go with the flow: basisbegrippen in industrile flowmetingen

18/09/2012

Products Solutions Services

Go with the Flow 2012

Basisbegrippen in Industriële Flow Metingen

Slide 1 / 64

18/09/2012

Go with the Flow 2012 - Intro & Overview

5 Sessies (eigenlijk 9)

• 18.09.2012 Basisbegrippen in Flow- en Debietmetingen

• 09.10.2012 Verschildruk- en vortex debietmetingen: is de oude technologie nog efficiënt

genoeg ?

• Verschildruk

• Vortex

• 23.10.2012 Conductiviteit van een product bepaalt het meetprincipe

• Electromagnetisch

• Ultrasoon

• 13.11.2012 Debietmetingen met massa en thermische metingen

• Coriolis

• Thermisch

• 27.11.2012 Calibratie als basis voor ijkwaardige metingen

• Custody Transfer & TOC

• Calibratie

Slide 2 / 64

18/09/2012


Agenda Sessie 1 : Intro & Overview

1. Basisbegrippen & Terminologie bij flowmetingen

2. Flow meetprincipes

• Grote verscheidenheid : kort overzicht

• Selectie- & toepassingscriteria

3. Inbouw- & Installatievoorschriften

4. Materialen

5. Electrische interfaces

6. Verificatie, Calibratie & IJken

7. Hoe & waar verder ?

Slide 3 / 64

18/09/2012


Documentatie

Slide 4 / 64

18/09/2012


Flow meten is belangrijk !

Flowmeetpunten zijn dikwijls kritieke meetpunten in een productie proces

Verschillende doeleinden :

• Indicatie/Visualisatie & Proces-controle

• Productie volume

• Productie kwaliteit

• Voorraadbeheer : voorraadveranderingen, be- & overladen

• Levering van grondstoffen & brandstoffen “Custody transfer”

• Energie : custody transfer, ook voor subsidies

• Opmaken van massa- en energie-balansen, efficiëntie verbeteren

• Kosten-beheer & kosten-verdeling binnen bedrijf

• Veiligheid : explosie, voedselveiligheid, functionele

Slide 5 / 64

18/09/2012


Basisbegrippen & Terminologie

Slide 6 / 64

18/09/2012



Slide 7 / 64

18/09/2012



• Mass flow QM - Volume flow QV ‟ Corrected or “normalized” volume flow QN

• QM [kg/h] = QV [m³/h]* [kg/m³]

• Normal conditions : 0 C / 1,013 bar abs

• Standard conditions : 15 C / 1,013 bar abs

• QN [Nm³/h] = QM [kg/h] / N [kg/m³]= (QV [m³/h] * p [bar abs] * 273,15 [K]) / (T [K] * 1,013 [bar

abs]) for ideal gases

Slide 8 / 64

18/09/2012



• Pressure p : absolute (bar abs, MPa abs), relative (bar rel, MPa rel)

• Absolute pressure ‟ Relative pressure

• p abs = p rel + p atm (1,013 bar abs)

• Temperature T in °C, °F, K

• K = °C + 273,15

• Density kg/m³, kg/l, g/l, g/cm³, …

• Viscosity or cSt, cP, mPa.s, Ns/m², …

• Reynolds number

• Conductivity S, S

Slide 9 / 64

18/09/2012



• Accuracy

• Repeatability

• Rangeability

High Accuracy (Pulse output)• Promag 50/53 - W/P/H ± 0.2% / 0.50% o.r. ± 1 mm/s

• Promag 23 – P/H ± 0.50% o.r. ± 4.0 mm/s

Excellent Repeatability• Standard ± 0.10% o.r. ± 0.5 mm/s

Slide 10 / 64

18/09/2012


Flow Meetprincipes

Flow in closed pipes 70%

Volume

Direct Methods

Positive Displacement

Indirect Methods

Diff. Pressure

Variable Area

Turbine

Vortex

Electromagnetic

Ultrasonic

Insertion devices

Miscellaneous

Mass

Direct Methods

Coriolis

Thermal

Weighing Systems

Solids type meters

Indirect Methods

Separate measurements of Q

and r

Mass calculation with separate

metering of Q, p and T)

Slide 11 / 64

18/09/2012

Flow in open lines & channels

30%

Flumes

Parshall

Palmer-Bowlus

Khafagi

Rectangular (with/without

restriction)

Trapezoidal (with/without

restriction)

Special Flumes

Weirs

Triangular (V-shaped)

Rectangular (with/without

restriction)

Trapezoidal

Broad-crested

Compound (with multiple sections)

Sharp-edged (plate weirs)

Special Weirs

Other Methods

Velocity-area methods (current meter, ultrasoncis)

Use of tracer methods

Electromagnetic

Level Measurement (ultrasonics, diff. pressure, float, etc…)

Solids type meters

Flow Meetprincipes


Slide 12 / 64

18/09/2012

Meetprincipe : Positive Displacement


Slide 13 / 64

18/09/2012

Meetprincipe : Positive Displacement


Slide 14 / 64

18/09/2012

Meetprincipe : Variable Area


Slide 15 / 64

18/09/2012

Meetprincipe : Variable Area


Slide 16 / 64

18/09/2012

Meetprincipe : Turbine


Slide 17 / 64

18/09/2012

Meetprincipe : Diff. Pressure (dP)

• Video clip : Flow-dP (also on YouTube) 4:49 min

Important :

• Artificial restriction in pipe : orifice plate, venturi, nozzles, pitot tube

• Bernouilli’s Law changing velocity in restriction pressure

• 2 pressure measurement points comparison difference

• Pressure diff. directly proportional to flow velocity volume & mass-

flow

• Concerns :

• Excessive pressure drop

• Abrasion, due to solid particles

• Turbulences, disturbing a reliable measurement

• All liquids, gases and steam can be measured

• High process pressures & temperatures


Slide 18 / 64

Flow-Differencial_pressure.wmv





18/09/2012

Meetprincipe : dP - “Primary Elements”


Slide 19 / 64

18/09/2012

Meetprincipe : Electromagnetisch

• Video clip : Flow-Electromagnetic (also on YouTube) 4:42 min

Important :

• Faraday’s law : an electrical current can be generated by movement

through a magnetic field

• For electrically conductive fluids : + and – charged particles in fluid cause

voltage difference in opposite sensors

• Water, acids, alkalis

• Flow-volume can be calculated (with pipediameter)

• External disturbances eliminated by alternating magnetic fields


Slide 20 / 64

Flow-Electromagnetic.wmv



18/09/2012

Meetprincipe : Thermisch

• Video clip : Flow-Thermal (also on YouTube) 5:19 min

Important :

• Gases

• Independent of gas temperature

• Heating element cooling effect by gas flow

• Proportional to the gas mass flow in pipe

• Measurement influenced by gas density

• Measurement influenced by gas thermal properties


Slide 21 / 64

Flow-Thermal.wmv

Flow-Thermal.wmv

Flow-Thermal.wmv

18/09/2012

Meetprincipe : Ultrasoon

• Video clip : Flow-Ultrasonic (also on YouTube) 4:31 min

Important :

• Diagonally placed piezo-electric sensors, alternating ultrasonic sound

pulses & detection of time differences

• Acceleration/deceleration of sound pulses represents flow velocity

• Calculate flow volume (with pipediameter)

• Flexible mounting, process safety and low cost

• 2nd version : “Clamp-on” : no intrusion in pipe – up to large diams


t

Slide 22 / 64

Flow-Ultrasonic.wmv

Flow-Ultrasonic.wmv

Flow-Ultrasonic.wmv

18/09/2012

Meetprincipe : Vortex

• Video clip : Flow-Vortex (also on YouTube) 4:31 min

Important :

• Fixed obstruction disturbing flow vorteces mechanical sensor picks

up oscillating “waves” of pressure

• Uninfluenced by pipe vibration, pressure surges & temp shocks

• Frequency of vorteces represents flow velocity, hence volume-flow

• Total volume-flow is calculated by counting passing vorteces

• If low velocity, then no vorteces reduce diameter of vortex meter

• Combines with temp meter calculate mass & energy flow

• Ideal for saturated steam & gases


Slide 23 / 64

Flow-Vortex.wmv

Flow-Vortex.wmv

Flow-Vortex.wmv

18/09/2012

Meetprincipe : Coriolis

• Video clip : Flow-Coriolis (also on YouTube) 3:55 min

Important :

• Direct mass flow measurement

• By measurement of phase-shift of excited bent tube

• Highest accuracy

• Simultaneous density measurement “Multiparameter measurement”

• By measurement of changing frequency of exited bent tube

• Viscosity, Fat content

• Often combined with temperature


fR

Q

m

Slide 24 / 64

Flow-Coriolis.wmv

Flow-Coriolis.wmv

Flow-Coriolis.wmv

Flow-Coriolis.wmv

Flow-Coriolis.wmv

18/09/2012

Meetprincipe : Niveau bij Open Kanaal


Slide 25 / 64

18/09/2012Slide 26 / 64


Selectie & toepassingscriteria

• Flow meter selection is complicated, partly due to the number of designs

and technologies, but also to the great many factors that influences the

choice

• Basic considerations that affect the meter selection :• Fluid properties considerations

• Installation considerations

• Environmental considerations

• Economic considerations

• Performance considerations (device properties)

• Once all the influencing factors have been clarified and the application

defined in detail, it is time to consider which flow measuring principle will

be the most suitable for the application

18/09/2012

Selectie- & toepassingscriteria


Slide 27 / 64

Conductive

Liquids

Non-conductive

Liquids Gases Steam

PromagElectromagnetic

PromassCoriolis

ProwirlVortex

Prosonic FlowUltrasonic

T MassThermal Mass

DeltatopDifferential Pressure

Low

viscosity

High

viscosity

Low

viscosity

High

viscosity

Fluid

Technology

18/09/2012


Selectie- & toepassingscriteria

Flow

Meter

Type

Measuring

principle

Volume

or

Mass

Fluid DN

(mm)

T°

range

(°C)

P

range

(bar a)

Rangea-

bility

Accuracy

(% or)

Repeat-ability

(% or)

Price

average

(€)

Electro-magnetic flow meter

Faraday Law Volume Liquids

µS/cm >5

2

2000

-40

+180

0

100

1000:1 0,50

0,20

0,1 1.500

Coriolis mass flow meter

Coriolis forces Mass Liquids

Gases

1

250

-200

+350

0

340

1000:1 L: 0,10

G: 0,35

0,05 5.000

Vortex flow meter

Vortex effect Volume Liquids

Gases

Steam

15

300

-200

+400

0

250

L: 25:1

G: 15:1

L: 0,75

G: 1,00

S: 1,00

0,25 1.500

Ultrasonic flow meter

Transit time of sound pulse

Volume Liquids 15

4000

-40

+170

No limit 100:1 0,50

2,00

0,10 3.000

Thermal mass flow meter

Thermal dispersion

Mass Pure gases

15

1000

-10

+120

0

40

100:1 2,00 0,50 2.000

DP flow meter

Differential pressure

Volume and Mass

Liquids Gases Steam

1

2000

No limit No limit 3:1

10:1

0,50

2,00

0,20 1.000

10.000Slide 28 / 64

18/09/2012Slide 29 / 64


Selectie- & toepassingscriteria :Verdere overwegingen

• Measurement range

• Responsiviteit van de meting

• Multi-phase flow : mix van vloeistof en gas(sen)

• Niet-homogene media

• Slurries, zand & steen

• Niet-volle pijp, lege pijp detectie

• Neerslag/Sediment vanuit de gemeten vloeistof

• Pulserende flow, drukstoten, vacuum

• Hoge werkdruk, of zeer lage werkdruk

• Hoge werktemperatuur of zeer lage werktemperatuur

18/09/2012Slide 30 / 64



• Continuous of batch process

• Locatie & plaatsing :

• Diameter leiding, orientatie (horizontaal of verticaal), in-let & out-let runs,

vibraties, safe of Ex area, pompen of compressoren dichtbij, …

• Toegankelijkheid voor onderhoud en calibratie

• Budget

• Aanschaf flowmeter

• Installatie-kosten

18/09/2012



• Materiaalbestendigheid, materiaal-specificaties & -certificaten

• Corrosiebestendigheid : binnenkant buitenkant

• Indien CIP/SIP Detergenten !!!

• Slijtvastheid voor abrasieve media

• Weersbestendigheid bij buiten-opstelling

• Temperatuur : blootstelling aan direct zonlicht

• Hoge vochtigheid

• Kust of zee : zout !

• Ondergrondse installatie

• Process connecties : aankoppelpunt aan pijpwerk

• Diversiteit : vaste flens met bouten, lap-joint, …

• Industrie-specifiek en gereglementeerd

• Dichtingen

Slide 31 / 64

18/09/2012Slide 32 / 64



• Electrische interfaces

• Communicatie van meetwaard(en)

• Communicatie van device status- & performance information

• Configuratie & diagnose vanop afstand

• Installatie op afstand

• Batterij-voeding

• Draadloze communicatie

• Veiligheid

• Explosieveiligheid : ATEX

• Voedselveiligheid : EHEDG “reinigbaarheid”, detergenten, CIP/SIP

• Functionele veiligheid : SIL (Safety Integrity Level), PED (Pressure Equipment

Directive)

18/09/2012


Inbouw- & Installatievoorschriften

Slide 33 / 64

18/09/2012


Inbouw- & Installatievoorschriften :Flow profiel

Grote doorlaat hoge snelheid

Volledig turbulent

Kleinere doorlaat lagere snelheid

Volledig laminair

Na bocht of andere asymmetrische verstoring

snelheidvectoren snelheidsafhankelijk verdeeld

Na pomp of klep

Snelheidvectoren ongelijk verdeeld en omnidirectioneel

Volledig

ontwikkeld

profiel

Slide 34 / 64

18/09/2012


Inbouw- & Installatievoorschriften : Stromingsprofiel in een kogelkraan

Slide 35 / 64

18/09/2012Slide 36 / 64


Inbouw- & Installatievoorschriften :Viscositeit & Reynolds nummer

„ Reynolds Number

• Of crucial importance in fluid flow

• Where v = flow speed [m/s]

• D = pipe diameter [m]

• = cinematic viscosity [m²/s]

„ Flow profile

„ Laminar flow Re < 2.000

„ Turbulent flow Re > 4.000

„ Flow meters are normally designed to operate in turbulent flow, as this condition exist in 95% of closed pipes

/s]²[m

[m/s][m]

γ

vDRe

18/09/2012


Ideaal conisch verloop: < 8°

Abrupte vernauwing Abrupte verwijding

Conisch verloop

Steile conus:

secondaire stroming

Profielverstoring/Secundaire stroming

Slide 37 / 64

18/09/2012


Invloed van bochten

DN 150

DN100

DN100

Afwijking % % %

0,10 Qmax + 0,54 + 1,52 + 0,95

0,25 Qmax + 0,76 + 1,59 - 0,05

0,50 Qmax + 0,81 + 1,61 - 0,15

0,75 Qmax + 0,74 + 1,57 + 0,13

1,00 Qmax + 0,77 + 1,51 + 0,10

Qmax = 140 m3/h (5 m/s)

Diameter

Slide 38 / 64

18/09/2012


Invloeden regelklep

Afwijking % %

0,10 Qmax.

0,25 Qmax.

0,50 Qmax

0,75 Qmax

1,00 Qmax

Qmax. = 140 m3/h

Klepopening 25% 50% 100% 100%50%25%

% % % %

DN 100

-125

-122

-

-

-

-9,1

-7,1

-6,7

-6,0

-6,3

-7,5

-3,8

5xD

-2,9

-3,9

-4,8

0,10

0,47

-

-

-

0,55

0,39

0,44

0,39

0,34

0,52

1,30

1,02

0,40

0,52

Diameter

Klepstand

Snelheid

Slide 39 / 64

18/09/2012


Installatie zoals voorgeschreven

Slide 40 / 64

18/09/2012


Installatie zoals voorgeschreven

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 17 33 49 65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225 241 257 273 289 305 321 337 353 369 385 401 417 433 449 465 481 497

Mastert-trend

Slide 41 / 64

18/09/2012


Flow

Installatie in een dubbele bocht

Slide 42 / 64

18/09/2012


Effect van een dubbele bocht

3.6

3.7

3.8

3.9

4

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129137 145 153 161 169177 185 193 201 209217 225 233

Dubbele bocht + 10%

M3/min

Mastert-trend

Slide 43 / 64

18/09/2012


Invloed op de verschillende meetprincipes

• Gemiddelde snelheid/massa meting of spotmeting

EMF meting weinig gevoelig voor

flowprofielen.

Thermische massaflow (spotmeting)

zeer gevoelig voor flowprofielen

Coriolis Massaflow totaal ongevoelig

Slide 44 / 64

18/09/2012Slide 45 / 64


Invloed laminaire flow op b.v. Vortex

• Bij een laminair flowprofiel is de invloed van de viscositeit

zo groot dat alle vortexen worden gedempt en niet goed

ontstaan.

• Een Vortex heeft daarom een minimaal Re nodig van 4.000 (20.000)

• Een hoge viscositeit heeft een negatieve invloed om het

meetgebied

18/09/2012


Profielverstoring / Swirl

Spiraal gelaste buis Turbineflowmeter of Kleppen

Zijdelingse inlaat

Dubbele bocht met vlinderklep

Bochten in twee vlakken

veroorzaken swirls

Slide 46 / 64

18/09/2012


Typische verstoringen

Naar binnenstekende pakking

Gladde las

Diameter 2Diameter 1

Slide 47 / 64

18/09/2012


Flow conditioner of straightener

Flowconditioner zorgt voor een gelijke verdeling

van de snelheid

Slide 48 / 64

18/09/2012Slide 49 / 64


Installatie Aanbevelingen - Thermisch

Met flowconditioner

Conisch verloop

Na een 90° bocht

Wanneer mogelijk de klep achter

de meter plaatsen

8 * DN

18/09/2012Slide 50 / 64


Installatie Aanbevelingen Vortex

5 x DN

5 x DN

5 x DN2 x DN

15 x DN

50 x DN

8 x DN3...5 x DN

4...8 x DN

18/09/2012Slide 51 / 64


Installatie Aanbevelingen EMF

18/09/2012Slide 52 / 64


Installatie Aanbevelingen Massflow

18/09/2012

Inbouw- & InstallatievoorschriftenAarding en potentiaal vereffening


Slide 53 / 64

18/09/2012


Voorschriften voor inbouw

• ISO 5167

Deel 1 Algemene beschrijving

Deel 2 Meetflenzen

Deel 3 Nozzle’s en venturi nozzle’s

Deel 4 Venturi’s

• Vortex meters, EMF meters etc ???????

Thermische massaflow: ISO 14511

Inbouw:”good installation practice shall be followed”

“The manufacturer normally specifies this”

Slide 54 / 64

18/09/2012


Materials

EPD electrode

Liner

Measuring tube

Reference electrode Coil system

Measuring electrode

Housing

Flanges Lining material Electrodes (Measuring/EPD)

Carbon steel or Stainless steel PU : -20…50°C, waste water 316L : most fluids

No contact with medium HR : 0…80°C, drinking water Alloy C22 : some chemicals

Standard Max PN40 PTFE : -40…130°C, chemicals or food products Tantalum : most acids

PFA : -40…180°C, chemicals or food products Platinum Rhodium : all others

Slide 55 / 64

18/09/2012


Certificates

Slide 56 / 64

18/09/2012


Electrische interfaces : Overzicht

• Analoge technologie

• 4-20mA

• 4-wire 2-wire

• Analoge technologie met modulatie van digitale info

• 4-20mA + HART

• Digitale technologie

• Proprietaire veldbussen/netwerken

• Profibus : DP of PA, v3.02

• Foundation Fieldbus : ook verschillende versies, incl. HSE

• Ethernet-based : ProfiNet, Ethernet/IP, (Modbus TCP, EtherCAT, …)

• Wireless Sensor Networks

• NIET Bluetooth, WiFi , GSM of 3G !!!

• WirelessHART, ISA100.11a, proprietary protocols

Slide 57 / 64

18/09/2012

“Digital communication saves costs”

I/O components

Signal adaptation modules

Junction boxes

Expensive wiring

Lots of wiring


Slide 58 / 64

Simple wiring

Less system I/O

Simpler signal adaptation

Direct access to instrument data

Status

A single wire

E.g.

Profibus PA

Fieldbus foundation

18/09/2012Slide 59 / 64


Echte Value-add van digitaal

• Let op : afgezien van de primaire meetwaarde is 4-20mA + HART ook

“digitaal”

• Communicatie-snelheid

• HART : 1200 & 2200 bps

• Profibus : +/- 10’en 100’en Kbps

• Ethernet : (10Mbps) 100Mbps 1 Gbps

• Digitale meetwaarden : constante nauwkeurigheid, evt. meerdere

• Status-informatie ophalen t.b.v.

• Asset Management

• Maintenance Management

• Quality Management

• Download van device configuraties : bij vervanging van toestel, evt. ook

meer operationeel in bv. batchprocessen

• Diagnose vanop afstand

18/09/2012


Inspectie, Calibratie, IJken


Slide 60 / 64

18/09/2012


Inspectie, Calibratie & IJken

• Wat is Inspectie ?

• Vaststellen of meettoestel correct werkt

• Uitvoering door leverancier van meettoestel

• Wat is Calibratie ?

• Vaststellen of er afwijkingen zijn tov. referentie-toestel

• Uitvoering door leverancier, tussenpartij of eind-gebruiker zelf

• Wat is Adjustment ?

• Toestel onder test bijregelen, daarna weer calibreren

• Uitvoering door leverancier, tussenpartij of eind-gebruiker zelf

• Wat is ijken ?

• Als meeting gebruikt wordt voor handelstransacties… zeker met publiek

• Uitvoering door “geaccrediteerde 3de partij” onder toezicht van Nationaal

Metrologisch Instituut

Slide 61 / 64

18/09/2012Slide 62 / 64


Manieren van Calibreren & Adjusteren

• On-site calibratie

• Workshop calibratie

• Factory calibratie

18/09/2012Slide 63 / 64


Gravimetrische Calibratie dmv. watertoren

Tower-Tank

25 m3

Edge of overflow

= 23,9 mQ Max. 1650 l/s

Main-water-reservoir 1‘300 m3 total

Device under test

Constant overflow = stableconditions at the location of

the DUT

18/09/2012


Interessante weblinks

Basis technische informatie

• www.youtube.com/

• Zoekterm “Flow measurement”

• www.flowmeters.com

• http://www.spitzerandboyes.com/ David Spitzer’s e-newsletter

Product- & toepassing informatie :

• www.abb.com Products and Services ABB Product Guide

Measurement Products Flow Measurement

• www.endress.com Instruments Flow

• www.krohne.com Products Flow Measurement

• www.yokogawa.com Field (Industrial) Instruments Flow

Slide 64 / 64

http://www.flowmeters.com/








http://www.spitzerandboyes.com/

http://www.spitzerandboyes.com/

http://www.endress.com/






http://www.yokogawa.com/




go with the flow: basisbegrippen in industrile flowmetingen

Presentations & Public Speaking

intro overview slide

intro overview flow

industrile flow metingen

flow en debietmetingen

t slide

mms slide

intro overview agenda

functionele slide