Flowskolen 1:8

Mengdemåling: Slik er mediets egenskaper og strømning

Automatiserings "Flowskole" del 1 dekker mediets egenskaper og strøming, som er vitalt for valg av måleprinsipp.

Even Fladberg
Nyhetsbrev
23. mars 2013 - 10:19

Se alle ledige jobber

Mediets egenskaper

I tillegg til mediets strømninger, er mediets egenskaper avgjørende for valg av måleprinsipp:

Fasetilstand! Mediet kan bestå av, eller være i flere faser. Flerfase består enten av flere aggregattilstander (væske og gass), eller som en blanding av stoffer som ikke er løselig i hverandre (vann og olje, væske og fast stoff), eller som en kombinasjon. (Olje, gass og vann blanding).
Homogenitet! Med dette menes enfase medier, eventuelt blandinger av medier i samme aggregattilstand som er fri for innblandinger av stoff i en annen fase. (Væskeblandinger er fri fra gassbobler. Gass er fri fra væskedråper).
Mediets fysikalske egenskaper! Det er meget viktig å ha kjennskap til de fysikalske egenskaper, til mediet, som skal måles under de trykk og temperaturer som eksisterer i måleren. For eksempel for måleblender og rotametere, er det absolutt nødvendig å kunne tallfeste mediets densitet for å kunne beregne elementets karakteristikk. Feil oppgitt densitet gir direkte feil i målingen. I andre tilfeller er det viktig å vite mediets ledningsevne for å sikre om bruk av elektromagnetiske mengdemålere er et riktig valg.
Densitet! Densiteten bestemmes av mediets kjemiske sammensetning, trykk og temperatur. Den kan enten beregnes ved bruk av beregningsformler, eller finnes ved hjelp av tabellverdier. Densiteten kan også måles direkte med instrumenter. Densiteten er avgjørende for Vortexmålere og turbinmålere når det gjelder å definere måleområdet (spesielt for gass). Det er nødvendig å kjenne densiteten både for å bestemme volumstrøm og massestrøm med måleblende.
Viskositet! Eksempel på viskositetens betydning for måleresultatet er at kalibreringskurven til volummålere og turbinmålere, til dels sterkt avhenger av mediets viskositet.
Akustiske egenskaper! Mediets akustiske egenskaper må være kjent før valg av ultralyd mengdemålere.
Elektrisk ledningsevne! Må kjennes før man vurderer bruk av elektromagnetiske mengdemålere.
Smøreegenskaper! Har en betydning for alle målere med bevegelige deler.

Strømninger

Foruten mediets fysikalske egenskaper, er mediets strømning viktig for avgjørelse av målemetode:

Strømningshastighet! Mediets hastighet må være tilpasset den aktuelle måleren. For enkelte målere vil det gunstigste hastighetsområdet være avhengig av densitet og/eller viskositet. For å tilpasse hastigheten til en målers kapasitet, kan det i enkelte tilfeller være nødvendig å endre rørdiameteren.
Hastighetsprofil! Med hastighetsprofil menes måten mediet strømmer i røret. Dette inkluderer hvordan den aksielle hastigheten fordeler seg over rørtverrsnittet og
Hvordan mediet beveger seg i forhold til den aksielle retning i hvert punkt i rørtverrsnittet.
Fullt utviklet hastighetsprofil! Med dette menes i praksis den hastighetsprofilen som oppnås etter strømning i ett rett og innvendig glatt rør, som har en lengde på 100 ganger innvendig rørdiameter (100xD).
Reynholds tall! Hvordan denne fullt utviklede hastighetsprofilen ser ut, bestemmes av Reynholdstallet. Dette er en strømningsteknisk størrelse, som kombinerer hastigheten (Velocity), densitet, dynamisk viskositet og rørdiameter i følgende formell: Re= (Density x Velocity x Rørdiameter) / Viskositet.
Fullt utviklet hastighetsprofil kjennetegnes av at den er symmetrisk omkring røraksen, at den høyeste hastigheten er i midten av røret, og at hastigheten gradvis avtar utover mot rørveggen.
Noen målere krever en fullt utviklet profil for å kunne måle med spesifisert målenøyaktighet, mens andre kun krever en rotasjonsfri og symmetrisk profil.
Usymmetrisk hastighetsprofil, og roterende strømning, oppstår umiddelbart etter ethvert avvik fra rett rør med konstant diameter. Hvor raskt den roterende bevegelsen dør ut, og hvor langt mediet må strømme for å utvikle en symmetrisk profil, avhenger av hvor sterkt hastighetsprofilen er forstyrret, hva slags element som har forstyrret strømningen, Reynholdstallet og ruheten på rørveggen.
Generelt vil større ruhet og lavere Reynholdstall føre til en raskere utvikling av symmetrisk profil.
En måte å rette opp en forstyrret hastighetsprofil raskere, enn det som vil være den naturlige opprettingen, er å installere strømningsrettere.
Pulserende strømning! Selv om hastigheten og profilen skulle være gunstig for målertypen, kan det ha betydning for måleresultatet hvor raskt hastigheten endrer seg. Dette skyldes i stor grad at målere har en begrenset tidsrespons, og at enkelte målere krever strømning uten pulsering.
En måte å rette opp pulsering, kan være å øke volumet i rørføringen mellom pumpe og måleutstyr.

Alle innen industri og kommunal sektor har behov for å kunne måle og regulere strømmende medier. For å møte dette behovet, er det konstruert en mengde ulike givere som arbeider etter ulike metoder. Ved strømningsmåling benyttes både direkte og indirekte målemetoder.

Med strømning menes mengden av et gjennomstrømmende medium per tidsenhet. Det må skilles mellom hva som er volumstrømning og hva som er massestrømning. Ifølge SI, uttrykkes volumstrømning i m3/s, m3/h eller l/s, og betegnes qv. Massestrømningen skal (ifølge SI) måles i Kg/s, samt betegnes qm.

Weakest link?

Gjennomstrømning er en viktig parameter, som det er nødvendig å kunne kontrollere og regulere i forbindelse med mange ulike prosesser. Derfor må vi ha tilgang til en hensiktsmessig og pålitelig signalgiver for strømningsbestemmelse, det vil si en strømningsmåler.

Signalgiveren representerer ofte det ”svake ledd ” i et måle- eller reguleringssystem. Dette skyldes imidlertid ofte uhensiktsmessige målere, feil installasjon eller feilaktig tolking av giverens egenskaper.

Det finnes ingen universalmåler for strømning. Men den raske utviklingen har resultert i stadig bedre målere av flere ulike typer.

Strømningsmålere kan klassifiseres etter den fysikalske målemetode som ligger til grunn for strømningsbestemmelsen. Innenfor rammen av hver målemetode finnes ofte en mengde ulike varianter, som imidlertid pleier å inneholde en hel del felles likheter med hensyn til anvendelsesområdene. En oppdeling etter metode vil derfor også til en viss grad angi anvendelsesområder.

Bruksbetingelser

For at strømningsmålere skal virke innenfor den nøyaktigheten som er spesifisert, må en rekke forutsetninger være tilstede. Disse forutsetningene kalles krav til bruksbetingelser. En strømningsmålers kvalitet vil påvirkes av i hvor stor grad kravene til bruksbetingelsene er oppfylt. Disse omfatter i denne sammenheng følgende forhold:

Mediets egenskaper.
Måten mediet strømmer på.
Installasjonsbetingelser.
Omgivelsesforhold.

Mediets egenskaper er grunnleggende for valg av måleprinsipp. Dette inkluderer fasetilstand, homogenitet, fysikalske egenskaper, densitet, viskositet samt akustiske-, elektriske- og smøreegenskaper. Se eget avsnitt om ”Mediets egenskaper” nedenfor for detaljer.

Også mediets strømninger påvirker valg av måleprinsipp. Se eget avsnitt om ”strømninger”, som omfatter hastighet, profil (Reynholds tall) og pulserende eller ikke-pulserende strømning.

Måleenheter

Følgende måleenheter benyttes for mengdemåling:

V – Strømningshastighet! Med strømningshastighet menes hastigheten til et medie i et visst punkt.

Qv - Volumgjennomstrømning, eller det totale gjennomstrømmende volum, er måleenheten som man oftest ønsker å bestemme. De fleste målere gir derfor et utgangssignal som relateres til volumstrømmen, enten ved at måleren kjenner det direkte volumet, middelhastigheten eller en hvilken som helst annen enhet som indirekte avhenger av volumgjennomstrømningen. Kalibreringen i m3/h eller l/min avhenger derfor ofte på mediets densitet, viskositet, temperaturer m. m.

Qm - massegjennomstrømning representerer den vektmengde som passerer per tidsenhet.

Måleområder

Måleområde og måleomfang defineres slik:

Måleområde er det område innenfor de spesifikasjoner på målenøyaktighet som gjelder for måleren.

Måleområdets øvre grense bestemmes av den største gjennomstrømningen som kan måles. Utover denne maksimumsstrømningen kan måleren som regel overbelastes uten å få varige defekter.

Måleområdets nedre grense. Det anvendelige visningsområdet for en gjennomstrømningsmåler går sjelden fra null. Dette er nedre grense for målerens dynamikk, det vil si forholdet mellom øvre og nedre grense for et og samme måleområde.

Måleomfang (rangeability) blir vanligvis angitt som mål på dynamikken, men inkluderer ofte den variasjon av følsomheten som visse målere har mulighet til.

Måleunøyaktighet

Graden av informasjon som målingen gir, avhenger av målingens pålitelighet. Målenøyaktigheten er derfor alltid en vesentlig faktor å ta hensyn til. Denne kan spesifiseres på ulike måter, for eksempel:

(a) i % av aktuell måleverdi.

(b) i % av måleområdets øvre grense.

(d) den høyeste unøyaktighet ifølge (a) respektive (b).

(e) den minste unøyaktighet ifølge (a) respektive (b).

Den relative unøyaktighet vises best med en feilkurve, som funksjon av måleverdien.

Utgangssignaler

Utgangssignaler, fra mengdemålere, er tilgjengelig på en eller flere måter:

Analoge utgangssignaler, vanligvis 4 - 20 mA. I noen tilfeller er også spenningsutganger brukt, som for eksempel 0 - 10 V.
Pulsutgang, benyttes ofte der det er krav til god oppløsning på måleresultatet. Benyttes ofte i direkte oppkobling mot telleverk, som for eksempel der man ønsker å få angitt en puls per liter.
Feltbusser. Profibus, Fieldbus Foundation (FF) og andre busstilkoblinger kommuniserer digitalt mellom måleutstyr og styresystemer. I stedet for variasjoner på den analoge utgangen, ”snakker” utstyret med styresystemet ved hjelp av digital kommunikasjon.
Klassiske Hart kommuniserer digitalt overlagret den analoge utgangen på måleren.
Trådløst: Hart (ovenfor) finnes også en en trådløs versjon, WirelessHart. Et annet alternativ er ISA 100 Wireless.