Go with the Flow 2012

Products

Solutions

Go with the Flow 2012 Basisbegrippen in Industriële Flow Metingen

Slide 1 / 64

18/09/2012

Services

Go with the Flow 2012 - Intro & Overview

5 Sessies (eigenlijk 9) • 18.09.2012 Basisbegrippen in Flow- en Debietmetingen • 09.10.2012 Verschildruk- en vortex debietmetingen: is de oude technologie nog efficiënt genoeg ? • •

Verschildruk Vortex

• 23.10.2012 Conductiviteit van een product bepaalt het meetprincipe • •

Electromagnetisch Ultrasoon

• 13.11.2012 Debietmetingen met massa en thermische metingen • •

Coriolis Thermisch

• 27.11.2012 Calibratie als basis voor ijkwaardige metingen • •

Custody Transfer & TOC Calibratie

Slide 2 / 64

18/09/2012


Agenda Sessie 1 : Intro & Overview

1. 2.

Basisbegrippen & Terminologie bij flowmetingen Flow meetprincipes • Grote verscheidenheid : kort overzicht • Selectie- & toepassingscriteria

3. 4. 5. 6. 7.

Inbouw- & Installatievoorschriften Materialen Electrische interfaces Verificatie, Calibratie & IJken Hoe & waar verder ?

Slide 3 / 64

18/09/2012


Documentatie

Slide 4 / 64

18/09/2012


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

18/09/2012


Basisbegrippen & Terminologie

Slide 6 / 64

18/09/2012



Slide 7 / 64

18/09/2012



• Mass flow QM - Volume flow QV ‟ Corrected or “normalized” volume flow QN • QM [kg/h]

= QV [m³/h]*

• Normal conditions

: 0 C / 1,013 bar abs

• Standard conditions

: 15 C / 1,013 bar abs

• QN [Nm³/h] abs])

Slide 8 / 64

[kg/m³]

= QM [kg/h] / N [kg/m³] = (QV [m³/h] * p [bar abs] * 273,15 [K]) / (T [K] * 1,013 [bar for ideal gases

18/09/2012


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 • Viscosity

kg/m³, kg/l, g/l, g/cm³, … or

cSt, cP, mPa.s, Ns/m², …

• Reynolds number

• Conductivity Slide 9 / 64

S, S 18/09/2012


Basisbegrippen & Terminologie • Accuracy

High Accuracy (Pulse output)

• Repeatability

Excellent Repeatability

• Promag 50/53 - W/P/H • Promag 23 – P/H

• Rangeability

Slide 10 / 64

18/09/2012

• Standard

± 0.2% / 0.50% o.r. ± 0.50% o.r.

± 1 mm/s ± 4.0 mm/s

± 0.10% o.r. ± 0.5 mm/s


Flow Meetprincipes Flow in closed pipes 70%

Volume

Direct Methods

Positive Displacement

Slide 11 / 64

18/09/2012

Mass

Indirect Methods

Diff. Pressure Variable Area Turbine Vortex Electromagnetic Ultrasonic Insertion devices Miscellaneous

Direct Methods

Coriolis Thermal Weighing Systems Solids type meters

Indirect Methods

Separate measurements of Q and r Mass calculation with separate metering of Q, p and T)


Flow Meetprincipes Flow in open lines & channels 30%

Flumes

Parshall Palmer-Bowlus Khafagi Rectangular (with/without restriction) Trapezoidal (with/without restriction) Special Flumes

Slide 12 / 64

18/09/2012

Weirs

Triangular (Vshaped) Rectangular (with/without restriction) Trapezoidal Broad-crested Compound (with multiple sections) Sharp-edged (plate weirs) Special Weirs

Other Methods

Velocity-area methods (current meter, ultrasoncis) Use of tracer methods Electromagnetic Level Measurement (ultrasonics, diff. pressure, float, etc…) Solids type meters


Meetprincipe : Positive Displacement

Slide 13 / 64

18/09/2012


Meetprincipe : Positive Displacement

Slide 14 / 64

18/09/2012


Meetprincipe : Variable Area

Slide 15 / 64

18/09/2012


Meetprincipe : Variable Area

Slide 16 / 64

18/09/2012


Meetprincipe : Turbine

Slide 17 / 64

18/09/2012


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

18/09/2012


Meetprincipe : dP - “Primary Elements”

Slide 19 / 64

18/09/2012


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

18/09/2012


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

18/09/2012


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 • 2nd version : “Clamp-on” : no intrusion in pipe – up to large diams

t Slide 22 / 64

18/09/2012


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

18/09/2012


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

fR Slide 24 / 64

18/09/2012


Meetprincipe : Niveau bij Open Kanaal

Slide 25 / 64

18/09/2012


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

18/09/2012


Selectie- & toepassingscriteria Fluid

Technology Promag Electromagnetic

Promass Coriolis

Prowirl Vortex

Prosonic Flow Ultrasonic

T Mass Thermal Mass

Deltatop Pressure Slide 27 / 64 Differential 18/09/2012

Conductive Liquids Low viscosity

High viscosity

Non-conductive Liquids Low viscosity

High viscosity

Gases

Steam


Selectie- & toepassingscriteria Flow

Measuring

Volume

Meter

principle

or

Type

Fluid

T°

P

Rangea-

range

range

bility

(mm)

(°C)

(bar a)

Liquids

2

-40

0

µS/cm >5

2000

+180

100

Liquids

1

-200

0

Gases

250

+350

340

Liquids

15

-200

0

L: 25:1

L: 0,75

Gases

300

+400

250

G: 15:1

G: 1,00

Mass

Electromagnetic flow meter

Faraday Law

Coriolis mass flow meter

Coriolis forces

Vortex flow meter

Vortex effect

Volume

Mass

Volume

DN

1000:1

flow meter

Transit time of sound pulse

Volume

Thermal mass flow meter

Thermal dispersion

Mass

DP flow meter

Differential pressure

Slide 28 / 64

Volume and Mass 18/09/2012

Liquids

Pure gases

Liquids Gases Steam

Repeatability

Price average

(% or)

(% or)

(€)

0,50

0,1

1.500

0,05

5.000

0,25

1.500

0,10

3.000

0,20

1000:1

L: 0,10 G: 0,35

Steam Ultrasonic

Accuracy

S: 1,00 15

-40

4000

+170

15

-10

0

1000

+120

40

1

No limit

No limit

2000

No limit

100:1

0,50 2,00

100:1

2,00

0,50

2.000

3:1

0,50

0,20

1.000

10:1

2,00

10.000


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

18/09/2012


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

18/09/2012


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

18/09/2012


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

18/09/2012

Products

Solutions

Inbouw- & Installatievoorschriften

Slide 33 / 64

18/09/2012

Services


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

18/09/2012


Inbouw- & Installatievoorschriften : Stromingsprofiel in een kogelkraan

Slide 35 / 64

18/09/2012


Inbouw- & Installatievoorschriften : Viscositeit & Reynolds nummer

„ Reynolds Number • Of crucial importance in fluid flow • Where v = flow speed [m/s]

Re

D[m] v[m/s] γ[m ² /s]

• D = pipe diameter [m] •

= cinematic viscosity [m²/s]

„ Flow profile „ Laminar flow

Re < 2.000

„ Turbulent flow

Re > 4.000

„ Flow meters are normally designed to operate in turbulent flow, as this condition exist in 95% of closed pipes

Slide 36 / 64

18/09/2012


Profielverstoring/Secundaire stroming

Abrupte vernauwing

Abrupte verwijding Conisch verloop

Ideaal conisch verloop: < 8° Slide 37 / 64

18/09/2012

Steile conus: secondaire stroming


Invloed van bochten

DN 100

Diameter

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

18/09/2012


Invloeden regelklep

5xD

Diameter DN 100 Klepopening Klepstand

25%

50%

100%

25%

50%

100%

Afwijking

%

%

%

%

%

%

0,10 Qmax.

-125

-9,1

-7,5

0,10

0,55

0,52

0,25 Qmax.

-122

-7,1

-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 Slide 39 / 64

18/09/2012

Snelheid


Installatie zoals voorgeschreven

Slide 40 / 64

18/09/2012


Installatie zoals voorgeschreven 9

8

7

6

5

Master t-trend 4

3

2

1

0 1

Slide 41 / 64

17

33 49

65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225 241 257 273 289 305 321 337 353 369 385 401 417 433 449 465 481 497

18/09/2012


Installatie in een dubbele bocht

Flow Slide 42 / 64

18/09/2012


Effect van een dubbele bocht M3/min 4.6

4.5

4.4

4.3

Dubbele bocht + 10%

4.2

4.1

Master t-trend

4

3.9

3.8

3.7

3.6 1

Slide 43 / 64

9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225 233

18/09/2012


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

18/09/2012


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 4.000 (20.000)

• Een hoge viscositeit heeft een negatieve invloed om het meetgebied Slide 45 / 64

18/09/2012


Profielverstoring / Swirl

Spiraal gelaste buis

Turbineflowmeter of Kleppen

Zijdelingse inlaat Bochten in twee vlakken veroorzaken swirls Slide 46 / 64

18/09/2012

Dubbele bocht met vlinderklep


Typische verstoringen

Naar binnenstekende pakking

Gladde las

Diameter 1

Slide 47 / 64

18/09/2012

Diameter 2


Flow conditioner of straightener

Flowconditioner zorgt voor een gelijke verdeling van de snelheid

Slide 48 / 64

18/09/2012


Installatie Aanbevelingen - Thermisch

Conisch verloop

Na een 90° bocht

Wanneer mogelijk de klep achter de meter plaatsen

Met flowconditioner 8 * DN

Slide 49 / 64

18/09/2012


Installatie Aanbevelingen Vortex

15 x DN

5 x DN

50 x DN

5 x DN

8 x DN

5 x DN

3...5 x DN 4...8 x DN

Slide 50 / 64

18/09/2012

2 x DN


Installatie Aanbevelingen EMF

Slide 51 / 64

18/09/2012


Installatie Aanbevelingen Massflow

Slide 52 / 64

18/09/2012


Inbouw- & Installatievoorschriften Aarding en potentiaal vereffening

Slide 53 / 64

18/09/2012


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 14511 Inbouw:”good installation practice shall be followed” “The manufacturer normally specifies this”

Slide 54 / 64

18/09/2012


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 : -20…50°C, waste water

316L

No contact with medium

HR : 0…80°C, drinking water

Alloy C22 : some chemicals

Standard Max PN40

PTFE : -40…130°C, chemicals or food products

Tantalum : most acids

PFA : -40…180°C, chemicals or food products

Platinum Rhodium : all others

Slide 55 / 64

18/09/2012

: most fluids


Certificates

Slide 56 / 64

18/09/2012


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

18/09/2012


“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

18/09/2012


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

18/09/2012

Products Go with the Flow 2012 - Intro & Overview

Inspectie, Calibratie, IJken

Slide 60 / 64

18/09/2012

Solutions

Services


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

18/09/2012


Manieren van Calibreren & Adjusteren

• On-site calibratie

• Workshop calibratie

• Factory calibratie

Slide 62 / 64

18/09/2012


Gravimetrische Calibratie dmv. watertoren

25 m3

Q Max. 1650 l/s

Device under test

Constant overflow = stable conditions at the location of the DUT

Slide 63 / 64

Main-water-reservoir 1‘300 m3 total

18/09/2012

Edge of overflow = 23,9 m

Tower-Tank


Interessante weblinks Basis technische informatie • www.youtube.com/ • Zoekterm “Flow measurement”

• www.flowmeters.com • http://www.spitzerandboyes.com/  David Spitzer’s e-newsletter

Product- & toepassing informatie : • www.abb.com  Products and Services  ABB Product Guide  Measurement Products  Flow Measurement • www.endress.com  Instruments  Flow • www.krohne.com  Products  Flow Measurement • www.yokogawa.com  Field (Industrial) Instruments  Flow

Slide 64 / 64

18/09/2012

Go with the Flow 2012

Recommend Documents