Det ældste princip til flowmåling har stadig stor udbredelse.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6/7, 2006. Teksten kan desuden læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Morten B. Jensen, Endress+Hauser
De første flowmålere anvendt inden for industrien, var baseret på bestemmelse af differenstrykket over en restriktion, og de fleste »gamle« instrumentteknikere kan dimensionere en måleblænde »næsten i søvne«.
På trods af introduktionen af mange nye måleprincipper, der både er mere nøjagtige og måler over et større måleområde, er differenstrykmålere fortsat meget udbredte til kontinuerlig flowmåling. Det skyldes ikke mindst princippets umiddelbare fordele:
· Kan anvendes til væske, gas og damp
· Kan fremstilles i alle materialer
· Rimelig anskaffelsespris
· Enkel at installere og vedligeholde
Det grundlæggende måleprincip
Det grundlæggende princip for differenstrykmålere er kontinuitetsligningen og Bernoullis ligning.
Samtlige målere er afhængige af det faktum, at når en væske strømmer igennem en indsnævring, så stiger væskehastigheden. Det betyder, at bevægelsesenergien stiger, og som konsekvens heraf falder det statiske tryk, idet energien er konstant.
Ved at simplificere de matematiske udtryk får man formlen:
hvor:
Q= er volumenflow
K= er konstant afhængig af primær elementet
DP= er det målte differenstryk
= er produktets densitet
Det ses af formlen, at kvadratroden af differenstrykket skal uddrages, før der fås et lineært flowsignal. Desuden har disse målertyper den ulempe, at de giver et blivende tryktab, der kan være meget dyrt.
Måleblænder
Måleblænder har været brugt i mange år og har vundet meget stor udbredelse. I dag er måleblænder så veldokumentet under de forskellige driftsforhold, at der findes internationale normer mht. udformning og montage. Den norm, der oftest anvendes her i landet, er DIN 1952. Heri er angivet al væsentlig information, der kan have interesse eller betydning for, hvordan en måleblænde anvendes og opfører sig under forskellige forhold.
Afhængig af medie og måleopgaven vælges der enten koncentriske eller excentriske blænder, og samtidig tilpasses det opståede differenstryk og det blivende tryktab til den aktuelle opgave.
En flowmåling baseret på en blændemåling involverer altid en eller anden form for differenstrykmåling, men her er der en begrænsning i måleprincippet. Pga. uddragning af differenstrykket, skal differenstrykmåleren kunne måle over et område, der er kvadratisk ift. flowområdet, f.eks.: der ønskes et flow fra 1:10, det betyder, at differenstrykmåleren skal kunne arbejde over området 1:100.
Måleblænder fås i dag som komplette enheder, med påbygget transmitter, hvilket gør montage og indstilling væsentlig enklere.
Pitotrør
Den enkleste form for pitotrør består af et stykke bukket rør, der rettes imod flowet. Herved kan det totale tryk ved pitotrøret måles. En almindelig trykmåling på rørsystemet angiver det statiske tryk. Differensen mellem disse to tryk er et udtryk for det dynamiske tryk og, når kvadratroden er uddraget, flowet.
Pitotrør har især fået stor udbredelse inden for ventilationsbranchen. De har dog den ulempe, at de kun måler flowet i ét punkt, hvorfor en sådan måling er meget følsom over for profilændringer. For at imødegå nogle af disse problemer er der udviklet forskellige former for »midlende« pitotrør, idet disse oftest måler det dynamiske tryk eller en middelværdi for det dynamiske tryk i flere punkter i måletværsnittet.
Fordelen ved målerne er den lave anskaffelsespris, men desværre har de samme begrænsninger som måleblænden mht. måleområde.
Det »midlende« pitotrør er også kendt under navnet Annubar – som dækker over et handelsnavn for en type pitotrør med en speciel udformning.
Venturirør/-dyser
Disse målerør har været brugt til mange opgaver ved behov for et minimalt blivende tryktab. Det gælder typisk i systemer med et relativt stort flow, der kører mere eller mindre konstant, f.eks. i vandforsyningsledninger. Der findes utallige udformninger af venturirør, hvilket skyldes ønsket om en mere kompakt og billigere måler. Brugen af venturirør er faldet meget i de senere år, hvor der er kommet mere nøjagtige målemetoder til lavere priser og uden tryktab.
Dyser er mere kostbare at fremstille end måleblænder, men billigere end venturirør. De har den fordel, at det blivende tryktab over dem ofte er meget lille, og at de kan bruges ved måling direkte ud til atmosfæren, dvs. uden videre modtryk. De bruges også til abrasive eller slidende medier, idet de ikke har nogle skarpe kanter, der kan slides. Kravene til lige rørstrækning før dyser er ofte lige så store, hvis ikke større end til måleblænder.
Andre måletyper, der benytter differenstrykprincippet
Variabel Area målere (Rotametre)
Disse målere betegnes ofte ved navnet »Rotameter«. I sin enkleste form er en variabel arealmåler et gennemsigtigt konisk rørstykke, hvorpå der er graveret en skala. Inde i røret er der en rund eller konisk flyder. Når der ikke er noget flow, hviler flyderen på rørets bund. Når mediet begynder at strømme, løftes flyderen fra sædet, så der opstår ligevægt mellem tryktabet over flyderen og opdriften samt tyngdekraften. Ved stigende flow stiger flyderen op i det koniske rør, så gennemstrømningsarealet forbi flyderen stiger. Højden af flyderen er derved et mål for flowet, der passerer den. Det er vigtigt, at flyderen centreres i røret f.eks. vha. indvendige svulster i røret eller vha. en styrepind igennem flyderen.
Til opgaver med høje tryk og temperaturer udformes VA-målere oftest af metalrør, idet den koniske flyderstilling aftastes magnetisk. Denne stillingsangivelse kan derefter omformes til et standardsignal.
Ved anvendelse af en VA-måler skal der tages hensyn til ændringer i vægtfylde og viskositet, idet der findes visse fabrikater og flyderudformninger, som sikrer imod viskositetsfølsomhed.
Generelt er nøjagtigheden af en VA-måler ikke højere end 2-3% af fuld skala, idet der dog kan leveres modeller kalibreret til specielle opgaver, hvor målenøjagtigheden kan komme ned på 0,5-1% af fuld skalaværdi.
Target-målere
Disse målere arbejder efter et lignende princip bortset fra, at der her er tale om et vippearrangement. Target-flowmåleren skal, for at kunne anvendes med rimelig nøjagtighed, være kalibreret fra fabrikken sammen med det rør, den skal sidde i. Pga. den store ændring i linearitet ved forskellige flow bør disse målertyper ikke anvendes under Reynolds tal 10.000. Target-flowmåler kan med fordel anvendes i applikationer med stort tørstofindhold, hvor en normal måleblænde hurtigt vil stoppe til.
Nøjagtigheder i området 3-5% af fuld skala er typiske for disse apparater, såfremt de er kalibreret.
Target-princippet bruges i flowswitche, dvs. som flow/no flow-givere – typisk i kritiske systemer som kølevandskredse.
Fjederbelastede målere
For at imødekomme kravet om montage i alle former for rørføring, dvs. både horisontalt og vertikalt nedadgående flow, er der sket en videreudvikling af VA-målerne. Der findes forskellige typer af fjederbelastede målere på markedet med forskellige former for linearitet, men princippet i dem er, at det ikke er graviteten, der danner modstand for en flyder i et rør, men en fjeder. Disse målertyper kan leveres med både visuel aftastning og elektronisk/pneumatisk udgangssignal.
Fordele og ulemper ved differenstrykmålere
Igennem mange år har disse målertyper været de absolut mest udbredte til kontinuerlig måling, idet de havde en fornuftig anskaffelsespris og en forholdsvis enkel montage og vedligeholdelsesform. I dag vælges differenstrykmåleren oftest af vane, idet der er kommet mere nøjagtige målertyper på markedet. Dertil måler de over et større måleområde til de samme penge. Det gælder f.eks. Coriolis-flowmålere og Vortex-målere [1].
Ulempen ved differenstrykmålerne er det relativt lille måleområde og den dårlige nøjagtighed. Ved anvendelse af måleblænder ifølge DIN 1952, hvor måleblænden ikke vådkalibreres, skal der ikke påregnes en nøjagtighed bedre end 2-3% af aktuelt flow over et område på 1-4 (dvs. fra 25 til 100% flow).
Ved måling på gasser bør man altid beregne Reynolds tal ved det mindste flow, der ønskes målt. Reynolds tal skal ved det mindste flow mindst være 10.000 for at sikre den ønskede nøjagtighed.
Figur 1. Det målte tryktab over en restriktion er udtryk for volumenflowet.
Figur2. Måleblænde/pitotrør og transmitter sammenbygget til en enhed, indstillet og klar til montage.
Figur 3. Måleblænde og transmitter sammenbygget til en enhed, indstillet og klar til montage.
Figur 4. Det midlende pitotrør måler det statiske tryk og det dynamiske tryk på forsiden, og det statiske tryk på bagsiden.
Figur 5. Venturirør med differenstryktransmitter monteret. Ligner udefra et »helt almindeligt rør«.
