Principer för flödesmätning

Vad är flödesmätning?

Typer av flödesmätare

Elektromagnetiska flödesmätare

Coriolis-flödesmätare

Ultraljudsflödesmätare

Termiska massflödesmätare

Turbinflödesmätare

Vortex-flödesmätare

Differenstrycksflödesmätare

Svävkroppsmätare

Hur väljer du en flödesmätare?

1) Vilken vätska ska mätas?

2) Vilka är processvillkoren?

3) Var ska flödesmätaren installeras?

4) Vilka är omgivningsförhållandena?

5) Vilken prestandanivå krävs av flödesmätaren?

6) Vilka investeringar planeras?

Behöver du mer information om flödesmätare?

Vad är flödesmätning?

Flödesmätning är processen för att kvantifiera flödeshastigheten för ett visst medium. Flödet av vätskor och gaser är till exempel en av de mest uppmätta variablerna i processindustrin. De används i olika branscher för olika ändamål; från att styra sekundära variabler, såsom uppvärmning med hjälp av ångflödesreglering, till förbrukningsövervakning och fakturering. Kort sagt kan flöde definieras som volymen eller massan dividerat med tidsperioden.

Matematiskt kan flöde uttryckas som:

Massflöde (Q) = Massa (kg) ÷ Tid (s)

Volymetriskt flöde (Q) = Volym (m³) ÷ Tid (s)

SI-måttenheterna för massa och volymflöde är kg/s respektive m³/s, men i praktiken kan man använda olika enheter som kg/h, ton/h för massflöde och l/min eller m3/h för volymetriska flöden.

Det är också möjligt att bestämma den volymetriska flödeshastigheten i ett rör eller en kanal om du känner till vätskehastigheten och rörets tvärsnittsarea, varvid:

Volymetriskt flöde (Q) = Yta (m²) ∙ hastighet (m/s)

Resultatet av denna ekvation är det volymetriska flödet i SI-enheten m³/s.

Om vätskedensiteten är känd och konstant är det möjligt att erhålla massflödet genom att multiplicera det med den volymetriska flödeshastigheten.

Massflöde (Q) = Volymetriskt flöde (m³/s) ∙ Densitet (kg/m³)

Resultatet av denna ekvation är massflödet i SI-enheten kg/s.

När det gäller mätning av gasflöden har gaspartiklar svagare intermolekylära bindningar än vätskor, så deras densitet kan påverkas av förändringar i tryck och temperatur. För en direkt jämförelse korrigeras ofta dessa mätvärden till ett referensvillkor för temperatur och tryck. De två mest använda referensvillkoren är 0 °C (32 °F) och 1 bar (100 kPa) definierad av IUPAC, och 20 °C (68 °F) och 1013,24 mbar (101,325 kPa) definierade av NIST. Vid massflödesmätning av gaser krävs ingen kompensation, eftersom massan är oberoende av temperatur- och tryckförändringar.

Tillbaka till översikten

Typer av flödesmätare

De flesta flödesmätningsprinciper baseras antingen på vätskedynamik eller vätskekarakteristika som termiska, akustiska och elektromagnetiska egenskaper, med flödeshastigheter mätta direkt eller indirekt beräknat från andra uppmätta kvantiteter. På grund av olika fysikaliska egenskaper mellan vätskor och gaser beräknas ofta vätskeflödesmätning och gasflödesmätning separat. Beroende på applikationskrav görs åtskillnad mellan volymflödesmätning och massflödesmätning. Med hänsyn till mätprinciperna kan flödesmätare installeras på olika sätt: inline-, insticks- eller klämmontage.

Elektromagnetiska flödesmätare

Elektromagnetiska flödesmätare, även kända som magnetisk-induktiva flödesmätare eller helt enkelt som magflowmmätare, fungerar på grundval av Faradays induktionslag, som vanligtvis används för att mäta det volymetriska flödet av ledande vätskor, såsom vatten, kemikalier eller drycker, inom olika industrier. Den opåverkade mätkroppen orsakar praktiskt taget ingen tryckförlust, vilket gör den till ett bra alternativ vid mätning av täta viskösa medier och kan tack vare dess speciella mättade material och design också användas för frätande och slipande vätskor.

Elektromagnetiska flödesmätare är konstruerade med två fältspolar, installerade på motsatta sidor av mätröret, vilket ger ett magnetfält. När vätskan passerar genom fältet inducerar den en spänning som mäts av ett par elektroder. Den inducerade spänningen är direkt proportionell mot flödeshastigheten. På grund av den tillämpade mätprincipen kan magflowmätare endast mäta ledande vätskor och är inte lämpliga för icke-ledande vätskor som oljor, kolväten eller demineraliserat, ultrarent och destillerat vatten.

Till de elektromagnetiska flödesmätarna

Video 1: Översikt över den elektromagnetiska flödesmätningsprincipen

Elektromagnetiska flödesmätare - fördelar:

Hög noggrannhet
Enkel driftsättning
Ingen tryckförlust
Brett utbud av storlekar
Dubbelriktad flödesmätning

Elektromagnetiska flödesmätare - begränsningar:

Endast lämplig för ledande vätskor
Ej lämplig för höga temperaturer

Coriolis-flödesmätare

Coriolis-flödesmätare är en av de mest mångsidiga, avancerade och exakta flödesmätarna som finns, baserade på corioliseffekten, som först utvecklades av den franska forskaren, Gaspard-Gustave de Coriolis, 1835. Coriolis-flödesmätare kan mäta massflöde, densitet och temperatur och kan också beräkna andra variabler som volymflöde, koncentration och viskositet. De används ofta i applikationer som kräver hög noggrannhet och tillförlitlighet, till exempel doseringstillämpningar inom livsmedels- och dryckes- och läkemedelsindustrin, eller depåöverföring inom kemi-, olje- och gasindustrin.

Video 2: Översikt över coriolisflödesmätningsprincipen

Coriolis-flödesmätare kan ha olika utföranden beroende på tillverkare och modell, men de följer alla samma grundprincip: en magnetspole som stimulerar mätröret med en resonansfrekvens, medan ett par sensorer installerade i rörets inlopp och utlopp mäter frekvensen hos det oscillerande röret. När det inte finns något flöde oscillerar båda rörets ändar synkront. Så snart det finns flöde i röret skapar vätskerörelsen en alternerande vridning, på grund av oscillationen som orsakas av magnetspolen, och en fasförskjutning i rörets båda ändar detekteras av sensorerna. Massflödet är då proportionellt mot tidsskillnaden mellan inlopp och utlopp.

Rörets resonansfrekvens är beroende av vätskedensiteten: ju högre densitet desto lägre blir resonansfrekvensen. Denna egenskap gör så att coriolis-flödesmätare på ett noggrant sätt även kan mäta vätskans densitet och med den uppmätta densiteten är det då också möjligt att beräkna det volymetriska flödet. En inbyggd temperaturgivare hjälper coriolis-flödesmätare att beräkna specifika koncentrationsvärden som Brix, Platon, Baumé och API.

Sådan avancerad teknik har en högre kostnad jämfört med annan teknik, men investeringen betalar sig själv över tid tack vare den förhöjda noggrannheten och produktiviteten som denna typ av enhet kan ge.

Coriolis-flödesmätare - fördelar:

En av de mest exakta teknikerna
Massflödesmätning av vätskor och gaser
Multivariabel mätning
Lämplig för extrema temperatur- och tryckprocessförhållanden
Dubbelriktad flödesmätning

Coriolis-flödesmätare - begränsningar:

Hög initial investeringskostnad
Tryckfall beroende på rörkonstruktion

Ultraljudsflödesmätare

Ultraljudsflödesmätare är volymetriska flödesmätare, som normalt har en fastspänd konstruktion, som installeras externt på rörytan, utan kontakt med det uppmätta mediet. Den vanligaste applikationen för denna typ av flödesmätare är vattenmätning, särskilt på stora rör där annan teknik blir dyr. De har också blivit populära inom vatten- och avloppsindustrin, men de finns även för andra applikationer och vissa modeller är till och med utformade för gasmätning. Det finns två olika tekniker på marknaden: genomströmningstid och dopplereffekt, beroende på tillverkare och modell.

Dopplereffektmetoden kräver partiklar eller bubblor i vätskan. En transduktor avger en ultraljudssignal som reflekteras i den eller de rörliga partiklarna och återvänder med en annan frekvens än den som ursprungligen sändes ut. Denna frekvensförskjutning är proportionell mot flödeshastigheten.

Bild 1 - Dopplereffektmetod

Video 3: Översikt över ultraljudsmätningsprincipen

Genomströmningsmetoden är den vanligaste varianten. Den använder ett eller flera par givare. Varje givare producerar och kommer också att ta emot ultraljudssignalen från den andra givaren. Flytande vätska i röret kommer att förändra den tid det tar för signalen att passera mellan givarna, vilket är proportionellt mot flödeshastigheten.

Ultraljudsflödesmätare kan vara bra alternativ till elektromagnetiska flödesmätare, till exempel vid icke-ledande media och för större rördiametrar. Eftersom ultraljudsflödesmätargivare inte kommer i kontakt med mediet kan det vara ett bra alternativ för frätande vätskor och högtrycksledningar. Dessutom används den ofta för eftermontering utan att avbryta en process eller som bärbar mätare för tillfällig mätning, till exempel för granskning eller flödesvalidering.

Ultraljudsflödesmätare - fördelar:

Oberoende av vätskekonduktivitet, viskositet eller tryck
Ingen tryckförlust
Modell som kan klämmas fast: opåverkande och ekonomisk lösning för stora rörstorlekar

Ultraljudsflödesmätare - begränsningar:

Långa inlopps- och utloppsledningar krävs
Känslig för tvåfasiga vätskor

Termiska massflödesmätare

Termiska massflödesmätare arbetar på grundval av den termiska spridningsprincipen, även känd som Kings lag, varigenom en rörlig vätska leder värme bort från en värmekälla. Denna typ av flödesmätare används vanligen som tryckluftsmätare och även för olika typer av gas, eftersom det är en pålitlig men ändå billig teknik jämfört med andra massflödesmätare som Coriolis.

Värmeflödesmätarens konstruktion kan variera beroende på tillverkare, men består i allmänhet av två temperaturgivare. En givare fungerar som referensgivare och mäter vätsketemperaturen, medan den andra givaren värms upp av en elektrisk ström, vilket skapar en konstant temperaturskillnad mellan referensgivaren och den uppvärmda givaren. Så snart det finns flöde i röret, leds en del av värmen bort av vätskan och kyler ned det uppvärmda elementet. Elektroniken kommer då att leverera mer ström till den uppvärmda givaren, vilket säkerställer att temperaturskillnaden alltid förblir konstant. Massflödet kan sedan beräknas baserat på den uppvärmda givarens strömförbrukning.

Video 4: Översikt över den termiska flödesmätningsprincipen

Vätskans termiska egenskaper måste vara kända för flödesgivaren, eftersom de termiska egenskaperna för varje vätska är olika, vilket påverkar mätningen. De vanligaste gaserna som används inom olika industrier är redan förkonfigurerade på de flesta termiska flödesmätare.

Det finns två grundläggande kommersiella termiska flödesmätarutföranden: insticks- och inlinemontage. Insticksmodellen används vanligtvis för större rör, varvid sonden monteras direkt i röret.

Till de termiska massflödesmätarna

Termiska massflödesmätare - fördelar:

Direkt massflödesmätning
Försumbar tryckförlust
Insticksmodellen kan vara kostnadseffektiv med stora rör

Termiska massflödesmätare - begränsningar:

Känslig för felaktigheter på grund av gasfuktighet
Känslig för felaktigheter på grund av förändringar i gassammansättningen

Tillbaka till översikten

Turbinflödesmätare

Video 5 - Översikt över turbinflödesmätningsprincipen

Turbinflödesmätare är volymetriska flödesmätare och är en av de mest kända flödesmätningsteknikerna. Turbinflödesmätare kan användas för mätning av volymflöde av både vätska och gaser, vilket är ett bra alternativ vid hantering av icke-ledande vätskor som oljor.

Turbinflödesmätare har en relativt enkel arbetsprincip, bestående av en rotor med blad monterade på ett lager, som stöds inuti mätaren av en central axel. När det finns flöde i röret kommer vätskans kinetiska energi att få rotorn att snurra. Bladens rörelse detekteras av en rörelsegivare, som producerar elektroniska pulser, som motsvarar volymmängden. Det volymetriska flödet är proportionellt mot pulsfrekvensen.

Paddelflödesmätare, även kallade impellerflödesmätare, betraktas ofta som en variant av turbinflödesmätaren och används vanligtvis för enkla applikationer som vattenflödesmätning. I stället för turbiner är flödesmätarna utrustade med ett skovelhjul, som snurrar med kraften från vätskeflödet. Skovelhjulets varv är proportionella mot flödeshastigheten. Skovlarnas rörelse detekteras av en rörelsesgivare som producerar elektroniska pulser som motsvarar volymmängden. På enklare modeller flyttar skovelhjulet en uppsättning kugghjul som i sin tur ändrar visade siffror. I denna version är instrumentet helt mekaniskt och kräver ingen strömförsörjning.

Bild 2 - Paddelflödesmätare

Turbinflödesmätare - fördelar:

Hög noggrannhet och reproducerbarhet
Oberoende av vätskans konduktivitet
Enkel konstruktion med lågt pris

Turbinflödesmätare - begränsningar:

Tryckförlust
Rörliga delar kan slitas med tiden
Vätskeviskositetsbegränsningar

Vortex-flödesmätare

Video 6: Översikt över vortexflödesmätningsprincipen

Vortex-flödesmätare är volymetriska flödesmätare med ett brett spektrum av applikationer, från vatten- till gasflödesmätning. Tack vare deras tålighet vid förhöjda temperaturer och tryck används de emellertid i stor utsträckning i applikationer för ångflödesmätning; den vanligaste tillämpningen för denna typ av flödesmätare.

Vortex-flödesmätare fungerar på grundval av principen för virvelavgivning, där en vätska flyter förbi ett hinder, känt som en störningskropp, vilket producerar lågtryckszoner bakom störningskroppen och bildar spridda virvlar på vardera sidan av kroppen. En givare som installeras efter störningskroppen mäter den frekvens vid vilken virvlarna bildas och flödeshastigheten och det volymetriska flödet är sedan proportionellt mot den frekvens vid vilken virvlarna uppträder.

Vortex-flödesmätare kan mäta flödeshastigheten för både vätskor och gaser. Det kräver dock en lägsta flödeshastighet för att virvlarna ska kunna bildas. Vortex-flödesmätare är volymetriska flödesmätare, men med hjälp av temperatur- och tryckgivare kan de beräkna massflödet av gaser och ånga. Vissa modeller har även integrerade temperatur- och tryckgivare.

Vortex-flödesmätare - fördelar:

Kostnadseffektiv och pålitlig lösning för ångmätning
Hög temperaturbeständighet
Oberoende av vätskans elektriska konduktivitet

Vortex-flödesmätare - begränsningar:

Ej lämplig för vätska med hög viskositet
Begränsade rördiametrar
Kräver en lägsta flödeshastighet
Enriktad flödesmätning

Differenstrycksflödesmätare

Differenstrycksflödesmätare, vanligen kallad DP-mätare, är en av de mest använda och mångsidiga flödesmätningsteknikerna, lämpliga för volymetrisk flödesmätning av vätskor, gaser och ånga. De utnyttjar tryckskillnaden som orsakas av begränsningselement såsom strypflänsar, munstycken, venturirör, pitotrör etc. Ett primärt användningsområde är mätning av ånga och kondensat vid höga temperaturer. Pitotrör är mer lämpade för situationer där tryckfallet är oönskat eller för stora rördiametrar.

Begränsningselement, såsom strypflänsar och venturirör, orsakar tryckfall i ledningen. Genom att mäta trycket före och efter begränsningen är det möjligt att bestämma det volymetriska flödet. Olika former och typer av restriktiva primära element kan användas för olika applikationer. Den vanligaste typen är strypflänsen, som också kan ha en mängd olika former och mönster.

Bild 3 - Differenstrycksflödesmätare med strypfläns

Bild 4 - Pitotrör för medelvärdesberäkning

Begränsningselement, såsom pitot-rören, mäter det dynamiska trycket. Det är summan av det statiska trycket i ledningen plus trycket som utövas av vätskans rörelse mot givarelementet, samtidigt som en separat mätning av enbart det statiska trycket utförs. Flödeshastigheten och det volymetriska flödet kan beräknas utifrån tryckskillnaden mellan de två mätpunkterna.

Tack vare dess konstruktion orsakar begränsningselementet också tryckförlust. Den är emellertid lägre än tryckförlusten som orsakas av till exempel en strypfläns.

Differenstrycksflödesmätare - fördelar:

Lägre kostnad jämfört med annan teknik
Mätning av vätskor, gaser och ånga
Hög temperatur- och tryckbeständighet
Robusta begränsningselement utan rörliga delar

Differenstrycksflödesmätare - begränsningar:

Tryckförlust
Installationen kan vara mer komplex jämfört med annan teknik
Lägre noggrannhet jämfört med annan teknik

Svävkroppsmätare

Svävkroppsmätare, även kända som flödesmätare med flytande element eller rotameter, är volymetriska flödesmätare med en relativt enkel konstruktion till en reducerad kostnad för mätning av gas- och vätskeflöde. Svävkroppsmätare används ofta för enkel flödesövervakning på grund av deras låga kostnad, särskilt versioner med avsmalnande glasrör med skala, där endast en lokal indikation behövs. Svävkroppsmätare är särskilt lämpade för att mäta flöden i den låga änden av volymskalan.

Svävkroppsmätare består av ett vertikalt rör, tillverkat av ett transparent material som t.ex. glas som successivt vidgas i diameter, och en flottör som ofta är gjord av glas eller metall. Kort sagt utövar vätskeflödet en kraft mot flottören, trycker den uppåt och på grund av gravitationskraften, flottörens vikt och den avsmalnande rörkonstruktionen uppnås en jämvikt i systemet och flottören förblir stilla i en fast position, vilket indikerar aktuell flödeshastighet. Flytläget kan ses på en skala som indikerar flödeshastigheten, medan mer avancerade modeller har en integrerad sensor för att detektera flottörläget och överföra en proportionell elektrisk signal, t.ex. 4-20 mA.

På grund av varierande vätskeegenskaper finns olika rör- och flottörkonstruktioner med varierande material vilka bör väljas i enlighet med den avsedda tillämpningen, annars kan enhetens prestanda och funktion äventyras.

Figur 5 – Svävkroppsmätare

Svävkroppsmätare - fördelar:

Billig flödesmätare med enkel design
Ingen extra ström behövs
Låg tryckförlust
Lämplig för tillämpningar med lågt flöde

Svävkroppsmätare - nackdelar:

Måttlig exakthet
Ej lämplig för vätskor med fast innehåll eller smutsiga vätskor

Tillbaka till översikten

Hur väljer du en flödesmätare?

Antalet konstruktioner, tekniker och olika tillämpningar kan göra valet av flödesmätare komplicerat, med urval som påverkas av en mängd olika faktorer.

För det första är det viktigt att förstå mätproblemet eller mätuppgiften, med andra ord, anledningen till att en flödesmätare behövs. Typiska uppgifter inkluderar: övervakning, kontroll, dosering eller påfyllning, batchning och omkoppling. Flera av kraven som ställs på en flödesmätare kan härledas från den specifika uppgiften, till exempel kräver batchning hög noggrannhet och särskilda batchfunktioner. För kontrolluppgifter tolereras en mindre noggrannhet, men hög repeterbarhet i mätningarna är ett krav.

Efter att ha definierat mätuppgiften kommer följande grundläggande överväganden eller krav att påverka valet av din flödesmätare:

1) Vilken vätska ska mätas?	Valet av flödesmätare baseras främst på vätskan som behöver mätas. Vissa tekniker fungerar bättre än andra beroende på vätsketyp medan andra inte fungerar alls för vissa vätskor. Elektromagnetiska flödesmätare fungerar till exempel inte för att mäta gasflöde. Med vetskap om detta är det viktigt att du kontrollerar om flödesmätartekniken är kompatibel med tillämpningen.
2) Vilka är processvillkoren?	Det är viktigt att förstå processförhållandena där flödesmätaren kommer att installeras, till exempel: förväntad flödeshastighet, processtemperatur och processtryck. Flödesmätaren måste dimensioneras i enlighet med dessa förhållanden för att säkerställa god prestanda och hållbarhet.
3) Var ska flödesmätaren installeras?	Installationsförhållandena kan också vara en faktor vid val av flödesmätare. Det är viktigt att du är medveten om rördiameter, processanslutning, inlopps- och utloppstyp samt förekomsten av störningskällor i flödet, till exempel reglerventiler, kopplingar, pumpar etc.
4) Vilka är omgivningsförhållandena?	Det är värt att veta om flödesmätaren ska installeras på en plats där personal har lätt åtkomst till den. Omgivningstemperatur, luftfuktighet, damm och väderexponering bör också övervägas.
5) Vilken prestandanivå krävs av flödesmätaren?	Varierande prestandanivåer kan behövas för olika tillämpningar. Genom att förstå processkraven kan en flödesmätningsteknik med kompatibla prestandanivåer väljas.
6) Vilka investeringar planeras?	Initiala investeringskostnader, flödesmätarfunktioner, underhållskostnader och kalibreringskostnader bör beaktas när du väljer en flödesmätare. En flödesmätare till lågt pris med billiga delar kan bli dyr i längden på grund av erforderligt underhåll och omkalibrering.

Behöver du mer information om flödesmätare?

Kontakta våra tekniker om du behöver hjälp med att välja en flödesmätare för din respektive tillämpning:

Skicka ett mejl till våra erfarna tekniker

Ring experterna

Hitta flödesmätare av hög kvalitet här:

Gå till flödesmätningskategorin

Tillbaka till översikten