Meting van flow of debiet de meetschijf nader bekeken

Meetschijf nader bekeken

Flow

Een vrij elementaire meting van flow of debiet is die via de meetschijf. Een vernauwing in de procesleiding biedt weerstand aan het proces waardoor een verschildruk over de vernauwing ontstaat, die verandert met de snelheid van de doorstroming. Deze methode wordt nog steeds veel toegepast, mede omdat het een eenvoudige en degelijke techniek is waarmee in het algemeen veel ervaring aanwezig is. In dit artikel wordt deze basis van flowmeten nog eens extra uitgelegd. Geleidelijk ontstonden er meer complexe technieken waarmee met grotere nauwkeurigheid meerdere en andere variabelen konden worden gemeten. In de jaren tachtig van de vorige eeuw werd het Coriolis-effect ingezet om flow te meten. Een belangrijke eigenschap ervan is het direct meten van de massadoorstroming. Veel is er al over flow geschreven maar de basisuitleg blijkt vaak nog lastig.

1603aa-wb-Flowmeten-Meetschijven-van-Peterson_rgb-300x300 Enkele meetschijven Bron: Peterson Instruments

De meeste flowmeettechnieken zijn gebaseerd op het meten van de snelheid van de moleculen in de procesleiding. Feitelijk is dat de stroomsnelheid in meter per seconde. Een vortex meter, een variabele doorlaatmeter, een elektromagnetische meter, de venturi, de meetschijf, de meettuit en de pitot buis, het zijn allemaal stroomsnelheidsmeters. De grootte of eigenlijk de oppervlakte van de doorsnede van de leiding bepaalt het volume, dus dat moet bekend zijn om “volumeflow” te meten. Daarmee wordt de stroomsnelheid of “flow rate” omgezet in de hoeveelheid product per tijd, bijvoorbeeld in kubieke meter per seconde, die door de leiding stroomt. Als tegelijk de dichtheid of het soortelijk gewicht van het product bekend is, dan volgt uit de vermenigvuldiging van de volumeflow met de dichtheid de hoeveelheid massa product die door de leiding gaat. Door het meten of vaststellen van deze individuele variabelen kan vervolgens middels een berekening tot “massaflow” worden gekomen. Dit noemt men “inferentiële” massaflowmeting.


‘De meeste flowmeettechnieken zijn gebaseerd op het meten van de snelheid van de moleculen in de procesleiding.’


Een andere vorm dan deze inferentiële meting is het direct meten van massaflow of het direct meten van volumeflow.

Er is een speciale groep van directe volumefowmeters, de zogenaamde PD-meters, de “positive displacement” meters. De feitelijke betekenis van deze term is dat elke “verplaatsing” van een product in een procesleiding, hoe langzaam ook, “positief” wordt vastgesteld. Dat is erg nuttig voor het meten van vloeibare of gasvormige producten waarover moet worden betaald. Typische voorbeelden hiervan zijn de watermeters thuis en de benzinemeters op de tankstations. Een voorbeeld van een directe massaflowmeter is de Coriolis-flowmeter. In Automatie | PMA van maart 2015 is deze techniek uitgelegd. In dit artikel geven we, naast de meetschijf, aandacht aan de bijkomende factoren van Coriolis meting.

De metende obstructie

De meest elementaire meting van flow is zichtbaar in het open kanaal. Bij het plaatsen van een obstructie in een open kanaal zal de aanwezige waterstroming uiteindelijk een weg erlangs vinden. Dus plaats een plaat in een sloot die net boven de wateroppervlakte uitkomt. Het waterniveau in de aanstroomzijde zal stijgen zodat het water over de plaat heen loopt. Bij toenemende waterstroomsnelheid zal het niveau boven de plaat verder stijgen en bij afnemende snelheid neemt de hoogte weer af. Dit niveau boven de plaat is een maat voor de stroomsnelheid van de hoeveelheid water. Eigenlijk is dit een zogenaamde hydrostatische druk. De waterhoogte vóór de plaat wordt bepaald door de formule P = h x x g. De letter h is de hoogte van het water boven de plaat, de letter (rho) is het symbool voor soortelijke massa en g is de zwaartekrachtversnelling. De druk is een overdruk, de druk achter de plaat is immers atmosferisch. In de open-kanaal stromings­wereld noemt men de plaat ook wel een “weer”, of in het Engels een “weir”. Om een betere meting te krijgen bij lage stroomsnel­heden wordt in het midden van de bovenzijde van de plaat ook wel een V-vorm uitgesneden. De formule voor doorstroming moet hierop wel worden aangepast. Zie de afbeeldingen in figuur 1.

Figuur1 - Greyline OCFlowmeter en Drijverstuw HCDS Figuur1 - Greyline OCFlowmeter en Drijverstuw HCDS


Bij flowmeting in gesloten leidingen of buizen gaan we uit van een volledig gevulde pijp. Voor de meting wordt de plaat nu gevormd door een schijf met een gat erin. Het is gewoon een rond gat in een ronde plaat die tussen twee flenzen wordt ingeklemd. Zie figuur 2. Eigenlijk is het een weerstand voor de flow. Doorgaans zit het gat in het midden en de diameter is in het algemeen ongeveer 60% van de binnendiameter van de pijp.

Figuur2-1024x512 Figuur2 - Meetschijfvorm en installatie


Hoe komen we nu tot de formule voor de bepaling van de flow? De heer Daniel Bernoulli, een Zwitser die leefde van 1700 tot 1782, heeft daar “zijn” wet voor bedacht. Zijn wet is weer afgeleid van de wet van behoud van energie. Hij stelde dat in een wrijvingsloos stromingssysteem met onsamendruk­bare vloeistof de som van alle drukken op elk punt in de stroming gelijk is, met andere termen: ∑P = constant. Er zijn drie ­drukelementen: de statische druk Ps, de hydrostatische druk Ph en de dynamische druk Pd. De statische druk is de druk die als voordruk op de leiding staat. De hydrostatische druk is de druk die ontstaat door de aantrekkingskracht van de aarde en de dynamische druk is de druk die uitsluitend ontstaat door de beweging van de vloeistof.

Figuur3-1024x512 Figuur 3 - Een meetschijf in een procesleiding


Stellen we ons een horizontale procesleiding voor als in figuur 3 is gegeven, dan kunnen we een vergelijking opstellen uitgaande van de stelling dat de som van de drukken op punt 1 gelijk is aan de som van de drukken op punt 2.

1-1024x83

Een andere stelling is dat het volumedebiet op punt 1 gelijk is aan dat op punt twee. Dus snelheid maal oppervlakte van de doorsnede is gelijk: v1 x A1 = v2 x A2

Ook stellen we ons voor dat het een horizontale leiding betreft. Dat betekent dat de hydrostatische druk op punt 1 gelijk is aan die op punt 2. Daarmee kan dit deel van formule weggestreept worden. Ook halen we Ps1 naar de rechterzijde. De formule wordt nu:

2-1024x91
  • Stellen we dat de dichtheid constant is en delen we beide
  • zijden door 1/2 p dan:
3-1024x143
  • Vervangen we v2 door (v1 x A1/A2) dan wordt dit:
  • 4-1024x202
  • OF
  • 5-1024x104

    Deze laatste formule is de theoretische formule voor de meetschijf die de snelheid v1 in de procesleiding geeft. De verliezen zijn nog niet meegenomen. De verhouding tussen A2 en A1 noemt men ook wel de ß-verhouding. De diameter van het gat (A2) wordt vaak met kleine d aangegeven en de binnendiameter van de leiding (A1) met een grote D. Dus ß = d/D.

    Omdat ß en voor een bepaalde meetschijfmeting constanten zijn, kan bovenstaande formule ook geschreven worden als:

    Hiermee is aangetoond dat de snelheid van het proces gelijk is aan een constante, maal de wortel uit de verschildruk. Dat is waarom verschildrukmeters vaak een uitgang met worteltrekfunctie hebben. Dan is de mA-uitgang direct evenredig met de stroomsnelheid van de vloeistof.

    Integrale meetschijfmeters

    De meetschijf wordt gebruikt om flow te meten door een verschildruk in de flowleiding te veroorzaken. Het proces wordt door deze plaat behoorlijk verstoord. Om de meting zo stabiel mogelijk te laten zijn, wordt het gat aan de uitstroomzijde meestal van een schuine kant voorzien zoals in figuur 2 is aangegeven. Ook kunnen de meetschijfmeters geleverd worden met aangebouwde druktransmitter. Deze zogenaamde integrale meetschijfmeter wordt op stroomsnelheid gekalibreerd zodat het een complete flowmeter is. Het flowmeetdeel heeft een ingebouwde meetschijf met drukaansluitpunten die direct en vast met de transmitter zijn verbonden. Een kranenblok maakt nog wel vaak deel uit van dit systeem. Diverse leveranciers van druktransmitters hebben dit soort meters in hun programma. Een speciale versie is de zogenaamde “conditioning orifice plate” of conditioneringsmeetschijf. Deze meetschijf van Emerson (rechter afbeelding op de vorige pagina) heeft vier gaten waarmee gedeeltelijke conditionering van de processtroming plaatsvindt. Hiermee wordt in bepaalde condities een betere meetschijfmeting verkregen.

    Naamloos-1-1024x512

    Bijkomende factoren Coriolis

    Er zijn wat variabelen die de werking van de Coriolis-meter beïnvloeden en die we in de voorgaande editie van basismeten in 2015 niet hebben behandeld. Zo is er de buigbaarheid van de buizen. Tenslotte bewegen ze als een trilvork en gedragen zich dus ook als een veer. De elasticiteit van de veer is temperatuurafhankelijk waardoor de frequentie en de amplitude van de beweging kan veranderen. Dus het is zaak de temperatuur van de buizen te meten en deze variabele te gebruiken als correctie. Aangezien het proces door deze buizen stroomt, kan deze temperatuur ook als procestemperatuur worden uitgelezen.

    Een ander interessant effect is de frequentie van de “trilvork”. De beide buizen worden elektromagnetisch in beweging gebracht. De aansturing is zodanig dat er wordt gestuurd op minimale energie om een bepaalde amplitude te bereiken. Dus de amplitude en de aanstuurenergie worden gemeten en er wordt geregeld op de frequentie van de beweging. Feitelijk bewegen de buizen met de laagste energiebehoefte als ze in hun resonantiefrequentie worden aangestuurd. Daarin schuilt een mooie eigenschap, namelijk dat de resonantiefrequentie van een trilvork afhangt van de veerconstante en de totale massa in beweging. De veerconstante mag bekend worden verondersteld en wordt, zoals aangegeven, gecorrigeerd voor de temperatuur. De totale massa is de som van de massa van de buizen en de totale massa van het product in die buizen. Het volume en de massa van de bewegende buizen is een vast gegeven en bekend. Dus de totale massa van het product in de buizen is te bepalen. Daarmee is eenvoudig de dichtheid van het proces te herleiden, namelijk massa gedeeld door volume. Weer een interessante onafhankelijke variabele erbij.

    Omdat de massaflow wordt gemeten en nu ook de dichtheid bekend is, kan ook de volumeflow worden berekend. En de temperatuur wordt ook al gemeten. Daarnaast ondervindt het proces een bepaalde drukval over de U-buizen. In combinatie met de voorgaande variabelen zou ook een schatting kunnen worden gemaakt van de viscositeit van de vloeistof.

    Eén flowmeter met zoveel verschillende primaire en secundaire variabelen. Natuurlijk moeten de buizen volledig met product zijn gevuld anders zouden er extra trillingen kunnen ontstaan die de meting tegenwerken. Ook externe trillingen in de procesleiding zouden wel eens voor stoorfactoren kunnen zorgen. Uiteraard volg je de instructies van de leverancier voor goede en veilige toepassing in jouw applicatie. Maar het is een vernuftige techniek en een prachtige uitvinding. Een compliment aan allen die eraan gewerkt hebben.

    [tabs] [tab title="Instrumentatie in het procesveld"] Instrumentatie-in-het-procesveld-300x300

    Deze en vele andere technieken, praktische adviezen en toekomstvisies worden gegeven in het groene boekje “Instrumentatie in het Procesveld” van de hand van Sikko de Jong sr. In hoofdstuk vier lees je alles over flowmetingen.

    Meer informatie en bestellen:

    [/tab] [/tabs]
    Dossiers