KROHNEs FLOW-SKOLE 1: Rett mengdemåler på rett plass

Mesterlig mengdemåling starter med mediets egenskaper og strømning. Den britiske fysikeren Lord Kelvin hadde skjønt det: Du kan ikke styre det du ikke kan måle.

- ­Den universelle mengdemåleren for gass og væske – til en grei pris - har sikkert fristet både brukere og produsenter av prosessinstrumenter, sier teknisk rådgiver i KROHNE, Johnny Østvang.

I løpet av sine 28 år i KROHNE Norway har han gjennom kurset FLOW-SKOLEN lært bort grunnleggende fakta om mengdemåling til folk innen ulik industri i Norge. Mange kjenner til kurset, og har hatt gleden av å høre Østvangs inspirerende og kunnskapsrike foredrag. I mai kan en god gjeng heldige påmeldte være med til Nederland og få full uttelling, men resten kan få en oppfriskning eller ny kunnskap her i TU. I en artikkelserie på fem deler han grunnprinsippene innen måleteknikk.

- Noen har kanskje hørt om målere basert på Coriolis-kraften, som den reneste universellmåleren. Og rett skal være rett: Den fikser tilnærmet alle applikasjoner på en eksemplarisk måte, fortsetter han.

Det er bare en liten hake: Prisen er gjerne høyere enn for andre måleprinsipper.

- Hvorfor skyte spurv med kanoner? Veien til gode mengdemålinger, med fornuftig kost/nytte-forhold, handler om solid innsikt i mediets egenskaper og strømningsprofilen. Da ligger alt til rette for velinformerte valg av måler, påpeker Østvang.

Fasetilstand og homogenitet

Feil valg av måler kan resultere i at den ikke fungerer, at målenøyaktigheten påvirkes, skade på selve måleren, ustabilitet og så videre. Og det vil vi ikke ha!

- Start med å skaffe deg innsikt i mediets fasetilstand. Den kan bestå av, eller være i, flere faser. Og flerfase består enten av flere aggregattilstander, væske og gass, eller som en blanding av stoffer som ikke er løselig i hverandre, sier Østvang.

Eksempler er vann og olje, væske og faststoff eller en kombinasjon av en olje/gass/vannblanding.

Er mediet homogent? Med dette menes en-fase-medier, eventuelt blandinger av medier, i samme aggregattilstand, som er fri for innblandinger av stoff i en annen fase. Væskeblandinger skal være uten gassbobler mens gass skal være fri fra væskedråper.

Densitet

- Så følger noen kritiske spørsmål om mediets fysikalske egenskaper. Det er viktig med kunnskap til slike egenskaper under aktuelle trykk og temperaturer i måleren, påpeker han.

Det er for eksempel vitalt å kunne tallfeste mediets densitet. Det benyttes for å beregne måleelementets karakteristikk for måleblender og VA-metere («variable area»). Uriktig densitet gir feil element og naturlig nok gal måling. For å bestemme volum- og massestrøm med måleblende er det også nødvendig å kjenne densiteten.

- Og det stopper ikke der: For å definere måleområdet for Vortex- og turbinmålere er densiteten avgjørende, særlig for gass, sier Østvang.

Ledningsevne

Densiteten bestemmes av mediets kjemiske sammensetning, trykk og temperatur. Den kan enten beregnes ved hjelp av formler eller finnes i tabeller. Densiteten kan også måles direkte med instrumenter.

I andre tilfeller er det viktig å kjenne mediets ledningsevne for å være sikker på om elektromagnetisk mengdemåler er et aktuelt valg. 

Viskositet, akustikk og smøring

- Visse måleprinsipper påvirkes av mediets viskositet. Kalibreringskurven for volum- og turbinmålere er for eksempel sterkt avhengig av viskositeten. Årsaken er at høy viskositet påvirker utforming av strømningsprofilen og derved målingen, fortsetter han.

Akustikk er en annen egenskap vi må ha kjennskap til før eventuelt valg av ultralyd mengdemåler.

Vi runder av mediets egenskaper med smøreegenskaper: Det har selvsagt betydning for alle målere med bevegelige deler.

Mediets hastighet

- Vi beveger oss til neste hovedtema, nemlig mediets strømning. Det handler om hvordan og hvor raskt mediet vil strømme der målingen skal foretas. Mediets hastighet må være tilpasset den aktuelle måleren. For enkelte måleprinsipper vil det gunstigste hastighetsområdet være avhengig av densitet og/eller viskositet, sier han.

For å tilpasse mediets hastighet til en målers kapasitet, kan det i enkelte tilfeller være nødvendig å endre rørdiameteren.

Og så har vi hastighetsprofilen. Med det mener vi måten mediet strømmer i røret: Hvordan den aksielle hastigheten fordeler seg over rørtverrsnittet og hvordan mediet beveger seg i forhold til den aksielle retning i hvert punkt i rørtverrsnittet.

- Det er nødvendig med en fullt utviklet hastighetsprofil. Med dette menes i praksis den hastighetsprofilen som oppnås etter strømning i et rett og innvendig glatt rør, som har en lengde på 100 ganger innvendig rørdiameter (100xD).

Reynholds tall

Nå skal vi til en britisk ingeniør som har vært viktig for forståelsen for væskedynamikken: Osborne Reynhold (1842-1912). Merk deg etternavnet, og spesielt Reynholdstallet. For det beskriver hvordan den fullt utviklede hastighetsprofilen ser ut.

Altså, Reynolds tall er en strømningsteknisk størrelse som kombinerer følgende: Hastigheten (v for «velocity»), densitet (q), dynamisk viskositet (m) og rørdiameter (D). Formelen er slik: Re= (q x v x D) / m.

- En usymmetrisk hastighetsprofil og roterende strømning oppstår umiddelbart etter ethvert avvik fra rett rør med konstant diameter. Hvor raskt den roterende bevegelsen dør ut og hvor langt mediet må strømme for å utvikle en symmetrisk profil, avhenger av: Hvor mye hastighetsprofilen er forstyrret, hva slags element som har forstyrret strømningen, Reynoldstallet og ruheten på rørveggen, forteller Østvang.

Strømningsretter og pulserende

Potensielt komplekst, men generelt kan vi si at en større ruhet og lavere Reynoldstall gir en raskere utvikling av symmetrisk profil, altså det vi higer etter for gode målinger.

- Dersom vi sliter med en forstyrret hastighetsprofil, kan det være hjelp å få. Ved å installere en såkalt strømningsretter (en mekanisk obstruksjon i målerøret med flere hull) er det mulig å oppnå en symmetrisk profil raskere, sier han.

Kan pulserende strømning være et tema ved målepunktet? For selv om hastigheten og profilen skulle være gunstig for måleprinsippet, kan pulsering ha betydning for måleresultatet, ved at hastigheten endrer seg. Dette skyldes i stor grad at målere har en begrenset tidsrespons og at enkelte målere krever strømning uten pulsering. Uansett, en måte å unngå pulsering på, kan være å øke volumet i rørføringen mellom pumpe og måleutstyr. 

Volum eller masse?

Hvilken type måling er viktigst, volum eller masse? Det kan påvirke valg, oppsett eller bruk av mengdemåleren.

Volumgjennomstrømning (Qv) eller det totale gjennomstrømmende volum er mest vanlig. De fleste målere gir derfor et utgangssignal som relateres til volumstrømmen: Enten ved at måleren kjenner det direkte volumet, middelhastigheten eller en hvilken som helst annen enhet som indirekte avhenger av volumgjennomstrømningen. Kalibreringen i kubikkmeter per time (m3/h) eller liter/minutt beror derfor ofte på mediets densitet, viskositet, temperaturer m.m.

Massegjennomstrømning (Qm) representerer den vektmengde som passerer per tidsenhet.

Måleområde og måleomfang 

Måleområdet er det området innenfor de spesifikasjoner på målenøyaktighet som gjelder for måleren. Måleområdets øvre grense bestemmes av den største gjennomstrømningen man kan måle. Utover denne maksimumsstrømningen kan måleren som regel overbelastes uten å få varige defekter.

- Måleområdets nedre grense (det anvendelige visningsområdet for en gjennomstrømningsmåler går sjelden fra null) setter grensen for målerens dynamikk, det vil si forholdet mellom øvre og nedre grense for ett og samme måleområde, forklarer han.

Måleomfang («rangeability») blir vanligvis angitt som mål på dynamikken, men inkluderer ofte den variasjon av følsomhet som visse målere har mulighet til.

Nøyaktighet

- Vi kan si mye om temaet målenøyaktighet, eller kanskje riktigere, måleunøyaktighet. Leverandørene konkurrer gjerne om den skarpeste løsningen i databladene. Men, den beste tilnærmingen kan være å definere hva som er behovet. Samtidig bør kravet til måleunøyaktighet være fornuftig og relatert til prosessens behov, fortsetter han.

Det har for eksempel liten hensikt å spesifisere en nøyaktighet på 0,3 prosent dersom kravet til kjøp og salg av vann ligger på 5 prosent.

En målers unøyaktighet kan spesifiseres gjerne på følgende måter:

• I prosent av aktuell måleverdi (MV, «Measured Value»)
• I prosent av måleområdets øvre grense (FS, «Full Scale»)

Merk at den relative måleunøyaktigheten vises best med en feilkurve, som funksjon av måleverdien.

Repeterbarhet

Vi avslutter med repeterbarhet i målingen. De som elsker å studere tekniske spesifikasjoner og sammenligne slikt, blir kanskje skuffet. Men, repeterbarheten til måleren er i mange tilfeller viktigere enn den oppgitte målenøyaktigheten. For med god repeterbarhet kan en raskere justere inn et bedre «treffpunkt». 

Utgangssignaler

Mengdemålere byr gjerne på flere måter å formidle resultatet:

• Analoge utgangssignaler: Vanligvis 4..20 mA, hvor 4 mA betyr null og 20 mA 100 prosent. I noen tilfeller benyttes spenning, for eksempel 0 - 10 Volt.
• Puls-utgang: Benyttes ofte der det er krav til god oppløsning på måleresultatet. Kobles gjerne direkte til et telleverk eller programvare i et styringssystem. For eksempel kan måleren sende en puls per liter.
• Digitale feltbusser, for eksempel Modbus, Profibus (PA og DP) og FOUNDATION Fieldbus (FF). Målerne kommuniserer med styresystemet.
• Nettbaserte løsninger, eksempler er PROFINET og Ethernet/IP.
• Direkte kommunikasjon over HART (Highway Addressable Remote Transducer), overlagret strømsløyfen, og trådløst via Blåtann (Bluetooth)

Les mer om mengdemålere her.

Gratis e-læring – elektromagnetiske mengdemålere.

Gratis e-læring – installasjon av elektromagnetiske mengdemålere i trange plasser.

Gratis e-læring – ultralyd mengdemålere for væsker.

Gratis e-læring – ultralyd clamp-on mengdemålere.

Gratis e-læring – Coriolis mengdemålere.

Gratis e-læring – Vortex mengdemålere.

Gratis e-læring – Vortex mengdemålingsapplikasjoner.

Gratis e-læring – variable area (VA) mengdemålere.

Gratis e-læring om mengdemåling med magnetisk resonans (MR).