Hur definierar man flödet som ska mätas?

Flödesmätning bestämmer mängden per tidsenhet som flödar genom ett rörsystem. Mediet kan vara en vätska, en gas eller ånga. Vid flödesmätning görs en åtskillnad mellan volymflödesmätning och massflödesmätning.

Volymflöde

Volymflödet är den volym som flödar genom ett rör per tidsenhet (i l/h, cfm osv.). De flesta av de system som presenteras här mäter volymflödet.

Massflöde

Massflödet definieras som den massa som flödar genom ett system per tidsenhet (i kg/h, t/h etc.). Om ett mediums densitet är konstant kan massflödet bestämmas genom att multiplicera volymflödet med densiteten. Om densiteten inte är konstant – vilket ofta är fallet med ånga och gaser – måste den också mätas med mätteknik.

I vilka tillämpningar behöver flödet mätas?

I många tillämpningar är det enda kravet att detektera om ett minimiflöde av ett medium förekommer. Användning av flödesmonitorer krävs då för att tillhandahålla exempelvis torrkörningsskydd för pumpar.

Den sensorteknik som presenteras här används dock för kontinuerlig flödesmätning och används i tillämpningar som:

• Fyllning av slutprodukter i flaskor, behållare eller tankar
• Övervakning eller visning av den totala flödeshastigheten i olika processer
• I system som är godkända för handel, såsom bränslepumpar eller varm- och kallvattenmätare etc.

Vilka är kraven för flödesmätning?

Kraven på flödesmätaren varierar kraftigt beroende på mätuppgiften. God repeterbarhet krävs för påfyllning. I system som är godkända för handel krävs ett typgodkännandecertifikat (åtminstone inom EU). På samma sätt finns det ett antal krav som är relaterade till en specifik applikation eller bransch för övervakning och visning av den totala flödeshastigheten i processen. Dessa krav beror bland annat på typen av medium som ska mätas och noggrannhetskraven, men också på lagliga skyldigheter såsom tryckutrustningsdirektivet i EU eller explosionsskydd enligt ATEX-direktivet.

Vilka medier mäter en flödesgivare?

Mediet delas in i fyra olika kategorier, för vilka endast utvald sensorteknik kan användas:

• Ledande vätskor (>20 ?S/cm): syror, baser, öl, mjölk, dricksvatten etc.
• Icke-ledande vätskor: alkoholer, glykoler, mineraloljebaserade vätskor, avjoniserat vatten etc.
• Gaser: syre, kväve, tryckluft, naturgas etc.
• Ånga: mättad ånga, överhettad ånga

Vilka mätmetoder finns det för flödesmätning?

Flödesmätare fungerar enligt olika mätprinciper, men ingen av dem kan mäta alla medier i de tidigare angivna kategorierna. I följande tabell listas vanliga mätmetoder och vilka vätskekategorier som kan mätas med dem.

Coriolis-flödesmätning

De ganska komplexa och mycket dyra flödesmätarna som baseras på Coriolis-principen har en unik försäljningsargument jämfört med alla andra principer som presenteras här. Du kan bestämma massflödet (kg/h, t/h, etc.) även om densiteten inte är konstant.

Coriolis-flödesmätare innehåller till exempel ett rör som ständigt oscillerar av en exciter. Om inget flöde förekommer oscillerar mätröret jämnt fram och tillbaka över hela längden. Om ett flöde förekommer resulterar mätmedlets tröghet i en gungande rörelse längs röret i form av en våg. Sektionerna i början och slutet av röret oscillerar då i olika riktningar samtidigt (dvs. med en fasförskjutning). Fasförskjutningen ? mäts ? det är ett direkt mått på flödet

v ~ ?.

Om röret är fyllt med ett tyngre medium vibrerar det med en lägre frekvens. Frekvensen är därför ett mått på mätmediets densitet. Genom flödet och densiteten bestämmer flödesmätarna massflödet.

Coriolis-flödesmätare anses vara de mest exakta inline-flödesmätarna på marknaden, med specifikationer som börjar på 0,05 % av det uppmätta värdet.

Elektromagnetisk flödesmätning

En elektromagnetisk flödesmätare (EMF) mäter enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion. Den består av ett mätrör av metall genom vilket det ledande mätmediet flödar. Spolar genererar ett magnetfält som leds genom mediet vinkelrätt mot flödesriktningen.

En spänning induceras så snart den ledande vätskan rör sig genom det ortogonala magnetfältet. Den inducerade spänningen mäts via elektroder som är placerade i en vinkel på 90 grader mot vätskan och magnetfältet (högerhandsregeln).

Den inducerade spänningen är proportionell mot flödeshastigheten.

v ~_Uind

Ultraljudsflödesmätning

För ultraljudsflödesmätning används huvudsakligen två olika fysikaliska principer: transittidsprincipen och Dopplerprincipen. Marknaden domineras av transittidsprincipen som beskrivs här.

Ultraljud är en mekanisk eller akustisk våg som bromsas upp mot strömmen och accelereras med strömmen. Vid flödesmätningar med ultraljud mäts de olika transittiderna (med och mot strömmen) för samma sektion. Skillnaden mellan de två tiderna är måttet på flödeshastigheten.

V ~ ? t

För att mäta tidsskillnaden behövs två givare, som fungerar som "högtalare" och "mikrofon".

Virvelflödesmätning

Virvelmätningsprincipen baseras på Krmn-virvelsträngen, där ett föremål med ett flöde runt sig orsakar motroterande virvlar. I praktiken skapas virvlar i det strömmande mediet genom att man inför ett hinder i röret. Virvlarna är motroterande och lossnar växelvis från hindret på vänster och höger sida. Virvlarna bildar lokala tryckskillnader bakom hindret, som registreras av en lämpligt utformad sensor. Sensorn mäter antalet virvlar per tidsenhet (dvs. frekvensen av de virvlar som uppstår). Frekvensen är proportionell mot flödeshastigheten.

v ~ ?

Kalorimetrisk flödesmätning

Metoden använder två motståndssensorer, varav den ena används som värmeelement och den andra som avkänningselement för medietemperaturen. Temperaturskillnaden mellan värmeelementet Pt100 och mediet hålls konstant och den värmeeffekt som krävs för detta mäts. Ju högre flödet av mediet är, desto mer värmeeffekt krävs för att hålla temperaturskillnaden konstant. På detta sätt kan slutsatser dras om respektive totaliserad flödeshastighet genom värmeeffekten.

Den tillförda effekten är ett mått på flödeshastigheten:

v ~ P

Flödesmätning med differenstryck/primärelement

Primärelement inkluderar strypplattor, pitotrör eller venturirör. De installeras i röret och genererar ett differenstryck som mäts, till exempel i strypplattan, via det statiska trycket uppströms och nedströms strypplattan. Flödeshastigheten kan bestämmas utifrån differenstrycket enligt Bernoullis ekvation; den är proportionell mot kvadratroten av differenstrycket:

v ~ ??p

Lämpliga differenstrycksensorer krävs för att mäta differenstrycket. Noggrannheten består därmed av osäkerheten hos primärelementet och differenstryckgivaren.

Paddlehjulets flödesmätning

Paddlehjulet roteras av medlets flöde och en induktiv pulsgenerator som är fäst vid höljet avger en puls per paddlehjul som passerar. Pulsfrekvensen är ett direkt mått på flödeshastigheten:

v ~ ?

Många paddelhjulssensorer avger pulssignalen direkt och en utvärderingsenhet bestämmer flödet utifrån den. Alternativt kan sensorerna också utrustas med elektroniska komponenter som omvandlar pulssignalen till en analog signal och matar den till utvärderingsenheten.

Hur väljer man rätt sensor för flödesmätning?

Mätprincipen måste vara lämplig för mediet, som beskrivits ovan. Andra krav som en flödesmätare måste uppfylla är:

• Driftsförhållanden (flödesområde, tryck, temperatur, materialkompatibilitet)
• Installationsförhållanden (inlopps-/utloppssektioner, rördragning, installation)
• Miljöpåverkan (temperatur, fukt, vibrationer)
• Lagkrav (explosionsskydd, kalibreringsskyldighet)

Valet kompliceras ytterligare av bredare praktiska begränsningar:

• Innehåll av fasta ämnen eller gas
• Icke-optimal installationssituation
• Kostnad kontra noggrannhet

På grund av dessa olika utmaningar är det viktigt att rådfråga experter vid valet av flödesmätare.