정확한 유량 측정을 위해 언제 온도 또는 압력 보상이 필요합니까?

소용돌이 유량계 흐르는 유체에서 제어된 소용돌이 운동을 생성하고 유속과 정확하게 상관되는 2차 흐름 진동의 주파수를 감지하여 액체, 가스 및 증기의 체적 또는 질량 유량을 측정합니다. 산업용 유량 측정에서 잘 정의된 위치를 차지합니다. 와류식 유량계보다 더 견고하고 오염된 유체에 대한 내성이 강하며, 차압 장치보다 더 넓은 유량 범위에서 더 정확하며, 많은 공정 조건에서 코리올리스 또는 자기 유량계보다 설치 및 유지 관리가 훨씬 더 경제적입니다. 특히 증기 유량 측정의 경우, 스월 유량계는 정확성, 낮은 유지 관리 작동, 증기 분배 및 에너지 관리 시스템의 까다로운 온도 및 압력 조건과의 호환성으로 인해 널리 사용되는 기본 측정 장치가 되었습니다.

Swirl 유량계 사양을 평가하는 엔지니어의 직접적인 대답은 다음과 같습니다. 기본 Swirl 유량계는 체적 유량만 측정하므로 밀도가 본질적으로 일정한 액체 응용 분야에 충분합니다. 온도와 압력에 따라 밀도가 크게 변하는 가스와 증기의 경우 체적 유량 측정만으로는 정확한 질량 유량이나 에너지 흐름을 결정하는 데 충분하지 않습니다. 온도 보상 소용돌이 유량계는 온도 센서를 추가하고 온도 의존적 ​​유체 밀도를 사용하여 측정된 체적 유량을 질량 유량으로 변환합니다. 압력 보상 소용돌이 유량계에는 동일한 목적으로 압력 센서가 추가됩니다. 온도 및 압력 센서가 모두 포함된 완전히 보상된 모델은 측정된 체적 유량, 온도 및 압력의 조합으로부터 실시간으로 질량 유량을 계산합니다. 이는 정확한 증기 에너지 계측 및 가스 상거래에 필요한 구성입니다. 이 문서에서는 각 구성의 작동 방식, 각 구성이 적용되는 위치, 선택에 적용되는 사양에 대해 설명합니다.

Swirl 유량계 작동 방식: 작동 원리 및 흐름 감지

소용돌이 유량계는 계기 본체 내에서 안정적인 회전 흐름 패턴을 생성하고 이 소용돌이 흐름과 계기 기하학 사이의 상호 작용으로 인해 발생하는 2차 흐름 진동의 빈도를 감지하는 원리로 작동합니다. 작동 순서에는 소용돌이 생성, 진동 형성 및 주파수 감지의 세 가지 단계가 있습니다.

입구 Swirler에 의한 소용돌이 생성

유체가 유량계로 유입되면 파이프 축 주위에 방사상으로 배열된 각진 날개로 구성된 고정 소용돌이 어셈블리를 통과합니다. 이러한 베인은 유체에 각운동량을 부여하여 축 흐름을 미터 보어 내에서 나선형 회전 흐름 패턴으로 변환합니다. 스월러는 이 단계에서 전력이나 움직이는 부품이 필요하지 않은 수동 요소입니다. 이는 스월 유량계의 긴 작동 수명과 낮은 유지 관리 요구 사항의 주요 이유 중 하나입니다.

소용돌이 제거 구역의 2차 진동 형성

스월러의 하류에서 회전하는 흐름은 확장 섹션으로 들어간 다음 회전을 부분적으로 제거하도록 설계된 소용돌이 제거 요소를 통과합니다. 잔류 회전 흐름과 소용돌이 제거 장치 사이의 상호 작용은 세차 2차 운동을 생성합니다. 이는 소용돌이 흐름 코어가 체적 유량에 정비례하는 주파수로 파이프 축을 중심으로 진동하는 일종의 와류 세차 운동입니다. 이 세차 운동은 소용돌이 유량계의 주요 측정 가능한 현상입니다. 소용돌이 유량계 출력을 관리하는 Strouhal 관계는 진동 주파수를 유속으로 나눈 값이 계기의 지정된 작동 범위(일반적으로 레이놀즈 수 범위가 20,000에서 수백만까지)에 걸쳐 무차원 상수(계량기의 K 계수)라는 것을 확립합니다. 주파수와 유속 사이의 이러한 선형 관계는 소용돌이 유량계를 차압 장치에 필요한 비선형 보정 없이 넓은 유량 범위에 걸쳐 신뢰할 수 있고 정밀한 측정 장치로 만듭니다.

감지 방법: 압전 및 용량성 센서

진동하는 흐름 동작은 계기 본체에 장착된 하나 이상의 센서에 의해 감지됩니다. 두 가지 탐지 기술이 일반적으로 사용됩니다.

• 압전 센서: 센서 위치에서 세차 흐름에 의해 생성되는 주기적인 압력 변동이나 기계적 진동을 감지합니다. 압전 감지 요소는 주파수가 유동 진동 주파수와 일치하는 전압 신호를 생성하며, 신호 처리 전자 장치는 이를 유량으로 변환합니다. 이 센서는 견고하고 반응이 빠르며 적절한 센서 격리를 통해 센서 작동 온도가 섭씨 250도 이상에 도달할 수 있는 고온 증기 응용 분야에 적합합니다.
• 용량성 센서: 진동 흐름이 요소를 주기적으로 편향시킬 때 감지 요소의 정전 용량 변화를 감지합니다. 용량성 감지는 흐름 진동 에너지가 낮고 압전 센서의 신호 대 잡음비가 충분하지 않을 수 있는 저압 가스 응용 분야에 특히 적합하여 일부 설계에서는 초당 0.5미터의 낮은 유속에서 안정적인 감지를 제공합니다.

두 센서 유형 중 하나에서 출력되는 신호는 체적 유량에 선형적으로 비례하는 주파수 신호이며, 이로부터 전자 장치는 순간 유량, 총 체적, 적절한 보상을 통해 질량 유량 및 에너지 흐름을 계산합니다. 일반적인 소용돌이 유량계 사양에는 턴다운 비율에 대한 판독값의 ±1.0~1.5% 정확도가 포함되며, 턴다운 비율은 유체 및 작동 조건에 따라 10:1~25:1입니다.

소용돌이 유량계의 온도 보상: 필요한 이유 및 작동 방법

체적 유량을 측정하는 소용돌이 유량계는 단위 시간당 미터를 통과하는 유체의 양을 정확하게 나타내는 시간당 입방미터(또는 이에 상응하는 단위)로 출력을 생성합니다. 적당한 온도의 물과 같이 밀도가 본질적으로 일정한 액체의 경우, 밀도가 작동 범위에 걸쳐 온도에 따라 크게 변하지 않기 때문에 이 체적 판독값은 질량 흐름에 정비례합니다. 그러나 밀도가 온도에 크게 의존하는 가스, 증기 및 액체의 경우 주어진 체적 유량으로 표시되는 유체 질량은 온도에 따라 크게 변하므로 체적 측정만으로는 정확한 공정 제어 또는 에너지 계산에 불충분합니다.

온도에 따른 가스 및 증기 밀도의 변화

일정한 압력의 이상 기체의 경우 밀도는 절대 온도에 반비례합니다. 섭씨 200도(473켈빈)의 기체는 동일한 압력에서 섭씨 20도(293켈빈)의 동일한 기체의 밀도가 약 62%입니다. 실제 산업용 가스 측정 응용 분야에서 공정 가스 온도는 일반적으로 공정 부하가 변하거나 주변 온도가 계절에 따라 변하거나 작동 조건이 변화함에 따라 공칭 작동점 주변에서 섭씨 50~150도 정도 변합니다. 온도 보상이 없으면 섭씨 150도의 공칭 온도에서 천연 가스 또는 압축 공기를 측정하는 선회 유량계는 섭씨 ± 20도의 공정 온도 편차에 대해 약 15%의 질량 유량 판독 오류를 표시합니다. 이는 상거래, 에너지 청구 또는 2~3%보다 더 나은 정확도를 요구하는 공정 제어 응용 분야에서는 분명히 허용되지 않습니다.

온도 보상이 구현되는 방법

A 온도 보상 소용돌이 유량계 저항 온도 감지기(RTD)(일반적으로 Pt100 또는 Pt1000 요소)가 통합되어 있으며 계기 본체 내 유체 흐름에 직접 장착되거나 계기에 인접한 보호관에 장착됩니다. 온도 신호는 측정된 온도와 프로세서에 저장된 유체 특성 데이터베이스를 사용하여 측정 조건에서 실제 유체 밀도를 계산하는 계기의 신호 프로세서에 지속적으로 공급됩니다. 그런 다음 주파수 신호의 체적 유량에 이 계산된 밀도를 곱하여 실시간 질량 유량 출력을 생성합니다. 동시에 통합 또는 총계 질량 흐름 어큐뮬레이터는 계량기를 통과한 유체의 총 질량을 추적합니다. 이는 청구, 에너지 회계 및 배치 공정 제어에 필요한 양입니다.

온도, 압력 및 밀도 간의 관계가 이상 기체 법칙이 아닌 IAPWS IF97 증기 표를 따르는 증기 응용 분야의 경우, 온도 보상 소용돌이 유량계의 프로세서는 국제적으로 인정된 표준 표를 기반으로 증기 특성 데이터베이스에 액세스하여 지정된 작동 압력에서 측정된 온도에 대한 밀도 값을 보간합니다. 일정한 압력의 포화 증기의 경우 온도만 밀도와 특정 엔탈피를 포함한 모든 열역학적 특성을 고유하게 결정하므로 온도만 보상된 계기는 시스템 압력이 안정적이고 잘 특성화되어 있는 경우 압력 센서 없이 질량 흐름과 에너지 흐름(킬로와트 또는 메가와트 단위)을 모두 제공할 수 있습니다.

Swirl 유량계의 압력 보상: 응용 분야 및 구성

압력 보상은 압축성 유량 측정에서 유체 밀도에 영향을 미치는 두 번째 주요 변수를 다룹니다. 일정한 온도의 가스의 경우 밀도는 절대 압력에 정비례합니다. 6bar 절대압력의 압축 공기는 1bar 절대압에서의 동일한 공기 밀도의 약 6배입니다. 즉, 6bar 절대압에서 시간당 100m3의 체적 유량은 표준 조건(종종 섭씨 0도 또는 15도 및 1.01325bar 절대압으로 정의됨)에서 시간당 약 600m3에 해당합니다. 실제 체적 유량을 표준 체적 유량이나 질량 유량으로 변환하려면 실제 작동 압력에 대한 지식이 필요하며 이는 압력 보상 시스템의 기능입니다.

압력 센서 통합 및 신호 처리

A 압력 보상 소용돌이 유량계 계기 본체 또는 인접 프로세스 라인에 직접 장착된 절대 압력 트랜스미터 또는 게이지 압력 트랜스미터(프로세서에 대기압 보정이 적용됨)를 통합합니다. 압력 신호는 흐름 주파수 신호를 수신하는 동일한 신호 프로세서에 공급되어 프로세서가 측정된 압력에서 실제 가스 밀도를 계산할 수 있도록 합니다(온도도 측정되는 경우 압력과 온도 모두에서 동시에).

과열 증기 응용 분야의 경우 열역학적 상태와 이에 따른 증기의 밀도 및 엔탈피를 완전히 정의하려면 온도와 압력이 모두 필요합니다. 주어진 압력의 과열 증기는 광범위한 온도와 밀도에서 존재할 수 있으므로 온도만 보상하거나 압력만 보상하는 시스템은 전체 작동 범위에 걸쳐 정확한 질량 유량 측정을 제공할 수 없습니다. 온도와 압력 입력이 모두 포함된 완전히 보상된 소용돌이 유량계는 작동 중에 공정 온도와 압력이 독립적으로 변하는 모든 응용 분야에서 과열 증기 측정을 위한 올바른 사양입니다.

압축 가스의 표준 체적 유량 계산

천연 가스 분배, 압축 공기 모니터링 및 산업 공정 가스 측정을 포함한 압축 가스 계량 응용 분야에서 필요한 출력은 시간당 킬로그램 단위의 질량 유량이 아닌 시간당 표준 입방 미터(Sm3/h) 또는 시간당 일반 입방 미터(Nm3/h)로 표시되는 경우가 많습니다. 표준 또는 일반 체적 유량은 정의된 기준 조건(일반 입방미터의 경우 섭씨 0도 및 1.01325bar, 표준 입방미터의 경우 섭씨 15도 및 1.01325bar)에서 가스가 차지하는 등가 부피를 나타냅니다. 압력 및 온도 보상형 소용돌이 유량계는 가스 압축성을 설명하기 위해 이상 기체 법칙 또는 실제 기체 상태 방정식을 적용하여 측정된 실제 체적 유량, 측정된 온도 및 측정된 압력에서 직접 이 표준 체적 출력을 계산합니다. 이 표준 볼륨 출력은 천연 가스 공급에 대한 청구 수량, 공정 재료 수지 계산의 기초 및 많은 관할 구역의 규제 보고에 필요한 출력입니다.

Swirl 유량계 구성 비교: 각 유형을 지정하는 시기

다음 표에는 소용돌이 유량계의 세 가지 주요 보상 구성, 해당 측정 출력 및 각각이 올바른 선택이 되는 응용 프로그램이 요약되어 있습니다.

증기 유량 측정: 보상 Excel이 포함된 소용돌이 유량계

증기는 가스의 압축성과 온도 및 압력에 따라 크게 변하는 위상 의존 열역학적 특성을 결합하고 측정 시스템은 기계적으로나 열적으로 까다로운 환경에서 높은 온도와 압력에서 안정적으로 작동해야 하기 때문에 증기 유량 측정은 산업용 유량 계측에서 가장 까다로운 응용 분야 중 하나입니다. 온도 및 압력 보상 기능을 갖춘 소용돌이 유량계는 경쟁 기술과 구별되는 여러 가지 이유로 에너지 관리, 공정 산업 및 지역 난방 응용 분야에서 증기 유량 측정에 선호되는 솔루션이 되었습니다.

증기용 와류 유량계에 비해 소용돌이 유량계의 장점

소용돌이 및 와류 유량계 모두 주파수 기반 유량 감지를 사용하며 증기 계량을 위한 온도 및 압력 보상 기능을 장착할 수 있습니다. Swirl 유량계는 증기 응용 분야에 대해 몇 가지 실질적인 이점을 제공합니다.

• 낮은 최소 유속: 소용돌이 생성 진동은 대부분의 설계에서 소용돌이 발산 신호보다 주어진 유속에 대해 더 큰 진폭을 갖기 때문에 소용돌이 유량계는 소용돌이 미터보다 낮은 유속에서 안정적인 신호 감지를 유지합니다. 이를 통해 Swirl Meter는 저부하 증기 조건을 정확하게 측정할 수 있으며, 이는 증기 수요가 최대 부하와 대기 조건 사이에 크게 변하는 난방 시스템에서 중요합니다.
• 습증기 및 응축수 슬러그에 대한 내성: 와류계의 중요한 요소인 가느다란 뭉개진 본체를 막지 않는 와류계 본체의 견고한 기계 구조는 와류계의 더 취약한 셰더 바를 손상시키거나 방해할 수 있는 습한 증기 조건과 간헐적인 응축수 슬러그에 대한 더 나은 내성을 제공합니다.
• 넓은 작동 압력 범위: Swirl 유량계는 0.1 MPa ~ 4 MPa 게이지 이상의 작동 압력에 대해 상업적으로 이용 가능하며, 저압 가열 시스템부터 고압 공정 증기까지 산업 증기 분배 압력의 전체 범위를 포괄합니다.

온도 및 압력 보상형 Swirl Meter로부터 에너지 흐름 계산

온도 및 압력 보상형 선회 유량계가 증기 공급 라인에 설치되어 있고 응축수 회수 온도도 알려진 경우 계측기는 증기 시스템이 전달하는 열 에너지를 실시간으로 계산하고 총계할 수 있습니다. 계산에서는 IAPWS IF97 증기 특성 테이블을 사용하여 측정된 온도와 압력에서 공급 증기의 비엔탈피를 결정하고, 측정된 온도에서 반환되는 응축수의 비엔탈피를 뺀 다음, 엔탈피 차이에 측정된 질량 유량을 곱하여 킬로와트 단위의 전력 출력을 얻습니다. 별도의 에너지 미터나 유량 컴퓨터가 필요 없는 이러한 직접 에너지 측정 기능을 통해 온도 및 압력 보상 선회 유량계는 유량 측정, 밀도 보상 및 에너지 계산을 단일 장치에 결합하는 포괄적인 증기 에너지 관리 장비가 되어 ISO 50001 에너지 관리 시스템 준수 및 증기 분배 비용 할당에 필요한 장비를 크게 단순화합니다.

설치 요구 사항 및 사양 매개변수

Swirl 유량계는 유입 유량의 속도 프로파일에 민감하기 때문에 지정된 정확도를 달성하려면 Swirl 유량계를 올바르게 설치하는 것이 필수적입니다. 업스트림 피팅, 밸브 또는 굽힘으로 인해 발생하는 균일하지 않은 프로파일은 평균 유속을 완전히 나타내지 않는 진동 주파수 오류를 유발하여 측정 부정확성을 초래합니다.

업스트림 및 다운스트림 직선형 파이프 요구 사항

제조업체는 유량계로 들어가는 속도 프로파일이 완전히 발달하고 상류 피팅에 의해 도입된 소용돌이 성분이 없도록 보장하기 위해 소용돌이 유량계의 상류 및 하류 직관의 최소 길이를 지정합니다. 일반적인 요구 사항은 직선 파이프 업스트림의 3D와 다운스트림의 1D입니다.

오리엔테이션 및 응축수 배수

증기 응용 분야의 경우 유량계 본체에 응축수가 축적되어 불규칙한 유량 신호와 요소 부식을 유발하는 것을 방지하기 위해 가능한 한 수평 파이프 섹션에 유량계를 설치해야 합니다. 수직 설치가 필요한 경우 측정 구역에서 응축수의 중력 배수가 가능하도록 증기 흐름이 계측기를 통해 위쪽으로 향해야 합니다. 계측기 하류의 스팀 트랩은 응축수 배수 기능을 제공하고 응축수가 축적되어 측정 구역에 범람하는 것을 방지합니다.

Swirl 유량계 선택을 위한 주요 사양 매개변수

소용돌이 유량계를 지정할 때 응용 분야에 맞는 올바른 모델이 선택되도록 다음 매개변수를 정의해야 합니다.

1. 유체 유형: 액체, 가스 또는 증기(포화 또는 과열)에 따라 필요한 보상 수준, 습식 재료 선택 및 적용 가능한 유체 특성 데이터베이스가 결정됩니다.
2. 작동 압력 범위: 최소 및 최대 프로세스 압력은 계기 본체의 압력 등급과 보상 모델의 압력 트랜스미터 범위를 결정합니다.
3. 작동 온도 범위: 계기 및 센서 재료의 온도 등급을 결정하는 최소 및 최대 프로세스 온도.
4. 흐름 범위: 필요한 유량계 크기를 결정하고 원하는 유량 범위가 유량계의 지정된 레이놀즈 수 범위 및 턴다운 비율 내에 있는지 확인하는 최소 및 최대 유량.
5. 필수 출력: 필요한 보상 구성을 결정하는 체적 흐름만, 질량 흐름, 표준 체적 흐름 또는 에너지 흐름.
6. 프로세스 연결: 설치 위치에 따라 파이프 직경, 압력 등급 및 플랜지 표준(ASME, EN, JIS)이 필요합니다.
7. 출력 신호: 합산을 위한 펄스 출력, 유량을 위한 4~20mA 아날로그, 플랜트 제어 시스템과의 디지털 통신을 위한 HART, Modbus 또는 PROFIBUS.

다양한 보상 구성을 갖춘 Swirl 유량계는 단순한 액체 계량부터 산업 에너지 관리 프로그램의 증기 에너지 계산에 대한 까다로운 요구 사항에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 유량 측정을 위한 신뢰할 수 있고 정확하며 실용적으로 다양한 솔루션을 제공합니다. 기본, 온도 보상, 압력 보상 및 완전 보상 구성 중에서 선택하는 것은 예산 선호의 문제가 아니라 측정 장치를 공정 유체의 실제 물리적 조건에 정확하게 일치시키는 문제입니다. 이는 에너지 및 공정 제어 응용 분야에서 유량 측정에 필요한 정확성과 신뢰성을 제공하는 유일한 접근 방식입니다.