Készítette: Dr. Füvesi Viktor

Átírás

1 Készítette: Dr. Füvesi Viktor

2 o Szenzorhibák o Áramlásmérők

3 Linearitás hiba Offszet hiba v. null hiba x ki Hibás jelleggörbe x ki Hibás jelleggörbe Ideális jelleggörbe Ideális jelleggörbe x be x be Erősítési hiba x ki Hibás jelleggörbe Ideális jelleggörbe x be

4 Áramlásmérés

5 Alapfogalmak Mértékegységek áramlási sebesség (velocity): [m/s] áramlási arány (flow rate): sebesség felület = m/s m 2 = [m 3 /s] áramlási mennyiség (quantity): áramlási arány idő = m 3 /s s = [m 3 ] tömegáram (mass flow rate): [kg/s] Folyadék energiája Potenciális energia kinetikus energia Nyomási energia Belső energia (hőmérsékletből fakadó) E folyadék = E potenciális + E kinetikus + E nyomási + E belső Viszkozitás dinamikus viszkozitás: = Erő/terület sebesség [Ns/m 2 ] kinematikus viszkozitás: dinamikus v./sűrűség

6 Reynolds szám Reynolds szám Osborne Reynolds: A Reynolds szám az áramló anyagban fellépő tehetetlenségi erők és belső súrlódási erők hányadosa Re D =(v D)/ és = v D q m áramlási sebesség csőátmérő kinematikai viszkozitás tömegáram dinamikai (abszolút) viszkozitás sűrűség Lamináris áramlás Re < 2500 Vegyes áramlás (lamináris/turbulens) 2500 < Re > 4000 Turbulens áramlás Re > 4000

7 Bernoulli egyenlet p 1 ρ v 1 v 2 p 2 ρ Z 1 Z 2 E folyadék = E potenciális + E kinetikus + E nyomási + E belső Z 1 g + v 12 /2 + p 1 /ρ + I 1 = Z 2 g + v 22 /2 + p 2 /ρ + I 2 ha I 1 =I 2 (állandó hőmérsékleten), akkor Z 1 g + v 12 /2 + p 1 /ρ = Z 2 g + v 22 /2 + p 2 /ρ ha ρgz 1 és ρgz 2 elhanyagolható ρ v 12 /2 + p 1 = ρ v 22 /2 + p 2 Dinamikus nyomás Statikus nyomás v áramlási sebesség [m/s] p nyomás [N/m 2 ] Z magasság [m] I belső energia abszolút viszkozitás sűrűség

8 Elszámolási mérések (custody transfer) Nagy anyag és energia mennyiségek átadásakor, átvételekor, energiatermelő létesítmények be-, kimeneti pontjain Mérőperemes mérőszakaszok Turbinás mérőállomások Több sugárutas ultrahangos áramlásmérők Tömegárammérők Gondosan elkészített mérőszakasz, pontos távadók, hozam-számítóművek (flow computers) Üzemviteli mérések Ipari technológiák, csővezetéki rendszerek legkülönbfélébb pontjain Térfogat-kiszorításos (oválkerekes, bolygódugattyús, stb.) mérőeszközök folyadékok esetében Mérőperemek, örvénymérők, turbinás áramlásmérők, indukciós mérők folyadékok, gőzök, gázok Egészen nagy eltérés lehet a kivitelezés miatt az árban Egyéb mérések Jelző, mérő, kapcsoló és egyéb (vezérlési, reteszelési, stb.) feladatokra

9 Az áramlásmérések több mint 95%-a az alábbi technológiákkal valósul meg: Indukciós Ultrahangos Örvényleválásos Nyomáskülönbség méréssel Coriolis elvű Változó térfogatú Térfogat kiszorításos Turbinás

10 Indukciós áramlásmérők

11 U i = L * B * v U i = indukált feszültség L = cső belső átmérő = k 1 B = mágneses fluxus = k 2 v = sebesség k = k 1 x k 2 U i = k x v, a villamos kimenőjel arányos a közegáram sebességével. U tekercs = (60) 30 V => I tekercs = 125 ma U i = 125 µv minden 1 m/s-nál cső mérettől függetlenül 31,5 µv < U i < 1,25 mv for v = m/s

12 Fizikai felépítés Tekercs Érzékelő vezeték Rozsdamentes cső Mágneses tér létrehozása cső teljes keresztmetszetében Elektródok Kialakult villamos feszültség mérésére Szigetelő bélés Rövidzár megakadályozása folyadék és cső között

13 Endress + Hauser video mágneses áramlásmérés (EH_mid_hu.mpg)

14 Működés Ha nincs áramlás nem mérhető indukált feszültség Folyadék töltött részecskéi szétválnak a mágneses mező hatására Feszültség jön létre a cső két oldalán, amit az elektródák érzékelnek Feszültség egyenesen arányos az áramlás sebességével Térfogatáram számítható a keresztmetszet ismeretében Interferencia (külső mágneses tér, folyadék elektrokémiai hatása) kompenzálására polaritás váltás

15 Előnyei Stabil mérés, stabil null pont Nagy pontosság Könnyű beépíthetőség Megbízhatóság

16 Általános jellemzők Méret: DN 2 - DN 2000 Méréstartomány: m³/h Hőm. tartomány: -40 C +200 C Nyomás max : 100 bar Pontosság: ±0,2 % Védettség: IP 67/68 IP 6X: Por ellen teljesen védett IP X7: Korlátozott ideig vízbe meríthető IP X8: Víz alatt folyamatosan használható

17 Tekercsek DC és AC táplálása DC impulzus táplálás A legtöbb alkalmazásnál: Víz, szennyvízipar Energia ipar Vegyipar Élelmiszer és italgyártás Gyógyszergyártás Csak nagy a folyadékok vezetőképessége Impulzus üzemű AC táplálás Speciális alkalmazásnál: Papíripar Bányászat Nagy mágneses tér Stabil nulla pont Mostoha körülmények között, nagy zajú környezetben Nagyon alacsony vezetőképességű közegek esetében Miért nem használunk DC jelet?

18 Érzékelőcsalád MAG 1100 MAG 3100 MAG 1100 Food MAG 5100 W

19 MAG 1100 jellemzői Zirconium Ceramic -20 ºC 200 ºC Kerámia betét széles hőmérséklet skálán történő alkalmazás Korszerű tekercs elhelyezés (megnövelt 0 stabilitás) Flexibilis csatlakozási lehetősségek hegesztett csavaros

20 Nagy pontosság: +/- 0,2 % PFA esetében: +/- 0,4 % Pontosság és alkalmazás (MAG 1100) Folyamatos technológiák Vegyipar Gyógyszeripar Élelmiszeripar Vízmű és adagolás

21 Nagy pontosság: +/- 0,2 % Folyamatos technológiák Vegyipar Acélipar Bányászat Erőmű és energia ipar Olaj és gázipar Vízmű, szennyvíz feldolgozás Alkalmazás (MAG 3100)

22 Alkalmazás (MAG 5100) Vízkezelés Víz elosztás Elszámolási mérés vízműnél Szennyvíz tisztítás és szűrés Ipari víz feldolgozás Öntözés Névleges D mm mm Felépítés Egyenes Kúpos 1 x Egyenes DN Betét NBR Hard Rubber EPDM

23 Pontosság Dobozolás Tápegység Kimenetek Technológia Egyéb jellemzők Távadó választási szempontjai

24 Távadó felépítése HMI Kapcsoló üzemű tápegység Kimeneti modul Belső opciós modul Kimeneti Jel kondicionáló modul Külső opciós modul Bemeneti áramkör Tekercs gerjesztő modul Szenzor kalibrációs információk Életciklus adatok

25 Megtáplálás AC Távadó kivitele Nagyon mostoha körülményekre papíripar bányászat Elemes Működéshez nem szükséges kábeles táplálás Víz mérés Szivárgás detektálás Gyors beüzemelést biztosít Nincsen nyomásesés Fejlett diagnosztikai funkciók Gyárilag vezetékelt Pontos mérés Elemcsomag (6 év) Hálózati táplálás Hálózat és elemcsomag (3 év) Külső elemcsomag (10 év)

26 Speciális kialakítás Kompakt Távadó kivitele Távelérésű Robbanás veszélyes környezetbe szerelhető

27 Távadó kivitele Kommunikációs lehetőségek Profibus DP Profibus DA Foundation Fieldbus HART Modbus MODBUS TCP/IP DeviceNet

28 Ultrahangos áramlásmérők

29 Endress + Hauser video ultrhangos áramlásmérés (EH_ultraschal_hu.mpg)

30 Elmélet kidolgozása Lord Raleigh Nobel díjas fizikus nevéhez fűződik Hangelmélet című könyv (1877) Hanghullámok terjedésének leírása oldatokban és gázokban Felépítés Szenzorpárok helyezkednek el a cső keresztmetszetében Minden szenzor adó és vevő egyben Ultrahang előállítása piezoelektomos kristályok segítségével Piezoelektromos hatás: kristály torzul feszültség keletkezik Több szenzor áramlási kép torzulása érzékelhető és kompenzálható a cső keresztmetszetben

31 Ultrahangos áramlásmérők Működés Ha nincs áramlás jel terjedési ideje mind két irányban azonos Áramlással azonos irányban a ultrahang terjedési ideje gyorsabb, mint az áramlással szemben Terjedési időkülönbségek egyenesen arányosak a médium áramlási sebességével nagy idő különbség, nagy áramlási sebesség kis idő különbség, kis áramlási sebesség Áramlási térfogat kiszámítható a cső paramétereinek ismeretében

32 Jel terjedési idő transmission time idő különbség Sorozat áramlással egy irányban Sorozat áramlással szemben Fogadott jel ablak

33 Jel terjedési idő meghatározása Trigger szint detektálás: A trigger szint detektálást követően a trigger pontnál történik a TOF (Time Of Flight) számítása adóoldali jel f=1 MHz vevőoldali jel: trigger szint : jel amplitudó trigger pont (zero szint keresztezi a trigger szintet) adóoldali jel vevőoldali jel ablak nyitva

34 Áramló mennyiség kiszámítása Q K * T / T 2 T [BA] - T [AB] T / T² = T [AB] * T [BA] K: kalibrációs együttható / cső paraméterek (, L, D i, )

35 Ultrahangos áramlásmérés Kialakítás Csőbe szerelhető Felcsatolható kialakítás Utólag felszerelhető Akár 4m-es csövek esetén is alkalmazható Diagonális üzemmódban Széles alkalmazási lehetőségek Előnyök Flexibilis felerősítési lehetőség Folyamat biztonság gazdaságosság Reflex üzemmódban

36 SIEMENS megoldások Ultrahangos áramlásmérés 1 utas 2 utas 4 utas Pontosság: 1 3% Pontosság: 0,5 1,5% Pontosság: 0,5% körül

37 Általános felhasználás Ultrahangos áramlásmérés Méréstartomány: ± 10 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN50 DN300 A távadó felszerelhetőség csak távoli Jó hosszú idejű stabilitás Hőmérséklet tartomány: C Nincsen nyomásesés Robosztus alkalmazásokra Felhasználási terület: víz, szennyvíz olaj és LNG/LG forró víz hűtő rendszer

38 Nyomás alatt szerelhető kivitel Ultrahangos áramlásmérés Méréstartomány: ± 10 m/s (kétirányú) Vezető és nem vezető folyadékokra Névleges méret: DN100 DN1200 Hőmérséklet: alacsony hőm.-re: -200 C szenzor magas hőm.-re: +200 C szenzor Nyomás: max. 430 bar ATEX minősítés Felhasználási terület: petrokémia, erőmű víz, szennyvíz, olaj és LNG/LG

39 Ultrahangos áramlásmérés Távadó egység Önmonitorozás és diagnosztika 1, 2 és 4 utas érzékelő táplálás Ismert kezelőmező és LCD Pontosság: 0,5% a mért értékre vonatkoztatva Kimenet: 4-20 ma HART; Profibus PA; relé Hőmérséklet tartomány: C Energia számolómű Univerzális hőenergia számolómű Fűtés és hűtés számításhoz EN1434 szerinti energia számítás C tartományban számol

40 FUS felcsatolható család Ultrahangos áramlásmérés

41 Ultrahangos áramlásmérés Sztandard változat Méréstartomány: ± 12 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN6 DN9140 Pontosság: ± 0,5 1% Ismétlőképesség: ± 0,15% (0,3 m/s Energia mérő Közeg hőmérséklet: C, op.: +230 C Energia arány, felhasználás számítása Alacsony karbantartási költség Forró és hűtővíz mérésére Glycol mérésre

42 Ultrahangos áramlásmérés Olajmérő Nyersolaj, finomított olaj, cseppfolyósított gáz mérése (csőgörény detektálás!) Többfázisú folyadék és sűrűség indikálása Viszkozitás kompenzált térfogat mérés 1, 2 vagy 3 sugaras változat Méréstartomány: ± 12 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN6 DN9140 Pontosság: ±0,5 1% Gázmérő Földgáz, technológiai gáz mérésére, Gázos erőműi alkalmazásokra Pontosság: ± 1-2%, kalibrálva 0,2 0,5% Méréstartomány: ± 30 m/s (kétirányú) Minimális nyomás: 7-10 bar

43 Ultrahangos áramlásmérés Hordozható mérőrendszerek Névleges méret: 6,4mm 9,14 m Pontosság: ± 0,5 2% Ismétlőképesség: ± 0,15% Low cost változat Méréstartomány: ± 12 m/s (kétirányú) Névleges méret: DN6 DN9140 Pontosság: ± 1 2%

44 Ultrahangos áramlásmérés Olajipari mérésekhez Szénhidrogén ipari alkalmazásokra Két változat: folyékony szénhidrogén, gázmérés Méréstartomány: ± 35 m/s (kétirányú), DN , DN gázra ± 12 m/s (kétirányú), DN150, 300,600 folyadékra Pontosság: ± 0,5 1% - két utas gáz és folyadék, 0,5 % három utas gáz és folyadék, 0,15 % négy utas gáz és folyadék LDS Leak Detection System Csővezeték monitorozás, Szivárgás detektálás 1, 2, 4 utas érzékelés Helyi és számítógépes HMI Csatlakozás SCADA-hoz Alarm kezelés Könnyű kezelő felületek

45 Örvényleválásos áramlásmérők

46 Endress + Hauser video Örvényleválásos áramlásmérés (EH_vortex_hu.mpg)

47 Vortex áramlásmérő Kármán elvű áramlásmérő Örvényleválásos áramlásmérő Örvényleválásos áramlásmérés

48 Örvényleválásos áramlásmérés Leonardo DaVinci figyelte meg az örvények alakulását 400 évvel később Kármán Tódor írta le az örvények fizikai hátterét Felépítés Zavarótest a cső közepén, ez zavarja meg az áramlást a csőben Nyomásérzékelő a zavarótest mögött, a legkisebb nyomásváltozások érzékelésére nyomásérzékelő zavarótest

49 Örvényleválásos áramlásmérés Működés Nincs áramlás nincs keletkező örvény minimális áramlási sebesség elérése után fokozatosan megjelennek az örvények (felváltva a zavarótest két oldalán) Kármán-féle örvénysor alakul ki Nyomáskülönbségek frekvenciája megegyezik az örvények gyakoriságával

50 Örvényleválásos áramlásmérés Működés Nincs áramlás nincs keletkező örvény minimális áramlási sebesség elérése után fokozatosan megjelennek az örvények (felváltva a zavarótest két oldalán) Kármán-féle örvénysor alakul ki Nyomáskülönbségek frekvenciája megegyezik az örvények gyakoriságával Két egymást követő örvény távolsága megfelel egy meghatározott folyadék térfogatnak Az érzékelő tökéletesen kiegyensúlyozott, egyedülálló kialakítású szenzor Médium sebessége egyenesen aránylik a örvények frekvenciájához Szűkítés alkalmazható kisebb áramlási sebességek mérésére, a szűkítés nem befolyásolja a pontosságot

51 Örvényleválásos áramlásmérés Működés Hőmérős kialakítással hőmérséklet függő energia és tömeg számítás végezhető (pl.: telített gőz, gáz mérés) Előnyök Robosztus Megbízható Állandó kalibrációs faktorral bír Széles körben elfogadott

52 Érzékelő felépítés Örvényleválásos áramlásmérés áramlás Differenciál erősítő Ház Piezo érzékelő Piezo 1 Piezo 2 Piezo Kimenet PT 1000 class A Piezo 2 Zaj hatása a diff. erősítőn

53 Örvényleválásos áramlásmérés Érzékelő felépítés Beépített hőmérséklet kompenzáció Gőz, gáz és folyadék mérésre Folyadék hőmérséklet: C Re > % for liquids Re > % for gases and steam < Re < % for liquids, gases and steam

54 Örvényleválásos áramlásmérés Piaci részesedés Vegyipar 33% Olaj & gáz 17% Élelmiszer & Ital 7% Erőmű 7% Gyógyszeripar 5% Fa & papír, 5% 22% Gas Steam Liquid 40% 38%

55 Örvényleválásos áramlásmérés Alkalmazási terület Ajánlott alkalmazás Korlátozott alkalmazás Nem ajánlott Kis viszkozitású tiszta folyadékok Gőz, pára, cseppfolyós gázok víz, enyhén korrozív anyagok chemicals with low corrodibility Folyadékok alacsonyabb moderált viszkozitással némileg korroziv anyagok, vegyületek Csomósodásra hajlamos anyagok Viszkózus folyadékok Nagyon korrozív termékek Pelyhedző, csomósodó anyagoknál Többfázisú keverékek

56 Tömegáram mérés Tömegárammérők Előny, hátrány A mérőmű és/vagy a mérőjel-képző szerkezet kimenőjele közvetlenül az áthaladó tömegárammal arányos Termometriás (hőelvonásos, DTszenzoros stb.) áramlásmérők Coriolis erő hatását használó mérők Giroszkópos mérők Hidraulikus Wheatstone híd Hangsebességű (szónikus) mérőtorok és Venturi fúvóka

57 Előnyök A tömegáram mérő jelenleg a legpontosabb áramlásmérő eszköz A pontosság és az ismétlőképesség 0,1% az áramló tömegre vonatkoztatva A méréstartomány átfogás elérheti az 1:1000 arányt is Különleges ismétlőképesség és hosszú idejű stabilitás (nincs mozgó alkatrész) A tömegmérés esetében a hőmérsékleti, viszkozitásbeli, a sűrűségi, a vezetőképességi és a nyomás változás nincs hatással a mérésre

58 Corioilis elvű tömegárammérők

59 Endress + Hauser video Coriolis Tömegáram mérés (EH_coriolis_hu.mpg)

60 Coriolis tömegáram mérés Gaspar Gustav de Coriolis ( ) Felépítés Mérőcsövet egy rezgés gerjesztő mozgásba hoz Be- és kimeneti érzékelők pontosan regisztrálják a cső elmozdulását térben és időben Működés Nincs áramlás a mérőcső egyenletesen leng Áramlás esetén csavarodás rakodik az egyenletes rezgésre, ami a tehetetlenség eredménye Coriolis hatás miatt be- és kimenő csőszakasz rezgése között fáziskülönbség alakul ki

61 Coriolis tömegáram mérés Működés Fázis eltolódás arányos a csőben áramló folyadék vagy gáz mennyiségével Kilengés nagysága arányos az áramlás sebességével Folyadék sűrűségének meghatározására is felhasználható Lengés frekvenciája arányos folyadék sűrűségével Vízzel teli cső gyorsabban leng, mint a mézes Előnyei Több paraméter egyidejű mérésére alkalmas Tömegáram Térfogatáram Sűrűség Hőmérséklet Fázis Coriolis erő Tömegáram [kg/h] Frekvencia Rezonancia Sűrűség [kg/m 3 ] Hőmérséklet Folyadék [ C]

62 Coriolis tömegáram mérés D40-ig egycsöves D40 fölött kétcsöves Fázis különbség zéró áramlásnál Fázis különbség áramlásnál

63 Siemens érzékelők és távadók Coriolis tömegáram mérés Érzékelők MASS 2100 DI 1.5 FC300 DN 4 Jelfeldolgozó egységek MASS 2100 Di 3 Di 40 MC2 DN 20, DN 25 MC2 DN 40 DN 150 MASS MASS 6000 IP67 MASS 6000 Exd SIFLOW FC070

64 Jellemzők MASS 2100 Méret: DI 1.5 (falvastagság: 0,25 mm) Méréstartomány: 0-65 kg/h Kivitel: 1-pipe system Mérőcső (wetted): (SS) vagy (Hastelloy C-22) Folyadék nyomás: 296 bar (SS) 460 bar (Hastelloy C-22) Folyadék hőm.: -50 to C (Std,version) -50 to C (Ht. Version) Doboz anyaga: (SS) Ex-version: Eex ia IIC T3 T6 (ATEX approval) Csatlakozás: 1/4 NPT ANSI B G1/4 ISO 228-1

65 SIEMENS FC család Kétcsöves érzékelők MC2, DN 20, DN 25 MC2, DN 40 DN 80

66 SIEMENS FC430 új áramlásmérő Komplett rendszer Méret: DN15, 25, 50, 80 Méréstartomány: 3,7, 11,5, 52,0, 136,0 tonna Kivitel: 1-pipe system Mérőcső (wetted): 316L Doboz anyaga: 314 SS Folyadék nyomás: 100 bar Folyadék hőm.: -50 to C Zajérzékenység: Hz random nincs hatással Ex-version: ATEX, IECEx, stb. SIL: SIL2 és SIL3 Kimenet: 4-20 ma, HART 7.2 Kijelző: Grafikus Alkalmazás: vegyipar, olajipar, higiéniai területek

67 Alkalmazási területek Ipari terület Vegyipar Petrolkémia Élelmiszer és ital gyártás Gyógyszeripar Autóipar Finomító Energiaipar Közeg Folyadékok Gázok

68 Áramlás mérése nyomásméréssel A p Mérőperem vázlata Alapelv: Szűkítsük le az áramló közeg útját és mérjük a létre jövő nyomásváltozást A 0 szűkítő elem keresztmetszete A p cső keresztmetszete c d kalibrációs együttható Endress + Hauser video (EH_differenzdruck_hu.mpg)

69 Áramlás mérése állandó nyomáseséssel üvegcsöves Rotaméterek fémcsöves Alapelv: tartsuk a nyomásesést állandó értéken úgy, hogy a szabad átáramlási keresztmetszetet változtatjuk, a mérőjelet a keresztmetszet változásának mérésével kapjuk

70 Axiálturbinás áramlásmérés Mérési tartomány: Gázok 0, m 3 /perc Folyadék 0, dm 3 /perc Probléma: szennyeződés

71 Tangenciális turbinás áramlásmérők egysugaras többsugaras

72 Forgó rendszerű áramlásmérés fogaskerekes oválkerekes forgólapátos

73 Keringőelemes áramlásmérő vázlata 1, ház 2, csigatengely 3, keringőelem (golyó) 4, induktív érzékelő 5, horony a keringőelem számára