Misuratore di portata per una migliore misurazione del flusso di gas

In passato poteva essere accettabile assimilare queste spese come spese generali necessarie per condurre gli affari, ma sempre più aziende stanno iniziando ad analizzare i materiali di consumo usati nei processi di trattamento termico, per determinare la redditività di ogni singolo processo: in questo scenario si inserisce la corretta scelta del misuratore di portata.

Pertanto, è importante implementare una strategia per aggiungere dispositivi di misurazione della portata di gas accurati ed efficaci in termini di costi a riscaldatori, caldaie e attrezzature di cogenerazione.

Tecnologie generali dei misuratori di portata

Una volta che si è deciso di aggiungere questo ulteriore elemento di misurazione, dovrebbe essere relativamente facile effettuare la scelta del misuratore di portata che soddisfi le proprie esigenze. Sono disponibili la Pressione Differenziale con elementi di flusso primario, Magnetica, Ultrasuoni, Turbina, Venturi, Rotametro, Coriolis,

Basic Flow Rate Formulas

Diffusione dei Vortici, Dispersione Termica e molte altre tecnologie. Si può aggiungere lo stesso tipo di misurazione usato in altre parti dell'impianto, dato che si ha una certa familiarità con esso, oppure si può cercare "misuratori di portata" sul web e trovare rapidamente un paio di misuratori, qualcosa di economico o ad alta tecnologia, che farà il lavoro per noi.

Quanto può essere difficile? Sfortunatamente, richiede più analisi di questa per assicurarci di ottenere il giusto misuratore di portata per il caso specifico. Tutti noi dovremmo ormai capire che ci sono vantaggi e svantaggi associati a qualsiasi tipo di tecnologia utilizzata nella misurazione dei processi.

Solo il tipo di fluido che stiamo cercando di misurare può limitare le opzioni disponibili. I fluidi si presentano sotto forma di liquidi, liquami, gas e vapore. Le preoccupazioni associate alla misura della portata di un liquido o di un liquame sono minori, dato che sono considerati incomprimibili e, se omogenei, hanno una densità costante.

I gas richiedono più attenzione, dato che sono comprimibili, il che si traduce in una densità che varia al cambiare della pressione e della temperatura del processo. Il vapore presenta la sua propria serie di complicazioni poiché non solo è comprimibile, ma ha un alto contenuto di umidità a temperature relativamente alte.

Per gli scopi di questo articolo, esamineremo le differenze tra liquidi e gas. Per motivi che verranno esposti, un metodo collaudato per misurare un liquido non si traduce necessariamente in una buona soluzione per misurare un gas.

Quando si sceglie un misuratore di portata per la misurazione dei gas, si dovrebbero prendere in considerazione, ma non necessariamente solo, i seguenti elementi: precisione, rapporti di turndown, cadute di pressione, temperature di processo, requisiti aggiuntivi del sensore e connessioni al processo.

Per aiutare a sviluppare un metodo che ci permetta di confrontare efficacemente le tecnologie, esamineremo in modo specifico come questi fattori vengono gestiti dalle tecnologie di pressione differenziale e dispersione termica.

Tecnologia della pressione differenziale

Il metodo più comune per misurare la portata del liquido è quello di utilizzare un trasmettitore di pressione differenziale (DP) con una piastra di orifizio a spigoli vivi. L'estrazione della radice quadrata della caduta di pressione attraverso l'orifizio è direttamente proporzionale alla portata volumetrica nel tubo (Figura 1).

Altri elementi primari di flusso utilizzati per effettuare misurazioni simili con i trasmettitori DP sono i tubi di Pitot, i tubi di Pitot mediatori (ad es. Annubar), i v-wedges e i v-cones (ad es. McCrometer).

Questi stessi strumenti sono spesso utilizzati nella misurazione della portata del gas per mantenere l'uniformità della strumentazione in tutto l'impianto. Mentre questo è ragionevole dal punto di vista della manutenzione e dell'inventario, il nostro vero obiettivo è quello di migliorare la misurazione della portata di gas del processo.

Poiché ora stiamo cercando di misurare un gas comprimibile, dobbiamo comprendere che conoscere la portata massica è più utile rispetto alla portata volumetrica (Figura 2). Senza considerare che la densità di un gas cambierà con le variazioni di temperatura e pressione del processo, una lettura della portata volumetrica non sarà una rappresentazione accurata del consumo reale di gas in un processo.

Questa limitazione dei misuratori di portata volumetrica in applicazioni di gas può essere superata. L'aggiunta di trasmettitori di pressione e temperatura può fornire i dati necessari per compensare i cambiamenti di densità del gas nelle condizioni di processo. L'invio dei valori di flusso, temperatura e pressione al PLC o al DCS permetterà il calcolo della portata massica.

A questo punto abbiamo aggiunto complessità, spese extra per i sensori e spese extra per l'installazione alla nostra misurazione della portata di gas (Figura 3). Quando si lavora con elementi di flusso come un orifizio o un tubo di Pitot mediatore, l'uso di un trasmettitore multi-variabile semplificherebbe sicuramente la nostra installazione. Diversi fattori entrano in gioco quando si determina la precisione effettiva di un trasmettitore DP utilizzato in combinazione con un elemento di flusso primario.

Non dobbiamo partire dalla convinzione errata che un trasmettitore DP fornirà una precisione di +/- 0,1% o superiore, a seconda del produttore. Se si esaminassero meglio le specifiche, la precisione potrebbe variare con il rapporto di span (turndown), la percentuale di portata misurata, il drift a lungo termine, gli effetti della temperatura e gli effetti della pressione statica.

Nelle migliori condizioni, l'accuratezza può essere superiore al +/- 1%, ma la vera precisione può essere del +/- 5% o superiore nelle reali condizioni di processo. Non abbiamo ancora preso in considerazione le imprecisioni aggiuntive associate ai trasmettitori di pressione e temperatura supplementari, richiesti in quanto stiamo cercando di determinare la portata massica, non volumetrica!

Possiamo ridurre ulteriormente la precisione nel caso in cui il gas abbia particelle che possono accumularsi intorno ai bordi dell'orifizio o tappare le piccole aperture in un tubo di Pitot nel corso del tempo. Un elemento di flusso v-wedge può essere più tollerante nelle applicazioni con gas sporco.

Quando si usa un trasmettitore DP con un orifizio, il rapporto di turndown dovrebbe essere più sulla linea di 10:1, o forse 20:1, a seconda del trasmettitore. Questo potrebbe diventare un problema significativo quando la portata di gas richiesta è alta per un processo e molto bassa per un altro.

Senza un adeguato turndown, potremmo ritrovarci con un misuratore che è in grado di misurare accuratamente solo la parte alta dell'intervallo di portata. È una pratica comune quella di "impilare" misuratori di varia portata per prendere le letture dallo stesso elemento di flusso primario al fine di aumentare il campo di flusso misurato.

Questo approccio aumenta ulteriormente il costo e la complessità del nostro sistema. L'uso di un orifizio a spigolo vivo o di qualsiasi altro tipo di elemento di flusso primario ha lo scopo di creare una differenza di pressione misurabile.

Anche se la caduta di pressione non è critica in ogni applicazione con gas, ha un impatto sull'efficienza di un processo sotto forma di energia sprecata. Per una piastra di orifizio, questa perdita potrebbe essere significativa nel corso della durata del nostro processo.

La mediazione dei tubi di Pitot o delle v-wedge può limitare queste perdite, riducendo la dimensione dell'ostruzione nella linea di flusso. Nel caso di un orifizio, questa perdita può essere dell'ordine di 50? c.a., in una linea da 4'' per una portata di 3.000 SCFM. Date le stesse condizioni, questo valore può essere inferiore a 20? c.a. per un tubo di Pitot medio e un v-wedge.

Con basse pressioni di processo, queste perdite possono limitare la nostra capacità di mantenere la portata minima richiesta dal nostro sistema. Quando si eseguono misurazioni della portata massica, dobbiamo prendere in considerazione le temperature effettive del processo.

Anche se ci sono molte applicazioni in cui i gas vengono forniti a condizioni ambientali, ci sono anche applicazioni in sistemi di riscaldamento e cogenerazione in cui le temperature possono essere piuttosto elevate. La maggior parte dei trasmettitori DP sono classificati per temperature fino a 250 °F in corrispondenza della cella di misura.

Per quelle applicazioni che superano significativamente questo valore, per esempio 500 °F o simili, sarà necessario utilizzare un tubo a impulsi per dissipare il calore extra dal processo. Una regola generale è circa 30 cm di tubo in acciaio inossidabile per 100 °F. Per temperature ancora più elevate, può essere richiesto l'uso di una guarnizione di processo (chimica) con un fluido di riempimento non espandibile.

L'uso di una tubazione a impulso o di una guarnizione di processo non è una grande preoccupazione, ma dobbiamo essere consapevoli che rallenterà il tempo di risposta del misuratore, aggiungerà costi e complessità alla nostra installazione e richiederà un'adeguata altitudine se c'è condensa nelle condutture.

La corretta installazione di un trasmettitore DP su un elemento di flusso primario aggiunge ulteriore complessità alla nostra installazione. Per garantire la precisione, i trasmettitori DP richiedono controlli periodici di calibrazione. Per eseguire questi controlli con il sistema in funzione, è comune l'installazione di un collettore a 5 vie tra l'elemento di flusso e il trasmettitore.

- Tecnologia a Dispersione Termica
- Condizioni di flusso ideali o reali

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