Naast temperatuur- en drukmeting is flowmeting een van de belangrijkste taken in de industriële meettechniek. In principe kan de hoeveelheid flow met de meeste meetmethoden worden bepaald. In de praktijk is de keuze van de meetmethode afhankelijk van de betreffende toepassing. Weet jij welke flowsensor de beste keuze voor jouw toepassing is en wil je meer weten over verschillende flowmeetmethoden? Lees dan snel deze FAQ.
Flowmeting bepaalt de hoeveelheid medium per tijdseenheid die door een leidingsysteem stroomt. Het medium kan vloeistof, gas of stoom zijn. Bij het meten van de flow wordt onderscheid gemaakt tussen het meten van het flowvolume en de flowmassa.
Het flowvolume is het volume dat per tijdseenheid (in l/u, cbm/u etc.) door een leiding stroomt. De meeste hier gepresenteerde systemen meten het flowvolume.
De flowmassa wordt gedefinieerd als de massa die per tijdseenheid door een systeem stroomt (in kg/u, t/u etc.). Als de dichtheid van een medium constant is, kan de flowmassa bepaald worden door het flowvolume te vermenigvuldigen met de dichtheid. Als de dichtheid niet constant is – zoals vaak het geval is bij stoom en gassen – dient dit met behulp van metingen te worden vastgelegd.
Bij veel toepassingen hoeft alleen maar te worden gedetecteerd of er sprake is van een minimale flow van een medium. Het monitoren van de flow is dan noodzakelijk, bijvoorbeeld als droogloopbeveiliging voor pompen.
De hier gepresenteerde sensortechnologie wordt echter gebruikt voor continue flowmeting en wordt o.a. ingezet in de volgende toepassingen:
De eisen aan flowmeetapparatuur variëren sterk, afhankelijk van de meettaak. Voor het vullen is een goede herhaalbaarheid vereist en in het geval van verplichte ijking is ten minste in de EU een typegoedkeuringscertificaat vereist. Ook voor het bewaken en weergeven van de flowhoeveelheid in het proces zijn er talloze eisen, die afhankelijk zijn van een specifieke toepassing of branche. Deze eisen worden o.a. bepaald door de aard van het te meten medium en de nauwkeurigheidseisen, maar ook door wettelijke voorschriften zoals de richtlijn voor drukapparatuur in de EU of de explosiebeveiliging volgens de ATEX-richtlijn.
De media zijn onderverdeeld in 4 verschillende categorieën, waarvoor alleen geselecteerde sensoren kunnen worden gebruikt:
Flowmeetapparatuur werkt volgens verschillende meetprincipes, maar ze kunnen niet alle media in de bovengenoemde categorieën meten. De volgende tabel geeft een overzicht van de gebruikelijke meetmethoden en laat zien welke vloeistofcategorieën ermee gemeten kunnen worden.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Geleidende vloeistof | |||||||
| Niet-geleidende vloeistof | |||||||
| Gas | |||||||
| Stoom |
Groen = Standaard; Oranje = met voorzichtigheid; Rood = niet mogelijk/aanbevelingswaardig
De tabel staat de uitsluiting van slechts één meetprincipe toe voor de betreffende vloeistofcategorie. In de video en de volgende beschrijvingen krijg je meer gedetailleerde informatie over de verschillende meetmethoden.
De vrij complexe en zeer kostbare flowsensoren gebaseerd op het Coriolis-principe hebben een uniek verkoopargument vergeleken met alle andere hier gepresenteerde principes. Je kunt de flowmassa (kg/h, t/h etc.) bepalen, zelfs als de dichtheid niet constant is.
Elke Coriolis flowmeter heeft één of meerdere meetbuizen die door een exciter in trilling worden gebracht. Een exciter — ook wel "harmonic exciter" of "aural exciter" genoemd — is een signaalbewerkingstechniek die een signaal kan verbeteren. Door het toepassen van dynamische equalisatie, fasebewerking en door het toevoegen van een subtiele hoeveelheid harmonische vervorming zorgt deze oscillatie voor extra verdraaiing veroorzaakt door de traagheid van de vloeistof.
v ~ φ.
Als de leiding gevuld is met een zwaarder medium, zal deze met een lagere frequentie oscilleren. De frequentie is een maat voor de dichtheid van het meetmedium. De flowsensor bepaalt de flowmassa via de flow en dichtheid.
Coriolis-flowsensoren worden beschouwd als de meest nauwkeurige in-line flowmeters op de markt; specificaties beginnen bij 0,05 % van de meetwaarde.
| Coriolis-flowsensor | |
|---|---|
| Voordelen | hoge nauwkeurigheid, bepaling van de flowmassa, geen in- en uitlaatsecties |
| Nadelen | zeer hoge kosten, drukverlies, gevoelige reactie op gasbellen in vloeibare media |
Een magnetisch inductieve flowsensor (MID) meet volgens de wet van Faraday (het verband tussen een veranderend magneetveld en het daardoor opgewekte elektrische veld) over elektromagnetische inductie. Het bestaat uit een metalen meetbuis waar het geleidende meetmedium doorheen stroomt. Spoelen creëren een magnetisch veld dat loodrecht op de stromingsrichting door het medium wordt geleid.
Terwijl de geleidende vloeistof door het magnetisch veld beweegt, ontstaat een bepaalde spanning. Deze spanning wordt gemeten met behulp van elektroden die in een hoek van 90° ten opzichte van de vloeistof en het magnetisch veld zijn geplaatst.
De geïnduceerde spanning is evenredig met de stroomsnelheid.
Magnetisch-inductieve flowsensor
De geïnduceerde spanning is evenredig met de stroomsnelheid.
v ~ Uind
| Magnetisch-inductieve flowsensor | |
|---|---|
| Voordelen | hoge nauwkeurigheid, geen drukverlies, geen/kleine in- en uitlaatafstanden, flexibele toepassingsmogelijkheden |
| Nadelen | hoge kosten, alleen voor geleidende media |
Bij ultrasone flowmeting worden hoofzakelijk twee verschillende fysische principes gebruikt: het transittijd-principe en het Dopplerprincipe. Het hier beschreven transisttijd-principe domineert de markt.
Ultrasoon geluid is een mechanische of akoestische golf die tegen de stroom in wordt afgeremd en met de stroom wordt versneld. Bij het meten van de flow met behulp van ultrasoon geluid worden de verschillende transitietijden (met en tegen de flow) gemeten over dezelfde afstand. Het verschil tussen de twee tijden is de maat voor de stroomsnelheid.
V ~ △ t
Om het tijdsverschil te kunnen meten zijn 2 meetomvormers nodig, die dienen als "luidspreker" en "microfoon".
| Ultrasone flowsensoren | |
|---|---|
| Voordelen | nauwkeurigheid, laag drukverlies (afhankelijk van de mechanische uitvoering van de leiding/meetomvormer), korte in- en uitloopafstanden |
| Nadelen | meting alleen mogelijk tot een maximaal aandeel gasbellen en vaste stoffen, geen meting bij media met zeer hoge viscositeit |
Het vortex-meetprincipe is gebaseerd op het Kármán-wervelprincipe, waarbij een obstakel in de vloeistof- of gasstroom een werveling veroorzaakt. In de praktijk ontstaat er een werveling in het langs stromende medium door het inbrengen van een specifiek gevormd object in de pijpleiding. De wervelingen werken in tegengestelde richtingen en bevinden zich afwisselend links en rechts van het verstorende object. De rimpelingen vormen lokale drukverschillen achter het object, deze worden geregistreerd door een daartoe geschikte druksensor. De flowsensor meet het aantal rimpelingen per tijdseenheid, oftewel de frequentie van de optredende rimpelingen. De frequentie is evenredig met de stroomsnelheid en dus de doorstroomhoeveelheid.
v ~ ƒ
| Vortex-flowsensor | |
|---|---|
| Voordelen | voor vloeistoffen, gassen + stoom, hoge drukken + temperaturen mogelijk, kosteneffectieve versies beschikbaar |
| Nadelen | alleen waterachtige viscositeiten mogelijk, geen "low flow" toepassingen |
Het proces maakt gebruik van 2 weerstanssensoren, waarvan er één wordt gebruikt als verwarmingselement en de andere als meetelement voor de mediumtemperatuur. Het temperatuurverschil tussen de Pt100 en het medium wordt constant gehouden, het daarvoor benodigde verwarmingsvermogen wordt gemeten. Hoe hoger het debiet van het medium, des te meer verwarmingsvermogen er nodig is om het temperatuurverschil in stand te houden. Op deze manier kunnen conclusies worden getrokken over het betreffende debiet op basis van het verwarmingsvermogen.
Het geleverde vermogen is een maat voor de stroomsnelheid:
v ~ P
Calorimetrische flowsensor
| Calorimetrische flowsensor | |
|---|---|
| Voordelen | Kosteneffectieve sensortechnologie voor gas + vloeistof, lekmetingen mogelijk |
| Nadelen | Aanhechtend vuil/vocht (met gas) beïnvloedt de meting, de nauwkeurigheid is vrij laag bij "goedkope" oplossingen, het meetresultaat is afhankelijk van het medium |
Primaire drukgevers zijn o.a. venturi’s, pitotbuizen en venturibuizen. Geïnstalleerd in de leiding genereren ze een effectief druk of verschildruk, die wordt gemeten via de statische druk voor en na de opening of vernauwing. De doorstroomsnelheid kan worden bepaald uit het drukverschil met behulp van de Bernoulli-vergelijking; deze is evenredig met de vierkantswortel van het drukverschil:
v ~ √△p
Om de effectieve druk te meten, zijn geschikte verschildruksensoren vereist. De nauwkeurigheid bestaat dus uit de onzekerheid van de primaire drukgever en de drukverschilsensor.
Primaire drukgever
| Drukomvormers | |
|---|---|
| Voordelen | hoge temperaturen + drukken mogelijk dankzij de mechanische flexibiliteit van de primaire druktransmitter, voor gas, vloeistof + stoom |
| Nadelen | beperkte meetdynamiek door de verhouding tussen minimale en maximale flow (1:5 tot 1:7), ongunstige nauwkeurigheid-kostenverhouding bij kleine diameters |
De impeller wordt door de stroming geroteerd. De op de behuizing gemonteerde inductieve pulsgever zendt een puls uit voor iedere rotatie die optreedt. De pulsfrequentie is een directe maatstaf voor de stroomsnelheid.
v ~ ƒ
Veel impellersensoren geven het pulssignaal direct door aan een evaluatie-eenheid die data gebruikt om het debiet te bepalen. Als alternatief kunnen sensoren worden uitgerust met elektronica die het pulsignaal omzet in een analoog signaal en dit vervolgens doorgeeft aan een evaluatie-eenheid.
Impeller-flowsensor
| Impeller - flowsensoren | |
|---|---|
| Voordelen | kostengunstige bouwvormen beschikbaar, inzet in corrosieve media mogelijk door flexibel gebruik van materialen |
| Nadelen | vanwege startwrijving is toepassing met laag debiet in slechts beperkte mate mogelijk; door de bewegende delen is het systeem niet slijtagevast |
Het meetprincipe dient — zoals hierboven beschreven — geschikt te zijn voor het medium. Andere eisen waaraan een flowsensor moet voldoen zijn onder meer:
Voor een juiste selectie gelden tevens de volgende praktische voorwaarden:
Vanwege de verschillende uitdagingen adviseren wij je altijd professioneel advies in te winnen zodat je de juiste flowsensor voor jouw toepassing kunt selecteren.
