Un misuratore a vortice è un tipo di misuratore di portata volumetrica che sfrutta un fenomeno naturale che si verifica quando un liquido scorre attorno a un oggetto spigoloso. I misuratori di portata a vortici funzionano secondo il principio della separazione dei vortici, in base al quale i vortici (o turbolenze) vengono separati alternativamente a valle dell'oggetto. La frequenza della separazione dei vortici è direttamente proporzionale alla velocità del liquido che scorre attraverso il misuratore.
I misuratori di portata a vortici sono particolarmente indicati per le misurazioni di portata in cui l'introduzione di parti mobili presenta dei problemi. Sono disponibili in versione industriale, in ottone o interamente in plastica. La sensibilità alle variazioni delle condizioni di processo è bassa e, non avendo parti mobili, l'usura è relativamente bassa rispetto ad altri tipi di flussimetri.
Vortex-Shedding History
Theodor von Karman, mentre pescava nei torrenti di montagna delle Alpi della Transilvania, scoprì che quando un oggetto non aerodinamico (chiamato anche corpo spigoloso) viene posto nel percorso di un torrente a flusso veloce, Il fluido si separa alternativamente dall'oggetto sui suoi due lati a valle e, man mano che lo strato limite si stacca e si arriccia su se stesso, il fluido forma dei vortici (chiamati anche mulinelli o vortici). Egli notò anche che la distanza tra i vortici era costante e dipendeva esclusivamente dalle dimensioni della roccia che li formava.
Sul lato del corpo a spigolo vivo dove si forma il vortice, la velocità del fluido è elevata e la pressione è minore. Man mano che il vortice si sposta a valle, aumenta di forza e dimensioni, fino a staccarsi o dissolversi. Questo è seguito dalla formazione di un vortice sull'altro lato del corpo a spigolo vivo (Figura 1). I vortici alternati sono distanziati a intervalli regolari.
Figura 1: Calcolo della velocità del flusso con il misuratore a vortici Il fenomeno della formazione di vortici può essere osservato quando il vento soffia su un pennone (che funge da corpo smussato); questo è ciò che causa le increspature regolari che si vedono in una bandiera. I vortici si generano anche dai piloni dei ponti, dai pali di fondazione, dai supporti delle piattaforme di perforazione offshore e dagli edifici alti. Le forze causate dal fenomeno di separazione dei vortici devono essere prese in considerazione nella progettazione di queste strutture. In un sistema di tubazioni chiuso, l'effetto vortice si dissipa entro pochi diametri del tubo a valle del corpo frastagliato e non provoca alcun danno.
Progettazione del misuratore di portata a vortici
Un misuratore di portata a vortici è tipicamente realizzato in acciaio inossidabile 316 o Hastelloy e comprende un corpo smussato, un gruppo sensore a vortici e l'elettronica del trasmettitore, sebbene quest'ultima possa anche essere montata a distanza (Figura 2). Sono generalmente disponibili in dimensioni della flangia da ½ pollice a 12 pollici. Il costo di installazione dei misuratori a vortice è competitivo rispetto a quello dei misuratori a orifizio di dimensioni inferiori a sei pollici. I misuratori con corpo wafer (senza flangia) hanno il costo più basso, mentre i misuratori flangiati sono preferibili se il fluido di processo è pericoloso o ad alta temperatura.
Figura 2: Sensore di rilevamento del vortice Sono state sperimentate diverse forme (quadrata, rettangolare, a T, trapezoidale) e dimensioni dei corpi ostacolanti per ottenere le caratteristiche desiderate. I test hanno dimostrato che la linearità, la limitazione del basso numero di Reynolds e la sensibilità alla distorsione del profilo di velocità variano solo leggermente a seconda della forma del corpo smussato. In termini di dimensioni, il corpo smussato deve avere una larghezza che sia una frazione sufficientemente grande del diametro del tubo affinché l'intero flusso partecipi al distacco. In secondo luogo, il corpo smussato deve avere bordi sporgenti sulla faccia a monte per fissare le linee di separazione del flusso, indipendentemente dalla portata. In terzo luogo, la lunghezza del corpo smussato nella direzione del flusso deve essere un certo multiplo della larghezza del corpo smussato.
Oggi, la maggior parte dei misuratori a vortice utilizza sensori piezoelettrici o di tipo capacitivo per rilevare l'oscillazione di pressione intorno al corpo smussato. Questi rilevatori rispondono all'oscillazione di pressione con un segnale di uscita a bassa tensione che ha la stessa frequenza dell'oscillazione. Tali sensori sono modulari, economici, facilmente sostituibili e possono funzionare in un ampio intervallo di temperature, dai liquidi criogenici al vapore surriscaldato. I sensori possono essere posizionati all'interno o all'esterno del corpo del misuratore. I sensori bagnati sono sollecitati direttamente dalle fluttuazioni di pressione del vortice e sono racchiusi in involucri temprati per resistere agli effetti della corrosione e dell'erosione.
I sensori esterni, tipicamente estensimetri piezoelettrici, rilevano indirettamente il distacco dei vortici attraverso la forza esercitata sulla barra di distacco. I sensori esterni sono preferibili in applicazioni altamente erosive/corrosive per ridurre i costi di manutenzione, mentre i sensori interni offrono una migliore rangeability (migliore sensibilità al flusso). Sono inoltre meno sensibili alle vibrazioni dei tubi. L'alloggiamento dell'elettronica è solitamente classificato come antideflagrante e resistente alle intemperie e contiene il modulo trasmettitore elettronico, i collegamenti di terminazione e, opzionalmente, un indicatore di portata e/o un totalizzatore.
Tipi di misuratori di portata a vortici
I misuratori a vortici intelligenti forniscono un segnale di uscita digitale contenente più informazioni oltre alla semplice portata. Il microprocessore nel misuratore di portata può correggere automaticamente condizioni di tubi rettilinei insufficienti, differenze tra il diametro interno e quello del tubo di accoppiamento, espansione termica del corpo di disturbo e variazioni del fattore K quando il numero di Reynolds scende al di sotto di 10.000.
I trasmettitori intelligenti sono inoltre dotati di subroutine diagnostiche per segnalare guasti ai componenti o di altro tipo. I trasmettitori intelligenti possono avviare routine di test per identificare i problemi sia del misuratore che dell'applicazione. Questi test su richiesta possono anche aiutare nella verifica ISO 9000.
Alcuni misuratori di portata a vortici possono rilevare la portata massica. Uno di questi tipi di sonda misura contemporaneamente sia la frequenza dei vortici che l'intensità degli impulsi dei vortici. Da queste letture è possibile determinare la densità del fluido di processo e calcolare la portata massica con una precisione del 2% dell'intervallo.
Un altro modello è dotato di sensori multipli per rilevare non solo la frequenza del vortice, ma anche la temperatura e la pressione del fluido di processo. Sulla base di tali dati, determina sia la densità che la portata massica. Questo misuratore offre una accuratezza dell'1,25% nella misurazione della portata massica dei liquidi e del 2% nella misurazione della portata massica dei gas e del vapore. Se la conoscenza della pressione e della temperatura di processo è importante per altri motivi, questo misuratore offre un'alternativa conveniente e meno costosa all'installazione di trasmettitori separati.
Accuratezza e rangeability
Poiché il numero di Reynolds diminuisce all'aumentare della viscosità, la rangeability del flussometro a vortice diminuisce all'aumentare della viscosità. Il limite massimo di viscosità, in funzione dell'accuratezza e della rangeability consentite, è compreso tra 8 e 30 centipoise. È possibile ottenere una rangeability superiore a 20:1 per il servizio con gas e vapore e superiore a 10:1 per applicazioni con liquidi a bassa viscosità se il misuratore a vortice è stato dimensionato correttamente per l'applicazione.
L'imprecisione della maggior parte dei misuratori a vortice è dello 0,5-1% della portata per numeri di Reynolds superiori a 30.000. Man mano che il numero di Reynolds diminuisce, l'errore di misurazione aumenta.
Mentre la maggior parte dei misuratori di portata continua a fornire alcune indicazioni a portate vicine allo zero, il misuratore a vortice è dotato di un punto di interruzione. Al di sotto di questo livello, l'uscita del misuratore viene automaticamente bloccata a zero (4 mA per i trasmettitori analogici).
Applicazioni e limitazioni
I misuratori a vortice non sono solitamente raccomandati per il dosaggio o altre applicazioni a flusso intermittente. Questo perché l'impostazione della portata di gocciolamento della stazione di dosaggio può scendere al di sotto del limite minimo del numero di Reynolds del misuratore. Più piccolo è il lotto totale, più significativo sarà l'errore risultante.
I gas a bassa pressione (bassa densità) non producono un impulso di pressione sufficientemente forte, soprattutto se le velocità dei fluidi sono basse. Pertanto, è probabile che in tali servizi la rangeabilità del misuratore sia scarsa e che le portate basse non siano misurabili. D'altra parte, se la ridotta rangeability è accettabile e il misuratore è dimensionato correttamente per il flusso normale, il flussometro a vortice può comunque essere preso in considerazione.
Se il fluido di processo tende a rivestire o ad accumularsi sul corpo smussato, come nel caso di fanghi e liquami, ciò finirà per modificare il fattore K del misuratore. I flussometri a vortice non sono raccomandati per tali applicazioni. Tuttavia, se un fluido sporco contiene solo quantità moderate di solidi non rivestenti, l'applicazione è probabilmente accettabile. Ciò è stato dimostrato da un test di 2 anni su un liquame calcareo. Al termine del test, è stato riscontrato che il fattore K era cambiato solo dello 0,3% rispetto alla calibrazione di fabbrica, sebbene il corpo di disturbo e il tubo di flusso fossero gravemente danneggiati e corrosi.
Quando si misura un flusso multifase (particelle solide in gas o liquido; bolle di gas in liquido; goccioline di liquido in gas), la precisione del misuratore a vortice diminuisce a causa dell'incapacità del misuratore di distinguere tra le fasi. Il vapore umido di bassa qualità è una di queste applicazioni: la fase liquida dovrebbe essere dispersa in modo omogeneo all'interno del vapore e le linee di flusso verticali dovrebbero essere evitate per prevenire lo slugging. Quando il tubo è orizzontale, la fase liquida tende a spostarsi sul fondo del tubo, pertanto l'area interna del tubo dovrebbe essere mantenuta aperta nella parte inferiore. Ciò può essere ottenuto installando il corpo di disturbo in posizione orizzontale. L'imprecisione di misura in tali applicazioni è di circa il 5% del flusso effettivo, ma con una buona ripetibilità.
La perdita di pressione permanente attraverso un misuratore a vortice è circa la metà di quella di una piastra a orifizio, pari a circa due altezze di velocità. (L'altezza di velocità è definita come V2/g, dove V è la velocità del flusso e g è la costante gravitazionale in unità coerenti). Se il tubo e il misuratore sono dimensionati correttamente e hanno le stesse dimensioni, la caduta di pressione sarà probabilmente di pochi psi. Tuttavia, il downsizing (installazione di un misuratore di dimensioni inferiori a quelle della linea) al fine di aumentare il Reynolds può aumentare la perdita di carico a più di 10 psi. È inoltre necessario assicurarsi che la pressione della vena contracta non scenda al di sotto della pressione di vapore del fluido di processo, poiché ciò causerebbe cavitazione. Naturalmente, se la contropressione sul misuratore è inferiore alla pressione di vapore, il fluido di processo evaporerà e la lettura del misuratore non sarà significativa.
I principali vantaggi dei misuratori a vortice sono la loro bassa sensibilità alle variazioni delle condizioni di processo e la bassa usura rispetto agli orifizi o ai misuratori a turbina. Inoltre, i costi iniziali e di manutenzione sono bassi. Per questi motivi, stanno riscuotendo un consenso sempre più ampio tra gli utenti.
Raccomandazioni per l'installazione
Quando si installa un flussometro a vortice in un processo esistente in cui l'intervallo di portata non è noto, si raccomanda di effettuare prima alcune misurazioni approssimative (utilizzando tubi di Pitot portatili o
The vortex meter requires a well-developed and symmetrical flow velocity profile, free from any distortions or swirls. This necessitates the use of straight up and downstream piping to condition the flow. The straight length of pipe must be the same size as the meter (Figure 3) and its length should be about the same as required for an orifice installation with a beta ratio of 0.7. Most vortex flowmeter manufacturers recommend a minimum of 30 pipe diameters downstream of control valves, and 3 to 4 pipe diameters between the meter and downstream pressure taps. Temperature elements should be small and located 5 to 6 diameters downstream.
Figura 3: Raccomandazioni per l'installazione È necessaria la "restringimento" delle tubazioni di processo sovradimensionate mediante riduttori e espansori concentrici. Anche se sono installati dei raddrizzatori di flusso, sarà comunque necessaria una tubazione diritta (di rilassamento).
I misuratori a vortice possono essere installati verticalmente, orizzontalmente o con qualsiasi angolazione, purché siano mantenuti immersi. Il misuratore può essere mantenuto immerso installandolo in una linea di flusso verticale ascendente (Figura 3-B). In caso di installazione del misuratore di portata in un flusso discendente (Figura 3-C) o orizzontale (Figura 3-D), la tubazione a valle deve essere mantenuta elevata. È possibile utilizzare valvole di ritegno per mantenere la tubazione piena di liquido in assenza di flusso. Sono necessarie valvole di blocco e di bypass se la sostituzione del sensore in un particolare modello richiede l'arresto del flusso e l'apertura del processo.
Le flange di accoppiamento (sulle tubazioni di accoppiamento schedule 40 o schedule 80) devono avere lo stesso diametro e lo stesso foro liscio del misuratore di portata. Sono preferibili le flange a saldare e non devono essere utilizzate flange di riduzione. La superficie interna del tubo di accoppiamento deve essere priva di scaglie di laminazione, cavità, fori, segni di alesatura e protuberanze per una distanza di 4 diametri a monte e 2 diametri a valle del misuratore. I fori del misuratore, le guarnizioni e le tubazioni adiacenti devono essere accuratamente allineati per eliminare eventuali ostruzioni o gradini.
Le vibrazioni eccessive dei tubi possono essere eliminate sostenendo le tubazioni su entrambi i lati del misuratore o ruotando il misuratore in modo che il sensore venga spostato fuori dal piano di vibrazione. Il rumore di processo dovuto al battito delle valvole, agli scaricatori di condensa o alle pompe può causare letture alte o letture diverse da zero in condizioni di flusso zero. La maggior parte dei dispositivi elettronici dei misuratori consente di aumentare le impostazioni del filtro del rumore, ma una maggiore riduzione del rumore di solito diminuisce anche la sensibilità del misuratore ai flussi bassi. Un'opzione è quella di spostare il misuratore in una parte meno rumorosa del processo.
Dimensionamento e rangeability
La frequenza di distacco dei vortici è direttamente proporzionale alla velocità del fluido nel tubo e quindi alla portata volumetrica. La frequenza di distacco è indipendente dalle proprietà del fluido quali densità, viscosità, Conduttività, ecc., tranne per il fatto che il flusso deve essere turbolento affinché si verifichi il distacco dei vortici. La relazione tra la frequenza dei vortici e la velocità del fluido è:
St = f(d/V)
Dove St è il numero di Strouhal, f è la frequenza di distacco dei vortici, d è la larghezza del corpo smussato e V è la velocità media del fluido. Il valore del numero di Strouhal è determinato sperimentalmente e generalmente risulta costante su un ampio intervallo di numeri di Reynolds. Il numero di Strouhal rappresenta il rapporto tra l'intervallo tra la formazione dei vortici (l) e la larghezza del corpo smussato (d), che è circa sei (Figura 4). Il numero di Strouhal è un fattore di calibrazione adimensionale utilizzato per caratterizzare vari corpi smussati. Se il loro numero di Strouhal è lo stesso, due corpi smussati diversi si comporteranno in modo simile.
Figura 4: Calcolo della velocità del flusso con i misuratori a vortice Poiché la portata volumetrica Q è il prodotto della velocità media del fluido e dell'area della sezione trasversale disponibile per il flusso (A):
Q = AV = (A f d B)/St
dove B è il fattore di ostruzione, definito come l'area aperta lasciata dal corpo smussato divisa per l'area del diametro interno del tubo. Questa equazione, a sua volta, può essere riscritta come:
Q = fK
dove K è il coefficiente del misuratore, pari al prodotto (A f d B). Come per i flussimetri a turbina e altri flussimetri che producono frequenze, il fattore K può essere definito come impulsi per unità di volume (impulsi per gallone, impulsi per piede cubo, ecc.). Pertanto, è possibile determinare la portata contando gli impulsi per unità di tempo. Le frequenze dei vortici variano da uno a migliaia di impulsi al secondo, a seconda della velocità del flusso, delle caratteristiche del fluido di processo e delle dimensioni del misuratore. Nel servizio gas, le frequenze sono circa 10 volte superiori rispetto alle applicazioni con liquidi.
Il fattore K è determinato dal produttore, solitamente mediante calibrazione con acqua in un laboratorio di flusso. Poiché il fattore K è lo stesso per le applicazioni con liquidi, gas e vapori, il valore determinato dalla calibrazione con acqua è valido per qualsiasi altro fluido. Il fattore di calibrazione (K) a numeri di Reynolds moderati non è sensibile alla nitidezza dei bordi o ad altre variazioni dimensionali che influenzano i misuratori a orifizio con bordi squadrati.
Sebbene le equazioni dei misuratori a vortice siano relativamente semplici rispetto a quelle delle piastre a orifizio, ci sono molte regole e considerazioni da tenere a mente. I produttori offrono software gratuiti per il dimensionamento, in cui l'utente inserisce le proprietà del fluido (densità, viscosità e intervallo di flusso desiderato) e il programma dimensiona automaticamente il misuratore.
La forza generata dall'impulso di pressione del vortice è una funzione della densità del fluido moltiplicata per il quadrato della velocità del fluido. Il requisito che vi sia un flusso turbolento e una forza sufficiente ad azionare il sensore determina la rangeability del misuratore. Questa forza deve essere sufficientemente elevata da poter essere distinta dal rumore. Ad esempio, un tipico misuratore a vortice da 2 pollici ha un intervallo di portata dell'acqua compreso tra 12 e 230 gpm. Se la densità o la viscosità del fluido differiscono da quelle dell'acqua, l'intervallo del misuratore cambierà.
Al fine di ridurre al minimo il rumore di misurazione, è importante selezionare un misuratore in grado di gestire adeguatamente sia la portata minima che quella massima del processo da misurare. Si raccomanda che la portata minima da misurare sia almeno doppia rispetto alla portata minima rilevabile dal misuratore. La capacità massima del misuratore dovrebbe essere almeno cinque volte superiore alla portata massima prevista. Sono disponibili in versione industriale, in ottone o interamente in plastica. La sensibilità alle variazioni delle condizioni di processo è bassa e, non avendo parti mobili, presentano un'usura relativamente bassa rispetto ad altri tipi di flussimetri. ", "thumbnailUrl": "https://assets.dwyeromega.com/video-thumbnails/vs-misuratori-a-vortice.jpg","uploadDate": "2019-09-19T13:30:01.000Z", "duration": "PT1M47S","contentUrl": "https://www.dwyeromega.com/it-it/resources/vortex-flow-meter","interactionCount": "29180"
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