는 파이프 보어를 가로지르는 초음파 빔을 사용하여 와류로 인한 속도 변동을 감지하여 비침해적 측정이 가능합니다.

검출 방법에 관계없이 기본 와류 유량계의 출력은 체적 유량에 비례하는 주파수 펄스 신호 . 이를 질량 유량이나 표준화된 체적 유량으로 변환하려면 유체 밀도에 대한 지식이 필요하며, 여기서 보상 변형이 필수적입니다.

정확한 유량 측정을 위해 보상이 필요한 이유

와류 유량계의 펄스 출력은 작동 조건에서의 실제 체적 흐름, 즉 그 순간에 계기를 통과하는 실제 체적을 반영합니다. 밀도가 상대적으로 안정적인 많은 액체 응용 분야에서는 이 정도면 충분합니다. 하지만 가스, 증기 및 초임계 유체 , 체적 흐름과 질량 흐름 사이의 관계는 압력과 온도 모두에 매우 민감합니다.

두 가지 다른 압력의 포화 증기를 고려하십시오.

• 에 5바(절대) , 포화 증기의 밀도는 대략 2.67kg/m3
• 에 10bar(절대) , 포화 증기 밀도는 대략 5.16kg/m³

이 두 조건에서 동일한 체적 유량 판독값은 다음을 나타냅니다. 질량 흐름의 거의 두 배 5bar와 비교하여 10bar에서. 이러한 밀도 차이를 고려하지 않고 부피 출력에만 기반한 증기 에너지 청구 또는 공정 제어 시스템은 다음을 초과하는 오류를 발생시킵니다. 30~50% 다양한 압력 조건에서. 보상은 실시간 압력 및/또는 온도 데이터를 유량 컴퓨터에 공급하여 수정된 값을 지속적으로 계산함으로써 이 문제를 직접적으로 해결합니다.

압력 보상 소용돌이 유량계

A 압력 보상 와류 유량계 일반적으로 압저항 또는 정전용량형 압력 센서인 압력 트랜스미터를 와류 감지 요소와 함께 계기 본체에 통합합니다. 내부 유량 컴퓨터는 측정된 와류 주파수와 함께 실시간 압력 판독값을 사용하여 사전 로드된 속성 테이블에서 유체 밀도를 계산한 다음 실시간으로 질량 유량 또는 수정된 체적 유량을 도출합니다.

압력 보상만으로 충분한 경우

압력 보상은 유체 온도가 일정하거나 허용 가능한 허용 오차 내에서 일정하다고 가정할 수 있는 경우 적절하고 충분합니다. 가장 일반적인 시나리오는 포화 증기 서비스 : 포화 증기는 주어진 압력에 대해 고정된 온도로 존재하기 때문에 압력 측정만으로 유체의 열역학적 상태를 완전히 정의할 수 있습니다. 밀도를 결정하기 위해 별도의 온도 측정이 필요하지 않습니다.

추가로 적합한 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 공급 온도는 상대적으로 안정적이지만 라인 압력은 압축기 주기에 따라 달라지는 압축 공기 시스템
• 가변 헤더 압력을 사용하여 거의 주변 온도에서 질소 또는 불활성 가스 분포
• 온도 변화가 적은 천연가스 측정(기준값의 ±10°C 이내)

일반적인 사양

시중에서 판매되는 대부분의 압력 보상 와류 유량계는 다음 등급의 통합 압력 센서를 갖추고 있습니다. 0~4MPa 또는 0~10MPa , 일반적으로 압력 측정 정확도 ±0.5%FS . 보상 후 결합된 유량 측정 불확도는 일반적으로 다음 범위에 있습니다. ±1.0~1.5% 액체의 체적 흐름을 측정하는 와류 요소의 경우 ±0.5~1.0%에 비해 증기 및 가스에 대한 판독값은 ±0.5~1.0%입니다.

온도 보상 와류 유량계

A 온도 보상 와류 유량계 저항 온도 감지기(RTD)를 통합합니다. 가장 일반적으로 Pt100 또는 Pt1000 클래스 A 센서 — 미터 또는 바로 위/아래 동반 피팅에 연결됩니다. 온도 신호는 유체 특성 데이터를 사용하여 밀도를 도출하고 질량 또는 수정된 흐름을 계산하는 동일한 내부 흐름 컴퓨터에 공급됩니다.

온도 보상만 사용하는 경우

온도 전용 보상은 압력 전용 또는 결합 보상보다 덜 일반적이지만 합법적인 적용이 있습니다.

• 압력은 일정하지만 온도는 가변적인 액체 흐름 : 파이프 압력은 조절되지만 온도는 공정 부하에 따라 달라지는 온수 회로, 열유 시스템 및 냉각수 루프
• 알려진 안정적인 공급 압력에서의 가스 흐름 : 압력 조절기가 상류 압력을 단단히 유지하지만 주변 온도나 공정 온도가 계절이나 일별에 따라 변하는 경우
• 규제된 압력에서 가스의 상거래용 : 계약이나 규정에 의해 압력이 고정되어 있고 온도만 능동적인 모니터링이 필요한 경우

RTD 배치 및 응답 시간

RTD는 일반적으로 위치가 지정된 써모웰(Thermowell)에 설치됩니다. 하류 파이프 직경 3–5 측정 지점에서 유량 프로파일을 방해하지 않도록 와류식 유량계 본체를 사용하십시오. Thermowell 설계가 중요합니다. 벽이 두꺼운 Thermowell은 열 지연을 증가시켜 급격한 온도 변화 중에 일시적인 오류가 발생할 수 있습니다. 온도 변화가 빠른 공정의 경우 팁이 감소된 또는 빠른 반응을 보이는 써모웰 5초 미만의 응답 시간을 권장합니다.

결합된 압력 및 온도 보상 와류 유량계

가장 유능하고 광범위하게 지정된 변형은 압력 및 온도 센서를 단일 계기 어셈블리에 통합합니다. 두 변수에 동시에 액세스하면 내부 흐름 컴퓨터가 유체의 전체 상태 방정식을 적용할 수 있습니다. 작동 조건에 대한 가정 없이 실제 질량 유량 계산 .

이 구성은 다음의 경우 필수입니다.

• 과열 증기 : 포화증기와 달리 과열증기는 주어진 압력에 대해 포화곡선 이상의 온도에 존재합니다. 압력과 온도는 모두 독립적으로 변하며 증기표에서 밀도를 결정하려면 둘 다 측정해야 합니다.
• 천연가스 상거래 : 천연가스 측정에 대한 AGA(미국가스협회) 및 ISO 표준에서는 압력과 온도를 모두 사용하여 기본 조건에 대한 보정이 필요합니다.
• 가변 공정 가스 : 구성 및 작동 조건이 모두 변동하는 혼합 가스 스트림, 바이오가스 또는 공정 오프가스
• 청구 또는 할당을 위한 증기 에너지 계량 : 부하 조건 변화에 따라 BTU 또는 kJ 출력을 정확하게 계산해야 하는 경우

Yokogawa(digitalYEWFLO 시리즈), Endress Hauser(Prowirl F 200) 및 Emerson(Rosemount 8800D MultiVariable)과 같은 제조업체는 단일 프로세스 연결에서 와류 주파수, 압력 및 온도를 측정하고 HART, FOUNDATION Fieldbus 또는 Modbus 프로토콜을 통해 질량 유량을 직접 출력하는 완전히 통합된 다변수 와류 유량계를 제공합니다.

비교: 표준 대 보상형 와류 유량계

정확성에 영향을 미치는 설치 요구 사항

보상 구성에 관계없이 와류 유량계는 업스트림 배관 형상으로 인한 유량 프로필 왜곡에 민감합니다. 정격 정확도를 달성하기 위해 직접적인 요구 사항을 충족하는 것은 협상할 수 없습니다.

업스트림 및 다운스트림 직선형 파이프 요구 사항

다음의 직선 요구 사항은 표준 설치 조건에서 대부분의 와류 유량계에 적용됩니다. 실제 요구 사항은 제조업체 및 계기 설계에 따라 다릅니다.

진동 및 맥동 감도

Vortex 유량계는 센서가 진동하는 힘을 감지하기 때문에 본질적으로 기계적 진동에 취약합니다. 와류 발산 주파수에 가까운 주파수의 파이프라인 진동은 다음을 유발할 수 있습니다. 잘못된 펄스, 신호 드롭아웃 또는 불규칙한 판독값 . 대부분의 최신 디지털 신호 프로세서에는 와류 신호와 진동 소음을 구별하기 위한 적응형 필터링이 포함되어 있지만 압축기, 펌프 또는 증기 터빈 근처의 심각한 진동 환경은 주의 깊게 평가해야 합니다. 진동 차단 스풀 피스에 계기를 장착하거나 진동원에서 더 멀리 재배치하는 것이 실용적인 교정 전략입니다.

유량 범위 및 최소 유량 고려 사항

모든 와류 유량계에는 측정 가능한 최소 유속이 있습니다. 일반적으로 액체의 경우 0.5–1.0m/s 그리고 가스 및 증기의 경우 3–5m/s - 그 이하에서는 와류 발산이 불규칙해지고 신호를 신뢰할 수 없게 됩니다. 이 낮은 임계값을 종종 차단 속도 또는 최소 감지 가능한 유량이라고 합니다. 이 지점 아래에서는 유량계가 실제 유량에 관계없이 0을 출력하므로, 이는 폭넓은 턴다운 요구 사항이 있는 응용 분야에서 고려해야 합니다.

대부분의 와류 계측기의 실제 턴다운 비율은 다음과 같습니다. 10:1 ~ 20:1 , 코리올리스 또는 전자 유량계의 경우 100:1 이상과 비교됩니다. 낮은 부하에서 정기적으로 작동하는 증기 시스템의 경우(예: 공장 가동 중 또는 야간), 미터의 크기를 평균이 아닌 최대 예상 유량에 맞게 보수적으로 조정하지 않는 한 이러한 제한으로 인해 상당한 계량 간격이 발생할 수 있습니다.

유용한 크기 조정 규칙: 미터 크기를 선택합니다. 가스/증기의 경우 정상 작동 유속은 3~15m/s입니다. 그리고 between 1 and 7 m/s for liquids. This ensures the operating point stays well within the linear range while leaving headroom for flow surges.

올바른 와류 유량계 구성 선택

귀하의 응용 분야에 적합한 와류 유량계 변형을 식별하려면 다음 결정 기준을 사용하십시오.

1. 유체 위상과 변동성을 식별하세요. : 안정된 상태의 액체 → 표준 와류. 가변 압력의 포화 증기 또는 가스 → 압력 보상. 과열 증기, 천연 가스 또는 압력과 온도 변화가 모두 있는 모든 가스 → 결합된 P T 보상.
2. 질량 유량이 필요한지 체적 유량이 필요한지 결정 : 에너지 청구, 상거래 및 연소 제어에는 일반적으로 대량 흐름이 필요합니다. 탱크 충전 또는 공정 배치에는 체적 유량만 필요할 수 있으며, 이 경우 표준 또는 단일 보상 계량기로 충분할 수 있습니다.
3. 최소 유량에서 레이놀즈 수 확인 : 와류식 유량계에는 대략 다시 = 20,000 안정적인 쉐딩을 위해 점성이 있는 액체 또는 매우 낮은 흐름 조건의 경우 이 임계값을 달성하지 못할 수 있으므로 대체 기술을 고려해야 합니다.
4. 설치 환경 평가 : 높은 진동, 맥동 흐름 또는 불충분한 직선 주행으로 인해 와류 계량이 실행되기 전에 다른 계량 기술이나 상당한 배관 수정이 필요할 수 있습니다.
5. 커뮤니케이션 및 통합 요구 사항 평가 : 보상된 와류 계측기는 여러 프로세스 변수를 출력합니다. 다변수 단위를 지정하기 전에 제어 시스템 또는 데이터 수집 인프라가 계측기의 출력 프로토콜(HART, Profibus 또는 FOUNDATION Fieldbus)을 지원하는지 확인하십시오.

보상형 와류 유량계의 최대 단일 사용 사례를 나타내는 대부분의 증기 에너지 계측 응용 분야의 경우 압력 및 온도 보상 장치를 결합한 것이 올바른 사양입니다. 압력 전용 모델에 비해 한계 비용은 크지 않은 반면 과열 증기 서비스의 정확도 향상은 상당하며 종종 ISO 50001과 같은 현장 에너지 관리 표준에서 요구됩니다.