Precisione del misuratore di portata massica termica: composizione del gas, installazione, calibrazione e selezione

Un flussometro di massa termico misura il flusso di gas osservando come un gas in movimento rimuove il calore da un elemento sensibile riscaldato. Ciò rende la tecnologia interessante per l’aria compressa, l’azoto, il gas naturale, il biogas, l’aria di combustione e molti altri gas industriali. Per la fisica di base del sensore, la spiegazione di FlowT dicome funziona un misuratore di portata massico termicocopre il principio sottostante del trasferimento di calore-. La domanda più difficile è come preservare le prestazioni di misurazione dopo che il misuratore ha lasciato il banco di calibrazione.

Inizia comprendendo cosa significano le specifiche di precisione

Due misuratori di portata massica termici possono entrambi mostrare un'impressionante dichiarazione di precisione e offrire comunque prestazioni molto diverse alla portata importante per il vostro processo. Prima di confrontare i numeri, identificare come viene espressa la specifica.

Supponiamo che una scheda tecnica indichi una precisione di ±1% della lettura. Ad una portata indicata di 500 Nm³/h, il contributo dichiarato è ±5 Nm³/h. Consideriamo ora uno strumento diverso valutato a ±0,5% di un fondo scala di 2.000 Nm³/h. Il suo contributo su base-su vasta scala-è di ±10 Nm³/h, anche quando il processo funziona a 500 Nm³/h.

Ciò non significa che un formato di specifica sia automaticamente migliore. Ciò significa che la base è importante, soprattutto quando il contatore trascorre la maggior parte del tempo ben al di sotto del flusso massimo.

Precisione, ripetibilità e incertezza non sono la stessa cosa

Precisionedescrive quanto il flusso riportato è vicino a un riferimento accettato.Ripetibilitàdescrive quanto fedelmente lo strumento riproduce un risultato quando vengono ripetute le stesse condizioni. Un misuratore può ripetere molto bene e portare comunque una distorsione sistematica causata da una curva del gas errata, un diametro del tubo errato o un'installazione inadeguata.

FlowT discute ulteriormente questa distinzione nel suo articolo suripetibilità del misuratore di portata massica termica.

Incertezza di misuraè più ampio. Considera l'intervallo di valori che possono ragionevolmente essere associati al risultato della misurazione e possono includere contributi provenienti da calibrazione, apparecchiature di riferimento, ripetibilità, installazione, proprietà del gas, elaborazione del segnale e condizioni operative. La discussione FlowT esistente diIncertezza del misuratore di portata massica termicafornisce ulteriori informazioni sui contributori intrinseci e relativi all'applicazione-.

Quando un progetto ha un reale requisito di precisione, non chiedere solo la "precisione del metro". Chiedere quale accuratezza o incertezza si applica al flusso operativo minimo, normale e massimo e in quali condizioni di gas e di processo dichiarate.

La composizione del gas fa parte della misurazione

La misurazione della massa termica dipende dal trasferimento di calore. Gas diversi hanno conduttività termica, calore specifico, densità e viscosità diversi, quindi non raffreddano il sensore riscaldato esattamente nello stesso modo.

Questo è il motivo per cui un contatore calibrato per l'aria non dovrebbe essere trattato automaticamente come un contatore altrettanto accurato di metano, idrogeno, anidride carbonica o gas misto- semplicemente cambiando un'etichetta nel trasmettitore.

Per un gas puro con composizione stabile, il problema è relativamente semplice: selezionare un misuratore e una calibrazione adeguata per quel gas. Una miscela nota e stabile può essere gestita anche quando la sua composizione è definita e il produttore dispone di un'adeguata calibrazione o di un modello di gas validato.

Una miscela di gas variabile richiede più giudizio. Consideriamo un processo di biogas in cui le quantità relative di metano e anidride carbonica cambiano con le condizioni di digestione. Un cambiamento da una composizione all'altra altera le proprietà termiche viste dal sensore. La questione importante non è se il trasmettitore possa visualizzare "biogas"; è se l'intervallo di composizione atteso rimane compatibile con l'incertezza di misura richiesta.

L'articolo di FlowT sumisurazione di miscele di gas con un misuratore di portata massico termicospiega perché la composizione della miscela deve far parte dei dati dell'applicazione.

Una regola pratica per decidere la-composizione del gas

• Gas singolo e stabile:utilizzare una calibrazione destinata a quel gas ogniqualvolta i requisiti di precisione lo giustifichino.
• Miscela stabile e conosciuta:fornire la composizione completa della miscela e confermare se la calibrazione è specifica della miscela-o si basa su una conversione convalidata.
• La miscela cambia entro un intervallo noto:fornire le concentrazioni normali, minime e massime previste per i componenti principali e chiedere come cambia l'errore dichiarato in tale intervallo.
• La composizione cambia ampiamente o in modo imprevedibile:confermare se la tecnologia della massa termica può ancora soddisfare l’incertezza richiesta prima di selezionarla.

Pressione e temperatura meritano ancora attenzione

Uno dei motivi più importanti per utilizzare un misuratore di massa termico è che può segnalare il flusso di massa senza prima misurare il volume operativo e quindi calcolare la densità da strumenti separati di pressione e temperatura. Questo vantaggio viene talvolta riassunto nell'affermazione che la pressione e la temperatura "non influiscono" sulla misurazione della massa termica. Questa formulazione è troppo ampia.

Il sensore funziona ancora all'interno di un gas reale a pressione e temperatura reali. Tali condizioni possono influenzare le proprietà del gas, il trasferimento di calore, i limiti di temperatura del sensore e la relazione tra il processo e la calibrazione originale. L'entità e l'importanza dell'effetto dipendono dal gas, dalla progettazione del contatore, dal metodo di calibrazione e dall'intervallo operativo.

FlowT ha una discussione tecnica separata difluttuazioni della pressione del gas nella misurazione della massa termica. Per progetti con pressioni insolitamente elevate, ampie oscillazioni di temperatura o requisiti di incertezza rigorosi, includere tali condizioni nella revisione della domanda anziché dare per scontato che la calibrazione standard le copra automaticamente.

Basso flusso, regime di flusso e campo di misura utile

La tecnologia termica viene spesso scelta perché è in grado di rilevare un flusso di gas relativamente basso senza imporre una restrizione importante alla linea. Ciò non significa che ogni contatore abbia la stessa precisione da zero al flusso massimo.

A diversi numeri di Reynolds e intervalli di velocità, il modello di flusso locale e la relazione di trasferimento di calore- possono cambiare. Un flusso molto basso può anche rendere la stabilità dello zero e gli offset del sensore più significativi come percentuale del valore misurato.

Questo è il motivo per cui la domanda utile non è semplicemente: "Qual è il tasso di turndown?" Chiedere quale specificazione di errore si applica vicino al punto operativo minimo effettivo. La discussione di FlowT suprecisione della misurazione della massa termica nel flusso laminareè rilevante quando l'applicazione funziona vicino al limite inferiore dell'intervallo di velocità.

Umidità, condensa e imbrattamento del sensore producono errori diversi

L'umidità in un gas e nell'acqua liquida a contatto con il sensore non sono la stessa condizione. Il vapore acqueo fa parte della miscela di gas. La condensa forma una fase liquida che trasferisce il calore in modo molto diverso e può causare un improvviso cambiamento nella risposta del sensore.

La contaminazione può essere più graduale. L'olio del compressore, la polvere, i residui di processo o le particelle fini possono formare un rivestimento sull'elemento sensore. Un rivestimento che si sviluppa lentamente modifica il percorso termico tra il sensore e il gas e può sembrare una deriva della calibrazione.

Questa differenza è utile durante la risoluzione dei problemi. Una lettura che cambia improvvisamente dopo un guasto al separatore o un evento di condensa suggerisce un'indagine diversa da un contatore che è andato alla deriva gradualmente nel corso di mesi in un flusso di gas sporco.

Prima di ricalibrare un misuratore con deriva inspiegabile, rivedere:

• cambiamenti nella composizione del gas;
• punto di rugiada e cronologia della condensa;
• residui di olio del compressore;
• carico di polvere o particolato;
• pulizia del sensore;
• modifiche ai filtri o ai separatori a monte;
• recente manutenzione del processo.

La precisione installata dipende dal profilo di flusso

Un sensore a inserimento termico non misura fisicamente ogni punto di un tubo di grandi dimensioni. Rileva le condizioni nella posizione di installazione e lo strumento utilizza tale misurazione insieme alla geometria del tubo configurata e al modello di calibrazione per calcolare il flusso totale.

Un gomito, un raccordo a T, un riduttore, una valvola di controllo, un'uscita del ventilatore, uno scarico del compressore o una valvola parzialmente chiusa possono creare profili di velocità asimmetrici e di turbolenza. Un contatore installato in quel profilo disturbato può essere molto ripetibile pur segnalando comunque un flusso totale distorto.

È quindi importante-guidare in modo diretto, ma non è opportuno applicare un unico numero universale a ogni installazione. La lunghezza richiesta a monte e a valle dipende dalla progettazione del contatore e dal disturbo. La documentazione del prodotto selezionato dovrebbe governare il layout finale.

La posizione della sonda è un problema di configurazione oltre che meccanico

La profondità di inserimento, l'orientamento e il diametro interno del tubo configurato sono tutti fattori importanti. L'immissione della dimensione nominale del tubo quando il trasmettitore richiede il diametro interno effettivo può introdurre un errore sistematico nel calcolo dell'area. Una sonda installata troppo in profondità o troppo in profondità può campionare una parte diversa del profilo di velocità rispetto a quella prevista.

Per le condutture esistenti più grandi, anmisuratore di portata massico termico ad inserzionepuò ridurre la modifica delle tubazioni, ma l'installazione necessita di informazioni sufficienti sulla geometria del tubo e sulle condizioni a monte per rendere la misurazione significativa.

Le linee più piccole possono trarre vantaggio da una sezione di misurazione in linea definita. FlowT confronta i compromessi-ingegneristici nel suoConfronto tra misuratori di portata massica termica in linea e a inserzione.

Calibrazione: gas effettivo, gas surrogato e cosa dovrebbe mostrare il certificato

La calibrazione collega la risposta elettrica del sensore a un flusso di riferimento noto. Per i contatori termici, la scelta del gas è importante perché il trasferimento di calore dipende dal gas-.

ISO14511:2019affronta in modo specifico le specifiche, i test, l'ispezione, l'installazione, il funzionamento e la calibrazione dei misuratori di portata massica termica utilizzati per gas e miscele di gas.

Laddove possibile e giustificata dall'applicazione, la calibrazione effettiva-del gas fornisce la rappresentazione più fedele delle reali proprietà termiche. In altri casi, i produttori possono utilizzare aria, azoto o un altro gas surrogato e applicare un modello di equivalenza. Un approccio surrogato può essere appropriato, ma gli utenti dovrebbero comprendere come è stata stabilita la conversione e quali ulteriori incertezze si applicano.

L'articolo dell'ISA sucalibrazione dei misuratori di portata massici termicidiscute le limitazioni che possono sorgere quando l'equivalenza teorica del gas non riproduce l'effettivo comportamento di trasferimento del calore-del gas di processo.

Cosa richiedere con una calibrazione

• il gas di calibrazione o il gas surrogato;
• la portata minima e massima testata;
• punti di calibrazione individuali nell'intervallo operativo;
• condizioni di temperatura e pressione di riferimento;
• le unità di misura e la base di volume-standard;
• apparecchiature di riferimento e tracciabilità;
• incertezza di taratura dichiarata;
• informazioni sulla ripetibilità, ove pertinente;
• risultati come-trovati e come{1}}lasciati per il lavoro di ricalibrazione;
• qualsiasi metodo di correzione o equivalenza del gas applicato.

Per la terminologia generale e la tracciabilità della calibrazione del misuratore di portata, FlowT'sPanoramica tecnica sulla calibrazione del misuratore di portatafornisce uno sfondo utile.

Se il progetto specifica un laboratorio accreditato, confermare che l'ambito accreditato del laboratorio copra il relativo intervallo di misurazione e flusso.ISO/IEC 17025definisce i requisiti di competenza, imparzialità e coerenza-operativa per i laboratori di prova e taratura.

Non confondere il flusso di massa con il volume standard

I misuratori termici sono comunemente chiamati strumenti diretti per il flusso di massa, tuttavia molti impianti visualizzano i risultati in Nm³/h, Sm³/h, SCFM o SLPM anziché in kg/h. Si tratta di quantità volumetriche standardizzate, non di volume fisico alla pressione e alla temperatura effettive della tubazione.

La distinzione è importante quando un contatore termico viene confrontato con i dati del compressore, un rapporto di un'utenza, un calcolo del PLC o un'altra tecnologia di flusso. I sistemi devono utilizzare la stessa temperatura di riferimento, pressione e definizione di gas.

FlowTspiegazione del flusso di massa rispetto al flusso di volumecopre la differenza fisica, mentre la sua panoramicaunità di portata comprensive di kg/h e Nm³/hè utile quando si controlla la configurazione del trasmettitore e del PLC.

Una pratica tabella di diagnostica degli errori-installati

Quando la massa termica è la tecnologia giusta-e quando non lo è

La tecnologia della massa termica è particolarmente utile quando la composizione del gas è nota, la perdita di pressione deve essere bassa, l'applicazione beneficia di una bassa sensibilità al flusso-e la misurazione diretta della massa del gas o del volume-standard è utile.

A misuratore di portata massica del gaspuò essere una buona soluzione per la distribuzione del gas industriale, dell'azoto, del gas di combustione e per attività simili relative ai gas-puliti. Per il monitoraggio dell'aria compressa-dell'impianto, anmisuratore di portata della massa d'ariapuò fornire dati sui consumi senza un sistema di compensazione-della densità separato. Le applicazioni con tipi di gas diversi possono essere esaminate anche rispetto a amisuratore di portata massico termico per la misurazione di gas industriali, a condizione che i limiti di gas e di funzionamento siano confermati.

La massa termica non è la risposta automatica ad ogni applicazione di gas.

Lo scopo di questo confronto non è classificare le tecnologie in modo universale. Serve per identificare dove il principio di misurazione stesso si adatta al processo. FlowT fornisce anche un approccio più ampioconfronto tra massa termica e altre tecnologie di misuratori di portataper applicazioni in cui la tecnologia non è stata ancora selezionata.

Lista di controllo per la selezione del misuratore di portata massica termica

Una buona richiesta di preventivo dovrebbe contenere informazioni di processo sufficienti affinché il misuratore possa essere dimensionato e calibrato per le reali condizioni operative. Come minimo, prepara:

• Gas:nome esatto del gas o composizione completa della miscela.
• Gamma di composizione:variazione prevista nei principali componenti del gas.
• Fluire:flusso minimo, normale e massimo anziché solo massimo.
• Unità:kg/h, Nm³/h, Sm³/h, SCFM o altra potenza richiesta.
• Condizioni di riferimento:temperatura e pressione standard utilizzate per i rapporti sul volume-standard.
• Pressione:pressione di esercizio normale, minima e massima.
• Temperatura:temperatura del gas normale ed estrema.
• Stato del gas:umidità, possibile condensa, residui di olio, polvere o contaminanti di processo.
• Tubo:materiale, pianificazione, diametro interno effettivo e orientamento.
• Installazione:disponibili tratti rettilinei e gomiti, valvole, riduttori, compressori o ventilatori nelle vicinanze.
• Prestazione:incertezza o precisione richiesta al flusso normale e minimo effettivo.
• Calibrazione:fabbisogno di gas effettivo-, accettazione di gas surrogata-, requisiti di certificato e tracciabilità.
• Produzione:4–20 mA, impulsi, RS485/Modbus, HART, allarme o totalizzatore.
• Ambiente:custodia, approvazione-per aree pericolose, temperatura ambiente e requisiti dei materiali.

Domande frequenti

Qual è la precisione tipica di un misuratore di portata massica termica?

Non esiste un valore unico da applicare a ogni misuratore di massa termica. La precisione dipende dal modello, dalle specifiche, dall'intervallo calibrato, dal gas, dall'installazione e dalle condizioni operative. Confronta l'esatta dichiarazione della scheda tecnica al flusso normale e minimo anziché fare affidamento su un numero generico a livello di tecnologia-.

La pressione del gas influisce su un misuratore di portata massico termico?

La misurazione della massa termica normalmente non richiede un trasmettitore di pressione separato per calcolare la portata massica dal volume operativo, ma la pressione può comunque influenzare le proprietà del gas e la relazione tra le condizioni di processo e la calibrazione. Le applicazioni ad alta-pressione o con-pressioni molto variabili devono essere esaminate rispetto ai dati di calibrazione-specifici del modello.

Un misuratore di portata massico termico può misurare una miscela di gas variabile?

Forse, ma la precisione richiesta determina se è pratico. Fornire l'intervallo di composizione previsto e chiedere come si comporta la calibrazione del misuratore o il modello di gas in tale intervallo. Cambiamenti ampi o imprevedibili della composizione possono giustificare un diverso approccio alla misurazione.

Un misuratore di portata massico termico dovrebbe essere calibrato con il gas reale?

La calibrazione del gas-effettivo è la rappresentazione più fedele del gas di processo quando è fattibile e giustificata. È possibile utilizzare anche la calibrazione del gas surrogata-, ma l'utente deve comprendere il metodo di equivalenza e l'ulteriore incertezza associata al trasferimento della calibrazione tra gas.

Perché un misuratore di portata massico termico può essere ripetibile ma comunque impreciso?

La ripetibilità mostra solo che lo strumento riproduce lo stesso risultato in condizioni ripetute. Una curva del gas, un diametro del tubo, una posizione della sonda o un profilo di flusso disturbato non corretti possono creare un bias sistematico stabile che si ripete molto bene.

Quanto tubo diritto richiede un misuratore di portata massico termico?

La risposta dipende dal contatore specifico e dal disturbo a monte. Un gomito, due gomiti, una valvola di controllo, un riduttore, un compressore o un ventilatore possono creare diversi profili di flusso. Utilizza i requisiti di installazione per il modello selezionato invece di applicare un valore universale semplice-run.

Come faccio a sapere se il sensore necessita di pulizia o ricalibrazione?

Esaminare prima il modello di errore. La deriva graduale in un processo contaminato può giustificare l'ispezione del sensore prima della calibrazione. Se il sensore è pulito e la configurazione, la composizione del gas, il profilo di flusso e le condizioni di processo sono invariati, la verifica o la ricalibrazione del riferimento diventa il passaggio successivo più logico.

È meglio un misuratore di portata massico termico a inserzione o in linea?

Nessuno dei due è universalmente migliore. I contatori in linea forniscono una sezione di flusso definita e sono convenienti per molte linee più piccole. I misuratori ad inserzione sono interessanti per tubi più grandi e retrofit, ma dipendono maggiormente dalle dimensioni corrette del tubo, dalla posizione della sonda e dal profilo di flusso sviluppato.

Asporto finale

La precisione del misuratore di portata massica termica dovrebbe essere trattata come una questione relativa al sistema di misurazione installato-e non solo come un numero di catalogo. Iniziare con la base di precisione e il campo operativo. Quindi verificare la composizione del gas, l'intervallo di pressione e temperatura, il rischio di umidità e contaminazione, il profilo di flusso, la posizione della sonda, le unità di reporting e il metodo di calibrazione.

Se un misuratore installato non è d'accordo con un'altra misurazione, non modificare immediatamente un fattore di calibrazione. Innanzitutto assicurarsi che entrambi i sistemi utilizzino le stesse unità di flusso e condizioni di riferimento, quindi controllare la composizione del gas, la configurazione, le condizioni del sensore, la geometria del tubo e l'installazione. La calibrazione dovrebbe confermare un misuratore applicato correttamente, non nascondere un problema di applicazione.

Per i nuovi progetti, la qualità dei dati dell'applicazione determina solitamente la qualità della selezione finale del contatore. Fornendo la composizione reale del gas, il flusso minimo e normale, le condizioni di processo, i dettagli dei tubi, i requisiti di precisione e le aspettative di calibrazione si forniscono al fornitore informazioni sufficienti per determinare se la tecnologia della massa termica è appropriata e come configurare il misuratore per il lavoro.