Prinsipp for termisk strømningsmåling

Termiske masseflowmålere kan deles inn i to hovedtyper:

“Termisk spredning” (også kalt anemometrisk) prinsipp (Fig. 1):
Et oppvarmet element utsettes for strømningen. Avkjølingshastigheten er et mål på den lokale spesifikke massehastigheten og dermed strømningen.

Det “kalorimetriske” prinsippet (Fig. 2):
Varme tilføres et begrenset område i strømningen. Den lokale temperaturstigningen og energien som tilføres, brukes til å beregne massestrømmen.

Begge typer er tilgjengelige på markedet. Den høye følsomheten til noen av dem har ført til utstrakt bruk i forskningsapplikasjoner. Følsomheten betyr også at den målte verdien kan påvirkes av væskeegenskaper, som varmeledningsevne og spesifikk varmekapasitet, eller av gassammensetning (ved blandinger) og installasjonsforhold.

Det termiske prinsippet er mye brukt i ulike applikasjoner på grunn av dets presise egenskaper for måling av massestrøm.

Strømningsmålere av typen termisk dispersjon kan fungere etter én av følgende metoder: 1) konstant effekt og 2) konstant temperaturdifferanse.

Ved bruk av metoden med konstant effekt opprettholder elektronikken en konstant elektrisk strøm gjennom den såkalte «hastighetssensoren» (et oppvarmet sensorelement, vanligvis i form av en resistiv temperaturdetektor (RTD)). Ved hjelp av en separat RTD måles væsketemperaturen. Ved endringer i strømningshastigheten endres temperaturdifferansen (forskjellen i målte temperaturer mellom hastighetssensoren og væsketemperaturføleren).

Ved metoden med konstant temperaturdifferanse opprettholder elektronikken en konstant temperaturdifferanse mellom hastighetssensoren og væsketemperaturføleren. Etter hvert som strømningen endres, må effekten som tilføres den oppvarmede hastighetssensoren, justeres for å opprettholde den konstante temperaturdifferansen. Uansett hvilken metode som brukes, er de målte endringene (i enten tilført effekt eller differansetemperatur) direkte proporsjonale med endringer i strømningshastigheten. For begge utførelsene beskrives forholdet mellom strømningshastighet og varmeoverføring fra hastighetssensoren ved hjelp av Kings ligning (eller en avledning av denne):

Formen på denne ligningen viser følsomheten for væskeegenskapene og betydningen av det andre leddet når strømningshastigheten øker. Ligningen er ikke-lineær, men heldigvis er det enkelt å linearisere den ved hjelp av digitale signalbehandlingsteknikker. Noen konstruksjoner bruker én oppvarmet ledning (anemometre er den klassiske typen her), mens andre bruker to termistorer i referanse- og følgemodus. Figur 1 viser spissene på en slik termisk sonde. Væske strømmer over væskesensoren (a), det uoppvarmede elementet, og hastighetssensoren (b), det oppvarmede elementet, for å måle varmestrømningshastigheten.

Figur 2 illustrerer det «kalorimetriske» måleprinsippet, som finnes i flere kommersielle design av termiske gjennomstrømningsmålere. Varme genereres inne i gjennomstrømningsmåleren og tilføres strømningen. To sensorelementer er plassert inne i den for å måle temperaturvariasjonen mellom ulike punkter. Noen ganger brukes to varmeelementer og tre temperatursensorer for å gi et mer fullstendig bilde av den termiske profilen. Når det ikke er gjennomstrømning, viser alle temperatursensorene samme temperatur.

Når det oppstår strømning, blir sensorene oppvarmet eller avkjølt i forhold til hverandre, og det oppstår en temperaturforskjell ∆T, som er direkte relatert til strømningen. Disse målertyper karakteriseres av ligningen:

Tilførsel av varme (H) ved null strømning skaper en uforvrengt termisk profil (a), som beveger seg mot høyre under strømningsforhold (b).

Ligningen ovenfor er mindre avhengig av væskeegenskapene, selv om konstanten «A» omfatter både ledningsevne og viskositet.

For begge målemetodene («termisk dispersjon» og «kalorimetrisk») er det utviklet konstruksjoner med enkelt- eller flerpunktssensorer, enten i fullboring eller by-pass-linje. Dette gjør det mulig å dekke et enormt strømningsområde, fra lav strømning av rene gasser i medisinsk bruk til store mengder fakkelgass i utslippsstakker.

I kommersiell sammenheng brukes de to tidligere beskrevne prinsippene for sensorer som er installert i hovedledningen og de som er installert i bypass-sløyfen. Det er betydelig overlapping mellom de to driftsprinsippene og de to grunnleggende kommersielle designene, spesielt når man tar hensyn til strømningshastighet og rørdimensjoner. Andre faktorer som kan påvirke det endelige designvalget, avhenger i stor grad av bruksområdet og typen væske som skal måles.

Den enkleste typen termisk dispersjonsmåler er varmekabelanemometeret. Hastighetssensoren er en fin tråd laget av wolfram, platina eller nikkel. Det finnes både typer med konstant effekt og konstant temperaturdifferanse i handelen. Tråden har en diameter på 0,02 mm (typisk) og er montert mellom støtter. Den lille størrelsen betyr minimal forstyrrelse av strømningen, slik at følsomhet og ytelse opprettholdes. Sensorene kan være enkle eller multiple i alle retninger (fig. 3). De mer komplekse konstruksjonene brukes ofte i forskningsapplikasjoner.

Bypass-typer (eller CTMF = Capillary Thermal Mass Flowmeters, som de ofte kalles) er faktisk en undertype av den kalorimetriske grenen av strømningsmålere. De bruker ofte et laminært strømningselement i forbindelse med kapillær bypass. Kapillarrøret er koblet til innløpet og utløpet til det laminære termiske masseflowelementet, slik at en liten del av hovedstrømmen blir avledet og prøvetatt (fig. 4). Utformingen sikrer et fast forhold mellom den totale gasstrømmen gjennom kapillærrøret for måling. Varmeapparatet og temperatursensorene er vanligvis plassert på kapillarrøret i stedet for på hovedledningen. Det finnes imidlertid også utførelser uten kapillær og laminært strømningselement, der sensorene er plassert direkte på hovedledningen (røret). Det kan være ett eller to varmeelementer og opptil tre temperatursensorer plassert på ulike måter langs kapillærrøret.

CTMF-måleren leveres vanligvis med skruegjengede koblinger, men kan også leveres med flensfittings. Denne målerkonstruksjonen kombineres ofte med en massestrømningsregulator nedstrøms for sensoren. Denne konfigurasjonen kalles en massestrømningsregulator (MFC). Det elektroniske grensesnittet er vanligvis plassert i samme enhet som bypass-sløyfen.

For større rør brukes vanligvis innstikksmålere. Noen utførelser kan imidlertid brukes for rørdiametere mindre enn DN 50/2». Sensorene er plassert i enden av en sonde som føres inn i den strømmende gasstrømmen. Den totale massestrømmen bestemmes ut fra den målte punktstrømningshastigheten, tverrsnittsarealet og temperaturkompensasjon for strømningsprofilen.

En viss grad av fysisk beskyttelse av sensorene er vanligvis inkludert. Det finnes mange forskjellige monteringsløsninger, blant annet flensfittings, pakkhylser, sanitærfittings og fittings med ultrahøy renhet. Sensorenes plassering i rørets tverrsnitt er avgjørende for optimal ytelse. Hvis produsentens anbefalte installasjon ikke kan oppnås, er det nødvendig med en korreksjon.

Med visse typer innstikkmålere er det mulig å justere sensorplasseringen i røret for å oppnå optimal måleposisjon. Installasjonen av innstikkmåleren i et eksisterende rør skjer vanligvis ved hjelp av en adapter som sveises fast på rørets utvendige overflate. Innstikkmåleren installeres i røret gjennom denne adapteren. Adapterens tilkobling må stemme overens med den på innstikksmåleren.

I noen bruksområder brukes flere innstikksdesign. Et vanlig bruksområde er for eksempel overvåking av fakkelstakk eller skitten prosessgass. Noen konstruksjoner kan ligne veldig på Pitot-rør med flere innstikk, men med termiske prober som erstatter trykkportene. Slike robuste konstruksjoner krever periodisk tilbaketrekking og rengjøring, men har vist seg å være akseptable metoder for disse vanskelige bruksområdene.

Inline termiske masseflowmålere (ITMF) består av tre elementer: huset, følerelementet og elektronikken, som kan være plassert fjernt fra den primære sensoren. Som med de fleste moderne instrumenter gir signalbehandlingen mulighet for mange strømnings- og alarmfunksjonsutganger i et hvilket som helst ønsket format. Instrumenthuset er tilgjengelig med et bredt utvalg av prosesskoblinger som passer til bruksområdet (ANSI-, DIN-, NPT- eller hygienisk gjenger). Figur 5 viser den skjematiske oppstillingen av en inline- og en innstikksmåler.

Som klasse har termiske massemålere gode generiske egenskaper, med både fordeler og ulemper. Et generelt ytelsesområde for disse enhetene kan sies å strekke seg fra ±1 % o.r. til ±3 % o.r. ±0,3 % o.f.s. Typiske turndowns er 100:1 og høyere. Repeterbarheten er vanligvis rundt ±0,5 % o.r. eller bedre. Det finnes modeller for strømningshastigheter fra 2 til 10 000 kg/t (4,4 til 22 000 lb/t) og høyere.