Vortex flowmeter – et allsidig flowmeter!

Vortex Flowmeter ble introdusert for industriell bruk på slutten av 60-tallet, men salget skjøt først fart på 80-tallet. Årsaken var at Vortex flowmålere hadde et noe frynsete rykte i begynnelsen, med noen voksesmerter helt i starten av produksjonen. Problemer med utformingen av riktige sensorer og signal/støy forhold gjorde at Vortex målerene ikke alltid innfridde forventningene. Erfaring og videre utvikling, kombinert med moderne elektronikk som kan filtrere støy, har i dag ledet til et meget pålitelig måleprinsipp. Fordelene med Vortex målere er mange, selv om dette prinsippet også har sine begrensninger.

Måleprinsipp

Et flagg som blafrer i vinden, eller vindsuset som høres i en bil. Det er de samme fysiske fenomener som opptrer i et Vortex Flowmeter (virvelmengdemåler). Allerede på 1500-tallet beskrev Leonardo da Vinci virvlene som ble dannet nedstrøms en hindring i rennende vann. Flere hundre år senere fant forskere de grunnleggende teorier for Vortex prinsippet.

Theodor Karman fant ut at det er et fast forhold mellom avstanden a ( i parallell retning ) og avstanden t ( i lengderetning) på virveldannelsen etter en restriksjon (Karmann Vortex street). For en sylindrisk restriksjon er dette forholdet a/t = 0.281.

Strouhal fant at en wire ble satt i bevegelse i luftstrømning. Frekvensen på oscillasjonen var proporsjonal med strømningshastigheten. Dette har ledet til et dimensjonsløst tall, Strouhal faktor St.

St = f x d / v

f = vortex frekvens
d = diameter på restriksjonen
v = strømningshastigheten

En strømningstendens til å feste seg til en overflate (adhesjon) er også avgjørende i utformingen av
vortex målere. (Coanda effekt)

Hvis en restriksjon (i vortex-måler kalt bluff body eller shedderbar) plasseres i en strømning ved meget lav hastighet, vil strømningen rolig passere på hver side. Når hastigheten øker og treffer restriksjonen, vil mediet danne virvler skiftvis på den ene og den andre siden av restriksjonen. En virveldannelse er et lavtrykksområde og da det søkes likevekt vil virvelen i neste øyeblikk dannes på motsatt side og vice versa. Ved turbulent strømning dannes de regulært og avstanden mellom virvlene er konstant. Frekvensen er derimot proporsjonal med strømningshastigheten – og det er denne som gir et mål for mengden.

Konstruksjon

Vortex måleren kan leveres i innstikkbar eller i inline utgave. Mest brukt i industrien er inline målere, men innstikkbare kan være et alternativ til for eksempel pitotrør i store rørdimensjoner. Inline målere leveres med eller uten faste flenser og hele armaturen er vanligvis i AISI 316 inklusive shedderbaren. Shedderbaren har hatt mange utforminger hos de forskjellige produsenter; sylindriske, rektangulære eller forskjellige trapes former. I dagens målere bruker de fleste produsenter trapesoide former da dette gir best resultat.

Frekvensen på trykkvirvlene avføles vanligvis av hermetisk forseglede piezoelektriske krystaller som er trykksensitive, men det kan også brukes andre prinsipper som termistorer, strekklapper, ultralyd eller kapasitive sensorer.

En forsterker omvandler signalene til tradisjonelle prosess-signaler, 4-20 mA, frekvens eller skalerte pulser. Vortex måleren er derfor et flowmeter uten bevegelige deler, med hermetiske forseglede sensorer er den en massiv enhet uten forseglinger eller tettinger. Dette gjør den egnet for høye temperaturer og relativt høye trykk.

Fordeler med Vortex flowmeter

Den største fordelen er allsidigheten, ett og samme flowmeter for væske, gass og damp. I tillegg har den andre sterke egenskaper:

• Ingen bevegelige deler gir lite eller ingen behov for service eller rekalibrering.
• «Helsveiset» konstruksjon gir ingen fare for lekkasjer fra prosess mediet inn i måleren.
• Lite påvirket av prosessmediets tetthet. Kan derfor kalibreres for vann, og brukes på gass ved enkel endring i kalibreringsfaktor.
• Kan brukes på medier som gir beleggdannelser. (Når sensorer plassert utenfor shedderbar)
• Tåler høye temperaturer, opptil 400 °C.
• Tåler relativt høye trykk, standardutgaver inntil 160 bar
• Lavt trykktap
• Stort måleområde, væsker opptil 1 : 25, gasser og damp opptil 1 : 50
• Lett å montere og lave installasjonskostnader.
• Høy nøyaktighet, væsker inntil ± 0.5%, gass og damp inntil ± 0.75 %
• Lav pris sammenliknet med andre typer elektroniske prinsipper.
• Kan monteres i Ex – sone. Lavt pristillegg for Ex – utgave.

Begrensninger med Vortex flowmeter

• Ikke brukbar for høy viskøse medier
• Redusert nøyaktighet eller signaldropp ved for lave hastigheter / Reynolds tall. (Reynolds tall avhenger av innvendig rørdimensjon, hastighet og mediets viskositet)
• Måleprinsippet gjør måleren følsom for vibrasjoner og pulsasjoner.
• Følsom for støy. Måleprinsippet er basert på frekvensmåling, og eksterne støyfylte signaler kan påvirke måleren. Moderne støyfiltrering vil imidlertid kunne undertrykke de fleste typer støy.
• Dimensjoner, minste dim. DN 10

Ulike applikasjoner

Vortex målerens allsidighet gjør den egnet til mange måleoppgaver. Vann, trykkluft, de fleste væsker og gasser hvor AISI 316 er bestandig, er selvfølgelige oppgaver. Krav til rett rørstrekk er som de fleste andre typer flowmetere 10 x D oppstrøms og 5 x D nedstrøms.

Erstatte måleblender
Det mest typiske er at den kan erstatte måleblender på de fleste steder der dette brukes. I forhold til måleblendens snevre måleområde er vortexmåleren fullstendig overlegen. Den gir også vesentlig lavere trykkfall og totalkostnaden er ikke høyere når man tar i betraktning DP-celler, ventiler, røropplegg og lignende som brukes i samband med måleblende.

Damp
Dampmåling er en typisk applikasjon for et vortex flowmeter. Man skal imidlertid være klar over at det er en viss forskjell på mettet og overhetet damp. Ikke alle vortexmålere passer til overhetet damp, i noen tilfeller kan et pitotrør være en bedre løsning. I mengdemåling med damp brukes ofte trykk- og temperaturkompensering. Signalet fra vortex måleren mates til en flowcomputer som også får signal fra en trykktransmitter og en temperaturtransmitter – og deretter gir et korrigert flowsignal basert på sanne trykk og temperaturverdier. Trykk kompensering er ofte et «must». Dersom trykket endrer seg 1 bar i forhold til et basistrykk på 8 bar, vil feilmarginen bli ca. 10.5 % uten trykkkompensering.

Cryogene væsker
Vortex flowmeter er blitt brukt til å laste drivstoff på romferger. Flytende Oksygen / Hydrogen ved temperaturer under -250°C. Vær oppmerksom på at ikke alle vortex målere klarer dette. Her er sensortype avgjørende.

Sanitære applikasjoner
Meget godt egnet for næringsmiddel og farmasøytisk industri. Den helstøpte konstruksjonen uten dødvolum, kombinert med overflateruhet i materialet bedre enn 0.3 µm gir problemfri CIP rengjøring og steaming. Leveres med triclamp sanitær tilkobling for disse oppgaver.

Biogasser
Biogasser eller andre forurensede gasser som kan gi belegg dannelse kan måles med målere hvor sensoren er plassert utenfor shedderbaren.

Forholdsregler ved væskestrømninger

Visse unormale strømningsforhold kan skade vortexmåleren. Ved oppstart med åpne ventiler og pumper på maks. hastighet vil shedderbaren bli eksponert for en høy hastighets turbulent luftstrømning, for deretter å bli truffet av en væskestrømning med hastighet som kan være mange ganger målerens maks. kapasitet. I verste fall kan shedderbaren ødelegges.

«Water hammering»
Samme problem kan oppstå ved såkalt «water hammering»-effekt. Dette kan oppstå når ventilposisjoner skifter hurtig, spesielt fra åpen til lukket posisjon. En trykkbølge vil da støte fram og tilbake i rørsystemet og slå som en hammer på shedderbaren. Et liknende problem kan oppstå hvis man starter opp en pumpe i full hastighet mot en lukket ventil. Luften i systemet komprimeres til trykk langt over pumpetrykket av den akselererende væsken. Når akselerasjonen stanser vil den komprimerte luften raskt ekspandere og forårsake en trykkbølge i motsatt retning som kan ødelegge shedderbaren.

Kavitasjon
I likhet med ventiler må en også ta hensyn til mulig kavitasjon for vortexmålere. Et nedstrøms mottrykk må være til stede for å unngå kavitasjon. Kavitasjon kan oppstå i væsker hvor en restiksjon skaper et trykkfall. Hvis trykkfallet over shedderbaren skaper et nedstrøms trykk som er lavere enn væskens damptrykk, dannes dampbobler. Når trykket stiger igjen vil dampboblene klappe sammen, og det utløses sjokkbølger med ekstremt høye trykkspisser. Trykkspissene er så kraftig at stålet nærmest spises opp som en erosjon. Kavitasjon utvikler i tillegg støy, som høres som om det løper småstein i rørsystemet. De forskjellige produsenter oppgir derfor som regel nødvendig nedstrømstrykk.

For eksempel : P2 ≥ 1.5 væskens damptrykk + 3