Ce este un debitmetru cu orificiu? Principiul de lucru, acuratețea, aplicațiile și selecția

Principiul sună simplu, dar măsurarea fiabilă a debitului orificiului depinde de mai mult decât placa în sine. Diametrul alezajului, raportul beta, starea muchiei, locația robinetului de presiune, densitatea fluidului, numărul Reynolds, profilul debitului în amonte, domeniul transmițătorului DP și instalarea, toate influențează rezultatul.

Acest ghid explică principiul de funcționare a debitmetrului cu orificiu, de la restricția hidraulică până la semnalul final de debit, apoi arată ce afectează incertitudinea de măsurare, unde tehnologia funcționează bine și ce ar trebui să verifice inginerii înainte de a specifica un sistem.

Ce alcătuiește un debitmetru cu orificiu?

Un contor cu orificii ar trebui tratat ca un sistem complet de măsurare a presiunii-diferențiale, mai degrabă decât ca o placă metalică instalată între două flanșe.

Placa orificiului

Placa creează restricția. O placă convențională concentrică cu muchii ascuțite-are un orificiu circular centrat în țeavă. Dimensiunea alezajului, grosimea, marginea din amonte și orientarea instalării trebuie să se potrivească cu baza de proiectare utilizată pentru calculul debitului.

Sunt disponibile diferite geometrii de plăci pentru anumite servicii. Ghidul pentrualegerea unui tip de placă cu orificiioferă context suplimentar atunci când o placă concentrică standard poate să nu se potrivească fluidului.

Prize de presiune și conexiuni de impuls

Prizele de presiune detectează presiunea statică pe părțile din amonte și din aval ale restricției. Tuburile sau pasajele integrate transportă aceste semnale de presiune către instrumentul de presiune diferențială.

Aranjamentul de atingere face parte din proiectul de măsurare. Nu poate fi mutat arbitrar după ce placa a fost dimensionată, deoarece presiunea variază în funcție de poziția în jurul restricției.

Transmițător de presiune diferențială

Elementul de măsurare secundar detectează diferența dintre partea de presiune înaltă și presiune joasă-. Un potrivittransmițător de presiune diferențialăconvertește acea diferență de presiune mecanică într-un semnal electronic utilizabil.

Mai larg,configurații ale transmițătorului de presiunear trebui să fie selectate în funcție de presiunea procesului, temperatură, intervalul necesar, condițiile de mediu și cerințele-sistemului de control.

Cum funcționează un debitmetru cu orificiu?

1. Fluidul se apropie de restricție

În amonte de placă, fluidul ocupă întreaga secțiune transversală-tuvă. Pentru măsurarea standardizată, debitul care se apropie trebuie să îndeplinească condițiile de instalare cerute de metoda de calcul aleasă. Coturile din apropiere, supapele și alte perturbări pot modifica profilul vitezei înainte ca fluidul să ajungă la orificiu.

2. Viteza crește prin orificiu

Orificiul oferă o zonă de curgere mai mică decât conducta. Pentru a menține continuitatea, fluidul accelerează pe măsură ce trece prin deschidere.

Această accelerație este esențială pentru măsurarea-debitului de presiune diferențială. Contorul nu măsoară direct viteza la placă; în schimb, măsoară modificarea presiunii asociată cu accelerația.

3. Scăderea presiunii statice

Pe măsură ce viteza crește, presiunea statică scade. Principiul lui Bernoulli oferă relația fizică de bază dintre presiune, viteză și altitudine pentru un flux idealizat, în timp ce calculele practice ale orificiilor adaugă coeficienți care țin cont de comportamentul real al fluidului.

Prin urmare, presiunea din amonte este mai mare decât presiunea măsurată pe partea din aval a restricției.

4. O Vena Contracta se formeaza in aval

Fluxul de fluid nu se extinde imediat la diametrul complet al conductei după traversarea plăcii. Continuă să se contracte pentru o distanță scurtă în aval. Locația în care jetul atinge secțiunea transversală-minimă se numeștevena contractă.

După acest punct, fluxul se extinde și o anumită presiune statică este recuperată. Recuperarea nu este completă deoarece separarea și turbulența disipă energia mecanică. Această porțiune nerecuperată apare ca o pierdere permanentă de presiune.

5. Sistemul măsoară presiunea diferențială

Transmițătorul vede două semnale de presiune:

ΔP = P1 − P2

unde P1 este presiunea de prelevare din amonte și P2 este presiunea de prelevare din aval.

Pe măsură ce debitul crește, presiunea diferențială crește. Relația, însă, este neliniară.

6. Presiunea diferențială este convertită în debit

Pentru o geometrie fixă ​​și condiții de proces altfel stabile, relația simplificată este:

Q ∝ √ΔP

Acest lucru are o consecință practică importantă. Dacă presiunea diferențială scade la 25% din valoarea sa maximă-scalei, debitul teoretic corespunzător este de aproximativ 50% din întreaga scară, nu 25%.

Funcția rădăcină pătrată-poate fi efectuată în interiorul unui transmițător inteligent sau într-un PLC, DCS sau computer de flux. În mod normal, nu trebuie aplicat de două ori. a lui EmersonGhid de inginerie a fluxului DPobservă în mod special că extragerea-rădăcinii pătrate poate fi efectuată în transmițător sau în altă parte a sistemului de control și avertizează împotriva efectuării acesteia în ambele locații.

Semnalul rezultat poate fi acumulat și de către atotalizator de fluxcând aplicarea necesită volum total sau masă în timp.

Ce se înscrie în ecuația reală a fluxului orificiului?

Relația-rădăcină pătrată explică principiul, dar nu este o ecuație completă de dimensionare de inginerie. Calculele reale iau în considerare geometria și comportamentul elementului primar și proprietățile fluidului.

Variabilele importante includ:

• diametrul orificiului;
• diametrul interior al conductei;
• presiune diferențială;
• densitatea fluidului;
• coeficientul de descărcare;
• raportul beta;
• numărul Reynolds;
• factor de expansibilitate pentru fluide compresibile.

Coeficientul de descărcare

Coeficientul de debit, reprezentat în mod obișnuit de C, ține cont de diferența dintre un calcul ideal al debitului și debitul real prin restricție. Este influențată de geometrie și regimul de curgere, motiv pentru care o placă cu orificii standard nu poate fi înlocuită cu o gaură aproximativ similară și se așteaptă să producă aceeași bază de calcul.

Contează și starea marginilor plăcii. Rotunjirea, depunerile, eroziunea sau deteriorarea mecanică pot modifica comportamentul debitului local și, prin urmare, pot afecta performanța măsurării.

Factorul de expansibilitate

Pentru lichide, modificările de densitate prin elementul de presiune diferențială sunt adesea suficient de mici pentru a trata fluidul ca fiind în mod esențial incompresibil pentru calculul aplicabil. Gazul și aburul se comportă diferit.

Pe măsură ce un fluid compresibil trece prin restricție, modificările de presiune sunt însoțite de modificări de densitate. Factorul de expansibilitate ține cont de acest efect în calculul orificiului aplicabil. Acesta este unul dintre motivele pentru care dimensionarea gazului și aburului necesită mai multe informații despre proces decât pur și simplu diametrul conductei și debitul maxim.

Ce este raportul beta și de ce contează?

Raportul beta, scris ca , este raportul dintre diametrul orificiului și diametrul interior al țevii:

= d / D

unde d este diametrul orificiului și D este diametrul interior al conductei din amonte.

Un orificiu mai mic în raport cu conducta creează o restricție mai puternică și, în general, produce o presiune diferențială mai mare la un debit dat. Un orificiu mai mare produce o presiune diferențială mai mică și, de obicei, o pierdere permanentă de presiune mai mică.

Asta nu înseamnă că un raport beta foarte mic sau foarte mare este automat mai bun. Raportul beta interacționează cu numărul Reynolds, coeficientul de descărcare, DP disponibil, incertitudinea și sensibilitatea instalației. Ar trebui să fie calculată din condițiile reale ale procesului, mai degrabă decât alese doar pentru a crea un interval convenabil al transmițătorului.

Ce aranjament de robinet de presiune este folosit?

ISO 5167-2:2022 acoperă plăcile cu orificii standard utilizate cu robinete cu flanșă, robinete de colț și robinete D și D/2. Thespecificația oficială ISO 5167-2definește, de asemenea, geometria, condițiile de instalare și funcționare pentru plăcile standard utilizate în conductele circulare complete.

Robinete cu flanșă

Racordurile de presiune sunt situate în flanșe la distanțe standardizate în apropierea plăcii. Acesta este un aranjament industrial comun.

Robinete de colț

Presiunea este detectată imediat în apropierea fețelor din amonte și din aval ale plăcii.

D și D/2 robinete

Robinetul din amonte este poziționat cu un diametru de țeavă în amonte, în timp ce robinetul din aval este situat la jumătate de diametrul țevii în aval.

Aceste aranjamente nu oferă pur și simplu trei moduri diferite de a conecta tubulatura. Locația robinetului modifică presiunea diferențială măsurată, astfel încât configurația robinetului trebuie să se potrivească cu metoda de calcul utilizată pentru a determina debitul.

Ce afectează precizia debitmetrului cu orificiu și incertitudinea de măsurare?

Este mai util să ne gândim la incertitudinea întregului sistem de măsurare decât să atribui un număr generic de precizie fiecărui contor cu orificii.

Geometria elementului primar

Diametrul alezajului, planeitatea plăcii, grosimea, starea-marchii ascuțite și diametrul țevii influențează măsurarea primară. O placă fabricată corect, dar instalată înapoi poate produce, de asemenea, un rezultat în afara bazei de proiectare intenționate.

Profil de flux

Coturile, supapele parțial deschise, reductoarele și alte fitinguri pot crea profile de viteză turbionare sau asimetrice. Efectul depinde de perturbare, de distanța acesteia de la placă și de geometria contorului.

Acesta este motivul pentru care nu există o declarație universală utilă că fiecare contor cu orificii are nevoie de exact același număr de diametre de țeavă în amonte. Cerințele standard de instalare trebuie verificate pentru configurația reală a conductelor.

Numărul Reynolds

Numărul Reynolds descrie relația dintre efectele inerțiale și vâscoase în fluidul care curge. Deoarece coeficientul de debit este legat de regimul de curgere, numărul Reynolds face parte din calculul standardizat și limitele de aplicabilitate.

ISO 5167-2 specifică condițiile de funcționare definite și limitele de aplicare, mai degrabă decât să trateze coeficientul plăcii ca independent de regimul de curgere.

Intervalul transmițătorului DP

Un transmițător care funcționează bine în apropierea domeniului de funcționare proiectat poate contribui proporțional cu mai multă incertitudine atunci când presiunea diferențială devine foarte mică.

Acest lucru contează deoarece DP scade rapid pe măsură ce debitul scade. Dacă debitul este de 30% din debitul de proiectare, presiunea diferențială este doar aproximativ 9% din DP de proiectare corespunzătoare în cadrul relației pătrate simplificate.

Prin urmare, performanța-de debit scăzută depinde de mai mult decât precizia nominală a transmițătorului tipărită pe o foaie de date.

Prize de presiune și linii de impuls

Robinetele blocate, scurgerile, capete de lichid inegale, gazul captat sau condensul pot produce o presiune diferențială falsă înainte ca emițătorul să prelucreze chiar semnalul.

Acesta este motivul pentru care verificarea traseului complet al presiunii este adesea mai utilă decât recalibrarea imediată a transmițătorului atunci când o citire devine instabilă.

Densitatea fluidului și compensarea

Pentru schimbarea condițiilor de gaz sau abur, densitatea poate varia suficient pentru a afecta debitul calculat. Un sistem multivariabil poate încorpora presiunea statică și temperatura, astfel încât calculul să reflecte condițiile de proces în schimbare.

Calibrarea rămâne parte a procesului general de gestionare-măsurării. Ghidul site-ului pecum să calibrați un debitmetruoferă informații suplimentare, în timp ce instrumentele de presiune ar putea avea nevoie de documentarea proprieintervalul de calibrare a transmițătorului de presiune.

Unde sunt folosite debitmetrele cu orificiu?

Flux de lichid

Plăcile cu orificii pot măsura multe lichide curate, monofazate, atunci când pierderea de presiune și condițiile de instalare sunt acceptabile. Apa, lichidele de proces și hidrocarburile sunt exemple comune.

Lichidele murdare necesită mai multă prudență. Depunerile pot modifica geometria alezajului, în timp ce solidele pot eroda marginea sau pot obtura robinetele de presiune.

Fluxul de gaz

Măsurarea presiunii-diferențiale este, de asemenea, utilizată pe scară largă pentru gaz. Cu toate acestea, trebuie luate în considerare compresibilitatea și variația densității. Un sistem destinat să raporteze volumul standard sau debitul masic poate avea nevoie de compensare de presiune și temperatură în plus față de DP.

Cititorii care evaluează aplicațiile de gaz pot continua cu cele ale site-uluimăsurarea debitului de gaz industrialresurse.

Fluxul de abur

Aburul este o aplicație importantă de flux DP-, deoarece elementul primar nu are niciun mecanism de măsurare rotativ expus procesului de-temperatură înaltă.

Partea dificilă este adesea nu placa, ci sistemul de măsurare a presiunii. În aranjamentele ude-convenționale, condensul din liniile de impuls trebuie gestionat astfel încât ambele părți să prezinte o presiune stabilă și comparabilă la transmițător. Panta slabă a liniei, picioarele inegale de condens sau aburul care intră în transmițător pot crea probleme de măsurare și fiabilitate.

Densitatea aburului se modifică, de asemenea, în funcție de starea de funcționare, astfel încât un sistem utilizat într-un interval larg de presiune sau temperatură poate necesita compensare. Tehnologiile alternative de abur sunt discutate în site-uldebitmetru de abursecțiune.

Când este o placă cu orificiu o alegere proastă?

Un sistem cu orificii este atractiv, deoarece elementul principal este simplu și standardizat, dar schimburile sale-contează.

• Costul de pierdere{0}}permanent ridicat de presiune:dacă energia pompei sau a compresorului este critică, un alt element primar poate oferi o recuperare mai bună a presiunii.
• Fluid abraziv sau care formează-depuneri:eroziunea marginilor și robinetele blocate pot submina măsurarea.
• Interval de operare foarte larg:debitul redus produce DP foarte mic, ceea ce poate face sistemul complet mai puțin adecvat decât o altă tehnologie.
• Pulsație puternică:standardul ISO 5167-2 exclude fluxul pulsatoriu.
• Conducte slabe din amonte:vârtejul sever sau deformarea-profilului de viteză poate face o instalare standard nepractică fără reproiectare.
• Debitul masic direct necesar:un sistem cu orificii necesită, în general, informații suplimentare despre presiune, temperatură și densitate, mai degrabă decât măsurarea în mod inerent a masei.

Orifice vs Venturi, Vortex, Turbine și Coriolis

A Debitmetru Venturimerită comparat în special atunci când pierderea permanentă de presiune este importantă. Secțiunile de convergență treptată și de recuperare rețin în mod normal mai multă presiune decât expansiunea bruscă în aval de un orificiu.

Pentru serviciul steam sau utilitar, comparați aplicația cu adebitmetru vortex. Pentru lichide curate în care un rotor mecanic este acceptabil,domeniul debitmetrului cu turbinăoferă o altă abordare de măsurare. Acolo unde fluxul de masă direct este prioritar, ghidul site-ului pentruPrincipiul de funcționare al debitmetrului Coriolisexplică o metodă fundamental diferită.

Serviciile lichide conductive pot justifica, de asemenea, compararea cu undebitmetru electromagnetic, în special atunci când este de dorit eliminarea unei restricții intruzive.

Cum se selectează un debitmetru cu orificiu

O specificație utilă începe cu procesul, nu cu dimensiunea flanșei.

1. Identificați fluidul și faza.Indicați dacă procesul este lichid, gazos sau abur și dacă rămâne monofazat în condiții de funcționare.
2. Asigurați debit minim, normal și maxim.Un singur flux de proiectare nu este suficient pentru a evalua DP cu debit redus-sau distanța necesară.
3. Definiți presiunea și temperatura.Includeți condițiile normale și de proiectare. Calculele cu gaz și abur pot avea nevoie și de aceste valori pentru compensarea densității.
4. Confirmați diametrul interior al țevii.Dimensiunea nominală a conductei nu este întotdeauna suficientă pentru un calcul precis al elementului primar-.
5. Determinați pierderea permanentă admisibilă de presiune.Aceasta poate deveni o constrângere de energie-ciclului de viață, mai degrabă decât o simplă problemă de instrumentare.
6. Selectați geometria plăcii și materialul.Luați în considerare curățenia fluidului, coroziune, temperatură și standardele aplicabile.
7. Stabiliți raportul beta și proiectați DP.Acestea ar trebui calculate împreună și nu selectate independent.
8. Alegeți aranjamentul de robinet necesar.Robinetele trebuie să se potrivească cu baza de calcul.
9. Dimensiune transmițătorul DP.Evaluați DP așteptat în intervalul real de funcționare, nu numai la debitul maxim.
10. Definiți compensarea și ieșirea.Determinați dacă sistemul are nevoie de extracție-rădăcină pătrată, totalizare, compensare presiunii/temperaturi sau calcul-debitului masic.
11. Verificați dispunerea conductelor.Examinați perturbațiile din amonte, cerințele-de rulare dreaptă, locația transmițătorului și traseul-liniei de impuls înainte de a finaliza proiectarea.

Erori frecvente de instalare și punere în funcțiune

Emerson descrie sistemele de debit DP ca o combinație între elementul primar, transmițătorul de presiune diferențială și componentele suport, cum ar fi conductele de impuls, supape și conectori. Acea vizualizare-la nivel de sistem este utilă în timpul depanării, deoarece o placă bună nu poate corecta un semnal de presiune slab. Vezi pe a lui EmersonPrezentare generală a măsurării debitului de presiune diferențialăpentru cunoștințe tehnice suplimentare.

Întrebări frecvente

Este un debitmetru cu orificiu un debitmetru cu presiune diferențială?

Da. Placa cu orificii creează o diferență de presiune controlată, iar sistemul de măsurare utilizează acel DP pentru a determina debitul.

De ce debitul variază în funcție de rădăcina pătrată a presiunii diferențiale?

Pentru geometrie fixă ​​și condiții stabile de fluid, presiunea diferențială variază aproximativ cu pătratul debitului. Prin urmare, debitul calculat variază cu rădăcina pătrată a lui DP.

Care este principalul dezavantaj al unui contor cu orificii?

Pierderea permanentă de presiune este unul dintre principalele compromisuri{0}}. Restricția bruscă și separarea fluxului în aval disipă energie care nu este recuperată complet.

Ce este raportul beta?

Raportul beta este diametrul orificiului împărțit la diametrul interior al conductei. Afectează DP generat, comportamentul de descărcare, pierderea de presiune și condițiile de dimensionare aplicabile.

Poate un debitmetru cu orificiu măsura aburul?

Da. Elementul principal este potrivit pentru serviciul cu temperatură înaltă-, dar măsurarea precisă a aburului depinde și de starea aburului, calculul densității, informațiile despre presiune și temperatură și de instalarea corectă a liniilor de impuls-.

Fiecare placă cu orificii necesită aceeași lungime de țeavă dreaptă?

Nu. Cerința depinde de perturbația din amonte, raportul beta, aranjamentul conductelor și standardul de calcul aplicabil. Nu trebuie aplicat un singur număr-execuție directă fiecărei instalări.

Cât de des trebuie calibrat un debitmetru cu orificiu?

Nu există un interval universal pentru sistemul complet. Frecvența de calibrare trebuie să reflecte criticitatea măsurării, stabilitatea transmițătorului, condițiile de service, istoricul de întreținere și cerințele sistemului de calitate-. Inspecția plăcii și verificările-caii presiunii sunt separate de calibrarea transmițătorului.

ISO 5167 poate fi utilizat pentru fiecare aplicație cu orificii?

Nr. ISO 5167-2 definește un domeniu specific pentru plăcile cu orificii standardizate și condițiile de funcționare. Conform rezumatului standard oficial, se aplică conductelor complete, aranjamentelor-de presiuni specificate, fluxului subsonic monofazat și intervalelor de mărime și numere Reynolds definite; fluxul pulsatoriu este în afara domeniului său de aplicare declarat.

Concluzie

Un debitmetru cu orificiu transformă o restricție hidraulică controlată într-o presiune diferențială care poate fi legată de debit. Placa creează schimbarea vitezei și a presiunii, robinetele de presiune transmit semnalele rezultate, iar transmițătorul DP sau sistemul de control realizează conversia necesară pentru indicarea și totalizarea debitului.

Măsurarea fiabilă depinde de sistemul complet. Raportul beta, coeficientul de descărcare, numărul Reynolds, densitatea fluidului, starea plăcii, profilul de curgere, aranjamentul robinetului de presiune, intervalul transmițătorului și compensarea, toate influențează rezultatul final.

Pentru o nouă aplicație, definiți fluidul, faza, domeniul debitului de funcționare, presiunea, temperatura, ID-ul conductei, pierderea de presiune admisibilă și performanța necesară de măsurare înainte de dimensionarea plăcii. Apoi verificați dacă aranjamentul conductelor și transmițătorul pot suporta intervalul DP așteptat. Acest proces face mult mai ușor să se determine dacă un contor cu orificii este adecvat sau dacă tehnologia Venturi, vortex, turbină, electromagnetică sau Coriolis oferă o potrivire mai bună.