Vortex-virtausmittausperiaate
Vortex-virtausmittareiden periaatteiden ja sovellusten ymmärtäminen
Lyhyesti
- Vortex-virtausmittarit mittaavat virtausmäärää havaitsemalla pyörteitä esteen (bluffirunko) alavirtaan pyörteen taajuuden ollessa suhteessa virtausnopeuteen.
- Bluffirungon muoto on ratkaisevan tärkeä vakiolle Strouhalin luvulle ja tarkalle mittaukselle, ja delta-muotoiset bluffirungot tarjoavat erityisen korkean lineaarisuuden ja tarkkuuden.
- Monipuoliset höyrylle, ei-johtokykyisille nesteille ja kaasuille vortex-virtausmittarit on helppo asentaa, niillä on mittausalue ja siten ne soveltuvat erilaisiin teollisuussovelluksiin.
Vortex-virtausmittareiden mittausperiaate
Tämä mittausperiaate perustuu siihen, että pyörteet muodostuvat alavirtaan nestevirtauksen esteestä joko suljetussa putkessa tai avoimessa kanavassa. Tämä ilmiö voidaan havaita katsomalla esimerkiksi sillan pylvään alavirtaan muodostuvia pyörreitä ("Vortex Street"), esimerkiksi (kuva 1). Pylvään kummallekin puolelle (bluffirunko) leviävän pyörteen taajuus on verrannollinen keskimääräiseen virtausnopeuteen ja siten tilavuusvirtaukseen. Jo vuonna 1513 Leonardo da Vinci oli luonnostellut paikallaan olevia pyörteitä alavirtaan esteistä, jotka vuodattavat virtaa.
Kuva 1: Vasen: Pyörteilyä sillan pylvään takana. Oikea: Satelliittivalokuva pyörteistä pilvikannessa, vulkaanisen huipun aiheuttama (nuoli), valokuva: NASA.
Vuonna 1878 Strouhal yritti kuvata tieteellisessä muodossa pyörteitä, jotka muodostuvat bluffirunkojen taakse. Hänen tutkimuksensa paljastivat, että tiukalle kiristetty johto värähtelee ilmavirrassa. Hän havaitsi, että tämän värähtelyn taajuus on suhteessa ilmavirran nopeuteen. Tämä ilmiö voidaan havaita autossa tai talossa: tuulen viheltävä ääni johtuu pyörteen muodostumisesta ja se nousee tai laskee nopeuden muuttuessa. Tätä kutsutaan "eolilaiseksi ääneksi".
Kuva 2: Vortex-virtausmittareiden mittausperiaate. d = Bluffirungon halkaisija, f = Pyörteilytaajuus, v = Virtausnopeus, L = Kahden pyörteen välinen pituus
Strouhalin luku, jota käytetään tässä yhteydessä kuvaa suhdetta pyörteilytaajuuden, virtausnopeuden ja bluffirungon halkaisijan välillä (katso kuva 2):
Fyysikko Theodore von Kármán loi enemmän teoreettisia perusteita virtausmittaukseen pyörremittarilla vuonna 1912, kun hän kuvasi "Vortex Street" -nimellä tunnettua ilmiötä. Hänen analyysinsä nestevirtauksen bluffirungon takana olevista kaksirivisistä pyörteistä paljasti kiinteän suhteen niiden poikittaisvälin (d) ja pitkittäisvälin (l) välillä. Jos bluffirunko on lieriömäinen, tämä suhde on esimerkiksi 0,281. Putken tasaisella halkaisijalla yksittäisten pyörteiden tilavuus on siis vakio. Olettaen, että pyörteet ovat samankokoisia käyttöolosuhteiden eroista huolimatta, virtaus voidaan johtaa suoraan pyörteiden lukumäärästä aikayksikköä kohti.
Pyörteily ja bluffirungon geometria
Virtaus saavuttaa suurimman nopeuden bluffirungon laajimmassa osassa ja menettää myöhemmin osan tästä nopeudesta. Kuvio 3 osoittaa, että virtaus yrittää hajota (a) bluffirungon ääriviivoista sen sijaan, että se jatkaa sen seuraamista. Tämä aiheuttaa paikallista matalapainetta, tuottaen takaisinvirtauksia ja lopulta pyörteitä (b). Nämä pyörteet vuotavat vuorotellen bluffirungon molemmille puolille ja neste kuljettaa ne.
Kuva 3: Pyörteen muodostuminen ja pyörteily.
Bluffirunkojen muoto vaihtelee valmistajan mukaan. Ne voivat olla suorakaiteen muotoisia, kolmionmuotoisia, pyöreitä, delta-muotoisia tai niillä voi olla jokin oma tai patentoitu malli. Mallin on oltava sellainen, että Strouhalin luku pysyy vakiona koko mittausalueella, toisin sanoen pyörretaajuus ei riipu painosta, lämpötilasta eikä tiheydestä. Juuri tätä vakioaluetta (Re> 10 000) käytetään tilavuusvirtauksen mittaamiseen pyörremittarilla (katso kuva 4). Delta-muotoiset bluffirungot ovat melkein ihanteellisen lineaarisia ja ne ovat osoittautuneet erityisen luotettaviksi. NASAn insinöörit ovat tehneet näillä bluffirunkomalleilla perusteellista tutkimusta. Mittaustarkkuus voi olla ± 0,75%, ja toistettavuus on noin 0,1%.
Yleistä, että vortex-virtausmittareiden ominaisuudet määritetään "K-tekijän" suhteen. Tämä tekijä edustaa pyörteiden lukumäärää yksikköaikana (pulssit tilavuusyksikköä kohti). Valmistaja saa tämän K-tekijän kalibroinnilla ja lisää tiedot mittalaitteen laitekilvestä. Se riippuu bluffirungon muodosta ja putken koosta.
Esimerkki
Vortex-virtausmittarin (DN 50/2") K -tekijä on 10 pulssia per litra, joten jokainen muodostettu pyörrepulssi vastaa 0,1 litran tilavuutta riippumatta siitä, onko mitattava neste on vettä, höyryä vai mikä tahansa muu nestettä.
Kuva 4: Eri bluffirunkojen Strouhalin luku (Str) Reynoldsin luvun (Re) yhtälönä. a = Deltan muotoinen bluffirunko, b = Pyöreä osa, bluffirunko.
Sovellukset
Vortex-virtausmittareita käytetään lukuisilla teollisuudenaloilla höyryn, nesteiden ja kaasujen tilavuusvirtauksen mittaukseen. Vortex-mittarit ovat yhä yleisempiä sovelluksissa, joissa aiemmin käytettiin vain differentiaalipainevirtausmittareita, kuten aukkolevyjä. Tämä suuntaus on vallalla siitä yksinkertaisista syystä, että vortex-mittarit on esimerkiksi helpompi asentaa. Kuvassa 5 on esimerkki tällaisesta tapauksesta.
Höyryn mittaaminen
1980-luvulta lähtien vortex-mittareista on tullut erityisen suosittuja kaikilla höyrymittausalan sektoreilla. Vortex-mittarit mittaavat vain tilavuusvirtausta, mutta höyryjärjestelmät luokitellaan yleensä massa- tai energiasisällöllä, joten näitä mittaria käytetään usein joko integroitujen tai erikseen asennettujen paine- ja lämpötila-anturien kanssa.
Kuva 5: Endress+Hauserin Prowirl-vortexmittari höyrysovelluksessa.
Nesteiden mittaaminen tilavuusvirtausnopeudella
Toisin kuin sähkömagneettiset virtausmittarit (tunnetaan myös nimellä magmittarit), vortex-mittareita voidaan käyttää mittaamaan ei-johtokykyisten tai vain hyvin vähän johtokykyisten nesteiden, kuten hiilivetyjen, demineralisoidun veden, kondensaatin tai kattilan syöttöveden, virtausta. Niitä voidaan käyttää myös korotetuissa paineissa ja paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin sähkömagneettisia virtausmittareita.
Kaasujen mittaaminen
Tämäntyyppisissä sovelluksissa vortex-mittareita käytetään laajasti paineilman, maakaasun tai yksittäisten ilmakomponenttien, kuten typen, hapen, hiilidioksidin, hiilivetyjen jne., mittaamisessa.
Monimuuttujainen mittaus
Loppuasiakkaiden painopiste on kehittynyt puhtaasti tilavuusmittauksesta kompensoituun massamittaukseen. Tämä kehitys mahdollistaa tarkkojen taseiden laatimisen. Ottamalla paine ja lämpötila huomioon, voidaan saavuttaa tarkat massamittaukset, mikä on välttämätöntä tarkan tasapainottamisen, prosessin hallinnan ja optimoinnin kannalta.
Lisäksi erityinen märän höyrynmittaus (kuivuusfraktio / höyryn laatu) voi auttaa operaattoreita ymmärtämään höyryn laatua ja havaitsemaan mahdollisen märän kertymisen verkossa. Tällä tavalla turvallisuutta ja tehokkuutta voidaan parantaa luotettavasti. Parhaat tarkkuustulokset ovat mahdollisia tyydyttyneissä/märissä höyry-ympäristöissä, joiden avulla asiakkaat voivat sulkea mahdolliset aukot massataseissa.
Endress+Hauserin Proline Prowirl -virtausmittarit yhdistävät virtausmittauksen, paineen ja lämpötilan yhteen mittalaitteeseen, mikä lisää merkittävästi tehokkuutta ja tarkkuutta.
Integroidun mittauksen edut
- Tarkkuus: Tallentamalla paine ja lämpötila samanaikaisesti voidaan määrittää tarkkoja virtausmittauksia, jotka eivät riipu toimintaolosuhteiden vaihteluista, mikä sopii ihanteellisesti kaasun ja höyryn tasapainottamiseen.
- Tehokkuus: Useiden parametrien integrointi yhteen laitteeseen vähentää merkittävästi asennustyötä ja kunnossapitokustannuksia.
- Luotettavauus: Prowirl-virtausmittarit ovat vankkoja ja kestäviä, ne toimivat luotettavasti myös vaativissa olosuhteissa.
