Go with the Flow 2012

Transcriptie

1 Products Solutions Services Go with the Flow 2012 Basisbegrippen in Industriële Flow Metingen Slide 1 / 64

2 5 Sessies (eigenlijk 9) Basisbegrippen in Flow- en Debietmetingen Verschildruk- en vortex debietmetingen: is de oude technologie nog efficiënt genoeg? Verschildruk Vortex Conductiviteit van een product bepaalt het meetprincipe Electromagnetisch Ultrasoon Debietmetingen met massa en thermische metingen Coriolis Thermisch Calibratie als basis voor ijkwaardige metingen Custody Transfer & TOC Calibratie Slide 2 / 64

3 Agenda Sessie 1 : Intro & Overview 1. Basisbegrippen & Terminologie bij flowmetingen 2. Flow meetprincipes Grote verscheidenheid : kort overzicht Selectie- & toepassingscriteria 3. Inbouw- & Installatievoorschriften 4. Materialen 5. Electrische interfaces 6. Verificatie, Calibratie & IJken 7. Hoe & waar verder? Slide 3 / 64

4 Documentatie Slide 4 / 64

5 Flow meten is belangrijk! Flowmeetpunten zijn dikwijls kritieke meetpunten in een productie proces Verschillende doeleinden : Indicatie/Visualisatie & Proces-controle Productie volume Productie kwaliteit Voorraadbeheer : voorraadveranderingen, be- & overladen Levering van grondstoffen & brandstoffen Custody transfer Energie : custody transfer, ook voor subsidies Opmaken van massa- en energie-balansen, efficiëntie verbeteren Kosten-beheer & kosten-verdeling binnen bedrijf Veiligheid : explosie, voedselveiligheid, functionele Slide 5 / 64

6 Basisbegrippen & Terminologie Slide 6 / 64

7 Basisbegrippen & Terminologie Slide 7 / 64

8 Basisbegrippen & Terminologie Mass flow Q M - Volume flow Q V Corrected or normalized volume flow Q N Q M [kg/h] = Q V [m³/h]* [kg/m³] Normal conditions : 0 C / 1,013 bar abs Standard conditions : 15 C / 1,013 bar abs Q N [Nm³/h] = Q M [kg/h] / N [kg/m³] = (Q V [m³/h] * p [bar abs] * 273,15 [K]) / (T [K] * 1,013 [bar abs]) for ideal gases Slide 8 / 64

9 Basisbegrippen & Terminologie Pressure p : absolute (bar abs, MPa abs), relative (bar rel, MPa rel) Absolute pressure Relative pressure p abs = p rel + p atm (1,013 bar abs) Temperature T in C, F, K K = C + 273,15 Density kg/m³, kg/l, g/l, g/cm³, Viscosity or cst, cp, mpa.s, Ns/m², Reynolds number Conductivity S, S Slide 9 / 64

10 Basisbegrippen & Terminologie Accuracy Repeatability High Accuracy (Pulse output) Promag 50/53 - W/P/H ± 0.2% / 0.50% o.r. ± 1 mm/s Promag 23 P/H ± 0.50% o.r. ± 4.0 mm/s Excellent Repeatability Standard ± 0.10% o.r. ± 0.5 mm/s Rangeability Slide 10 / 64

11 Flow Meetprincipes Flow in closed pipes 70% Volume Mass Direct Methods Indirect Methods Direct Methods Indirect Methods Positive Displacement Diff. Pressure Variable Area Turbine Vortex Electromagnetic Ultrasonic Insertion devices Miscellaneous Coriolis Thermal Weighing Systems Solids type meters Separate measurements of Q and r Mass calculation with separate metering of Q, p and T) Slide 11 / 64

12 Flow Meetprincipes Flow in open lines & channels 30% Flumes Weirs Other Methods Parshall Palmer-Bowlus Khafagi Rectangular (with/without restriction) Trapezoidal (with/without restriction) Special Flumes Triangular (Vshaped) Rectangular (with/without restriction) Trapezoidal Broad-crested Compound (with multiple sections) Sharp-edged (plate weirs) Special Weirs Velocity-area methods (current meter, ultrasoncis) Use of tracer methods Electromagnetic Level Measurement (ultrasonics, diff. pressure, float, etc ) Solids type meters Slide 12 / 64

13 Meetprincipe : Positive Displacement Slide 13 / 64

14 Meetprincipe : Positive Displacement Slide 14 / 64

15 Meetprincipe : Variable Area Slide 15 / 64

16 Meetprincipe : Variable Area Slide 16 / 64

17 Meetprincipe : Turbine Slide 17 / 64

18 Meetprincipe : Diff. Pressure (dp) Video clip : Flow-dP (also on YouTube) 4:49 min Important : Artificial restriction in pipe : orifice plate, venturi, nozzles, pitot tube Bernouilli s Law changing velocity in restriction pressure 2 pressure measurement points comparison difference Pressure diff. directly proportional to flow velocity volume & massflow Concerns : Excessive pressure drop Abrasion, due to solid particles Turbulences, disturbing a reliable measurement All liquids, gases and steam can be measured High process pressures & temperatures Slide 18 / 64

19 Meetprincipe : dp - Primary Elements Slide 19 / 64

20 Meetprincipe : Electromagnetisch Video clip : Flow-Electromagnetic (also on YouTube) 4:42 min Important : Faraday s law : an electrical current can be generated by movement through a magnetic field For electrically conductive fluids : + and charged particles in fluid cause voltage difference in opposite sensors Water, acids, alkalis Flow-volume can be calculated (with pipediameter) External disturbances eliminated by alternating magnetic fields Slide 20 / 64

21 Meetprincipe : Thermisch Video clip : Flow-Thermal (also on YouTube) 5:19 min Important : Gases Independent of gas temperature Heating element cooling effect by gas flow Proportional to the gas mass flow in pipe Measurement influenced by gas density Measurement influenced by gas thermal properties Slide 21 / 64

22 Meetprincipe : Ultrasoon Video clip : Flow-Ultrasonic (also on YouTube) 4:31 min Important : Diagonally placed piezo-electric sensors, alternating ultrasonic sound pulses & detection of time differences Acceleration/deceleration of sound pulses represents flow velocity Calculate flow volume (with pipediameter) Flexible mounting, process safety and low cost 2 nd version : Clamp-on : no intrusion in pipe up to large diams t Slide 22 / 64

23 Meetprincipe : Vortex Video clip : Flow-Vortex (also on YouTube) 4:31 min Important : Fixed obstruction disturbing flow vorteces mechanical sensor picks up oscillating waves of pressure Uninfluenced by pipe vibration, pressure surges & temp shocks Frequency of vorteces represents flow velocity, hence volume-flow Total volume-flow is calculated by counting passing vorteces If low velocity, then no vorteces reduce diameter of vortex meter Combines with temp meter calculate mass & energy flow Ideal for saturated steam & gases Slide 23 / 64

24 Meetprincipe : Coriolis Video clip : Flow-Coriolis (also on YouTube) 3:55 min Important : Direct mass flow measurement By measurement of phase-shift of excited bent tube Highest accuracy Simultaneous density measurement Multiparameter measurement By measurement of changing frequency of exited bent tube Viscosity, Fat content Often combined with temperature Q m f R Slide 24 / 64

25 Meetprincipe : Niveau bij Open Kanaal Slide 25 / 64

26 Selectie & toepassingscriteria Flow meter selection is complicated, partly due to the number of designs and technologies, but also to the great many factors that influences the choice Basic considerations that affect the meter selection : Fluid properties considerations Installation considerations Environmental considerations Economic considerations Performance considerations (device properties) Once all the influencing factors have been clarified and the application defined in detail, it is time to consider which flow measuring principle will be the most suitable for the application Slide 26 / 64

27 Selectie- & toepassingscriteria Technology Fluid Conductive Liquids Low viscosity High viscosity Non-conductive Liquids Low viscosity High viscosity Gases Steam Promag Electromagnetic Promass Coriolis Prowirl Vortex Prosonic Flow Ultrasonic T Mass Thermal Mass Slide 27 / 64 Deltatop Differential Pressure

28 Selectie- & toepassingscriteria Flow Meter Type Measuring principle Volume or Mass Fluid DN (mm) T range ( C) P range (bar a) Accuracy (% or) Rangeability Repeatability (% or) Price average ( ) Electromagnetic flow meter Faraday Law Volume Liquids µs/cm > :1 0,50 0,20 0, Coriolis mass flow meter Coriolis forces Mass Liquids Gases :1 L: 0,10 G: 0,35 0, Vortex flow meter Vortex effect Volume Liquids Gases Steam L: 25:1 G: 15:1 L: 0,75 G: 1,00 S: 1,00 0, Ultrasonic flow meter Transit time of sound pulse Volume Liquids No limit 100:1 0,50 2,00 0, Thermal mass flow meter Thermal dispersion Mass Pure gases :1 2,00 0, DP flow meter Slide 28 / 64 Differential Volume pressure and Mass Liquids Gases Steam No limit No limit 3:1 10:1 0,50 2,00 0,

29 Selectie- & toepassingscriteria : Verdere overwegingen Measurement range Responsiviteit van de meting Multi-phase flow : mix van vloeistof en gas(sen) Niet-homogene media Slurries, zand & steen Niet-volle pijp, lege pijp detectie Neerslag/Sediment vanuit de gemeten vloeistof Pulserende flow, drukstoten, vacuum Hoge werkdruk, of zeer lage werkdruk Hoge werktemperatuur of zeer lage werktemperatuur Slide 29 / 64

30 Selectie- & toepassingscriteria : Verdere overwegingen Continuous of batch process Locatie & plaatsing : Diameter leiding, orientatie (horizontaal of verticaal), in-let & out-let runs, vibraties, safe of Ex area, pompen of compressoren dichtbij, Toegankelijkheid voor onderhoud en calibratie Budget Aanschaf flowmeter Installatie-kosten Slide 30 / 64

31 Selectie- & toepassingscriteria : Verdere overwegingen Materiaalbestendigheid, materiaal-specificaties & -certificaten Corrosiebestendigheid : binnenkant buitenkant Indien CIP/SIP Detergenten!!! Slijtvastheid voor abrasieve media Weersbestendigheid bij buiten-opstelling Temperatuur : blootstelling aan direct zonlicht Hoge vochtigheid Kust of zee : zout! Ondergrondse installatie Process connecties : aankoppelpunt aan pijpwerk Diversiteit : vaste flens met bouten, lap-joint, Industrie-specifiek en gereglementeerd Dichtingen Slide 31 / 64

32 Selectie- & toepassingscriteria : Verdere overwegingen Electrische interfaces Communicatie van meetwaard(en) Communicatie van device status- & performance information Configuratie & diagnose vanop afstand Installatie op afstand Batterij-voeding Draadloze communicatie Veiligheid Explosieveiligheid : ATEX Voedselveiligheid : EHEDG reinigbaarheid, detergenten, CIP/SIP Functionele veiligheid : SIL (Safety Integrity Level), PED (Pressure Equipment Directive) Slide 32 / 64

33 Products Solutions Services Inbouw- & Installatievoorschriften Slide 33 / 64

34 Inbouw- & Installatievoorschriften : Flow profiel Grote doorlaat hoge snelheid Volledig turbulent Kleinere doorlaat lagere snelheid Volledig laminair Volledig ontwikkeld profiel Na bocht of andere asymmetrische verstoring snelheidvectoren snelheidsafhankelijk verdeeld Na pomp of klep Snelheidvectoren ongelijk verdeeld en omnidirectioneel Slide 34 / 64

35 Inbouw- & Installatievoorschriften : Stromingsprofiel in een kogelkraan Slide 35 / 64

36 Inbouw- & Installatievoorschriften : Viscositeit & Reynolds nummer Reynolds Number Of crucial importance in fluid flow Where v = flow speed [m/s] D = pipe diameter [m] = cinematic viscosity [m²/s] Re D γ [m] v [m ² [m/s] /s] Flow profile Laminar flow Re < Turbulent flow Re > Flow meters are normally designed to operate in turbulent flow, as this condition exist in 95% of closed pipes Slide 36 / 64

37 Profielverstoring/Secundaire stroming Abrupte vernauwing Abrupte verwijding Conisch verloop Ideaal conisch verloop: < 8 Steile conus: secondaire stroming Slide 37 / 64

38 Invloed van bochten Diameter DN 100 DN 100 DN 150 Qmax = 140 m3/h (5 m/s) Afwijking % % % 0,10 Qmax + 0,54 + 1,52 + 0,95 0,25 Qmax + 0,76 + 1,59-0,05 0,50 Qmax + 0,81 + 1,61-0,15 0,75 Qmax + 0,74 + 1,57 + 0,13 1,00 Qmax + 0,77 + 1,51 + 0,10 Slide 38 / 64

39 Invloeden regelklep Diameter DN 100 5xD Klepopening 25% 50% 100% 25% 50% 100% Klepstand Afwijking % % % % % % 0,10 Qmax ,1-7,5 0,10 0,55 0,52 0,25 Qmax ,1-3,8 0,47 0,39 1,30 0,50 Qmax - -6,7-2,9-0,44 1,02 0,75 Qmax - -6,0-3,9-0,39 0,40 1,00 Qmax - -6,3-4,8-0,34 0,52 Qmax. = 140 m3/h Snelheid Slide 39 / 64

40 Installatie zoals voorgeschreven Slide 40 / 64

41 Installatie zoals voorgeschreven Master t-trend Slide 41 / 64

42 Installatie in een dubbele bocht Flow Slide 42 / 64

43 Effect van een dubbele bocht M3/min Dubbele bocht + 10% Master t-trend Slide 43 / 64

44 Invloed op de verschillende meetprincipes Gemiddelde snelheid/massa meting of spotmeting Coriolis Massaflow totaal ongevoelig EMF meting weinig gevoelig voor flowprofielen. Thermische massaflow (spotmeting) zeer gevoelig voor flowprofielen Slide 44 / 64

45 Invloed laminaire flow op b.v. Vortex Bij een laminair flowprofiel is de invloed van de viscositeit zo groot dat alle vortexen worden gedempt en niet goed ontstaan. Een Vortex heeft daarom een minimaal Re nodig van (20.000) Een hoge viscositeit heeft een negatieve invloed om het meetgebied Slide 45 / 64

46 Profielverstoring / Swirl Spiraal gelaste buis Turbineflowmeter of Kleppen Zijdelingse inlaat Bochten in twee vlakken veroorzaken swirls Dubbele bocht met vlinderklep Slide 46 / 64

47 Typische verstoringen Naar binnenstekende pakking Gladde las Diameter 1 Diameter 2 Slide 47 / 64

48 Flow conditioner of straightener Flowconditioner zorgt voor een gelijke verdeling van de snelheid Slide 48 / 64

49 Installatie Aanbevelingen - Thermisch Conisch verloop Na een 90 bocht Wanneer mogelijk de klep achter de meter plaatsen Met flowconditioner 8 * DN Slide 49 / 64

50 Installatie Aanbevelingen Vortex 15 x DN 5 x DN 50 x DN 5 x DN x DN x DN 2 x DN 8 x DN 5 x DN Slide 50 / 64

51 Installatie Aanbevelingen EMF Slide 51 / 64

52 Installatie Aanbevelingen Massflow Slide 52 / 64

53 Inbouw- & Installatievoorschriften Aarding en potentiaal vereffening Slide 53 / 64

54 Voorschriften voor inbouw ISO 5167 Deel 1 Algemene beschrijving Deel 2 Meetflenzen Deel 3 Nozzle s en venturi nozzle s Deel 4 Venturi s Vortex meters, EMF meters etc??????? Thermische massaflow: ISO Inbouw: good installation practice shall be followed The manufacturer normally specifies this Slide 54 / 64

55 Materials EPD electrode Housing Liner Measuring electrode Measuring tube Reference electrode Coil system Flanges Lining material Electrodes (Measuring/EPD) Carbon steel or Stainless steel PU : C, waste water 316L : most fluids No contact with medium HR : 0 80 C, drinking water Alloy C22 : some chemicals Standard Max PN40 PTFE : C, chemicals or food products Tantalum : most acids PFA : C, chemicals or food products Platinum Rhodium : all others Slide 55 / 64

56 Certificates Slide 56 / 64

57 Electrische interfaces : Overzicht Analoge technologie 4-20mA 4-wire 2-wire Analoge technologie met modulatie van digitale info 4-20mA + HART Digitale technologie Proprietaire veldbussen/netwerken Profibus : DP of PA, v3.02 Foundation Fieldbus : ook verschillende versies, incl. HSE Ethernet-based : ProfiNet, Ethernet/IP, (Modbus TCP, EtherCAT, ) Wireless Sensor Networks NIET Bluetooth, WiFi, GSM of 3G!!! WirelessHART, ISA100.11a, proprietary protocols Slide 57 / 64

58 Digital communication saves costs Lots of wiring I/O components Signal adaptation modules Junction boxes Expensive wiring Simple wiring Less system I/O Simpler signal adaptation A single wire Direct access to instrument data Status E.g. Profibus PA Fieldbus foundation Slide 58 / 64

59 Echte Value-add van digitaal Let op : afgezien van de primaire meetwaarde is 4-20mA + HART ook digitaal Communicatie-snelheid HART : 1200 & 2200 bps Profibus : +/- 10 en 100 en Kbps Ethernet : (10Mbps) 100Mbps 1 Gbps Digitale meetwaarden : constante nauwkeurigheid, evt. meerdere Status-informatie ophalen t.b.v. Asset Management Maintenance Management Quality Management Download van device configuraties : bij vervanging van toestel, evt. ook meer operationeel in bv. batchprocessen Diagnose vanop afstand Slide 59 / 64

60 Products Go with the Flow Intro & Overview Solutions Services Inspectie, Calibratie, IJken Slide 60 / 64

61 Inspectie, Calibratie & IJken Wat is Inspectie? Vaststellen of meettoestel correct werkt Uitvoering door leverancier van meettoestel Wat is Calibratie? Vaststellen of er afwijkingen zijn tov. referentie-toestel Uitvoering door leverancier, tussenpartij of eind-gebruiker zelf Wat is Adjustment? Toestel onder test bijregelen, daarna weer calibreren Uitvoering door leverancier, tussenpartij of eind-gebruiker zelf Wat is ijken? Als meeting gebruikt wordt voor handelstransacties zeker met publiek Uitvoering door geaccrediteerde 3de partij onder toezicht van Nationaal Metrologisch Instituut Slide 61 / 64

62 Manieren van Calibreren & Adjusteren On-site calibratie Workshop calibratie Factory calibratie Slide 62 / 64

63 Device under test Edge of overflow = 23,9 m Go with the Flow Intro & Overview Gravimetrische Calibratie dmv. watertoren Q Max l/s Tower-Tank 25 m 3 Constant overflow = stable conditions at the location of the DUT Slide 63 / 64 Main-water-reservoir m 3 total

64 Interessante weblinks Basis technische informatie Zoekterm Flow measurement David Spitzer s e-newsletter Product- & toepassing informatie : Products and Services ABB Product Guide Measurement Products Flow Measurement Instruments Flow Products Flow Measurement Field (Industrial) Instruments Flow Slide 64 / 64