: : :. AEM 5514 : 2014

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ : ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ : ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΣΕ ΙΚΤΥΑ ΑΕ- ΡΙΟΥ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΣΠΟΥ ΑΣΤΗ : ΚΙΟΣΣΕΣ. Α. ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ AEM 5514 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΠΑΝΑΓΙΩΤΙ ΗΣ ΘΕΟΛΟΓΟΣ ΚΑΒΑΛΑ ΙΟΥΝΙΟΣ 2014

2 P a g e ii ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα πτυχιακή εργασία γίνεται µία µελέτη για τα συστήµατα που υπάρχουν για την µέτρηση της ροής ρευστών και ειδικότερα του Φυσικού Αερίου. Με σκοπό την καλύτερη κατανόηση των συστηµάτων αυτών γίνεται µια εκτενής αναφορά στις βασικές αρχές και ιδιότητες των ρευστών, στις αρχές λειτουργίας των µετρητικών συστηµάτων και των στοιχείων που τα αποτελούν καθώς επίσης και ο τρόπος που ενσωµατώνονται σε αυτά τα διάφορα ιεθνή Πρότυπα που ορίζουν τόσο τον σχεδιασµό όσο και την λειτουργία τους. Στην µελέτη αυτή γίνεται µεγαλύτερη αναφορά και σύγκριση µεταξύ των τριών σηµερινών επικρατέστερων µετρητικών συστηµάτων στον τοµέα του Φυσικού Αερίου Orifice Ultrasonic Turbine meters ABSTRACT This thesis is a study on the systems that exist for measuring the flow of fluids and especially natural gas. For a better understanding of these systems there is an extensive report on the basic principles and fluid properties, the principles of operation of metering systems and their components as also the way they are incorporated in these various international standards that define both the design and their operation. In this study there is greater reference and comparison among the three finalists current metering systems in the natural gas sector - Orifice - Ultrasonic - Turbine meters.

3 P a g e iii Περιεχόµενα ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΠΑΡΟΧΗΣ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Είδη µέτρησης Ποιοτικά χαρακτηριστικά της µέτρησης... 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τύποι µετρητών Μετρητές ιαφράγµατος Περιστροφικοί µετρητές Στροβιλοµετρητές Μετρητές Υπερήχων Orifice meters Ροόµετρα Vortex ιορθωτές ΡΤΖ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Επιλογή Ροοµέτρου ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ - ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Τα κοιτάσµατα και η εκµετάλλευσή τους Μορφή του Φυσικού Αερίου Ιδιότητες του Φυσικού Αερίου Χρήσεις Φυσικού Αερίου Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Βιοµηχανία Εµπορικός τοµέας Οικιακός τοµέας Μεταφορά ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΡΟΗΣ ΣΕ ΑΓΩΓΟΥΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ Συνέχεια των ρευστών Η εξίσωση P-V-T Πυκνότητα και Ειδικός Όγκος Συντελεστής Θερµικής ιαστολής Συµπιεστότητα Ιξώδες Υγρασία στα Αέρια Μερικές Βασικές Αρχές στην Ροή εντός Σωληνωτών Αγωγών Αριθµός Reynolds Στρωτή και τυρβώδης ροή Προφίλ Ταχύτητας Ασυµµετρία ευτερεύουσα Ροή και Στροβιλισµός... 45

4 P a g e iv Αρχή της Συνέχειας και η εξίσωση του Bernoulli Ύψος Ταχύτητας (velocity head) Μέθοδοι µέτρησης ροής Μέτρηση Σηµειακής ταχύτητας Μέτρηση Μέσης Ταχύτητας Σωληνωτού αγωγού Μέτρηση της Παροχής Όγκου Μέτρηση του Συνολικού Όγκου Μέτρηση παροχής Μάζας Μέτρηση Συνολικής Μάζας Χαρακτηριστικές Καµπύλες Μετρητή Γραµµικοί και µη γραµµικοί µετρητές Χρήση του δείκτη απόδοσης του µετρητή Συντελεστής εκτόνωσης Σφάλµα Μετρητή Συντελεστής Μετρητή (Meter Factor) Συντελεστής Κ Ιδιότητες των οργάνων µέτρησης Ανάλυση Επαναληψιµότητα και Αναπαραγωγισιµότητα Ακρίβεια και Αβεβαιότητα Περιοχή Λειτουργίας Γραµµικότητα ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τύποι Μετρητών Αερίου Orifice Plate Αρχή Λειτουργίας Μετρητή Orifice Βασικές Σχέσεις Υπολογισµού Ροής ευτερεύων Εξοπλισµός Μέτρησης Θεµελιώδης έννοιες Πρωτεύων και ευτερεύων Εξοπλισµός Απαιτήσεις Μέτρησης Ειδικά θέµατα µετρητή Orifice-συµπεράσµατα Αβεβαιότητα µέτρησης ροής µε µετρητή Orifice Συντελεστής εκτόνωσης Φυσικές Ιδιότητες Ροής Ρευστού Συνθήκες Ροής Ρευστού Κατασκευαστικές Ανοχές στα Στοιχεία του Μετρητή ευτερεύουσες Συσκευές Συλλογή στοιχείων και υπολογισµός Καθορισµός της αβεβαιότητας Αβεβαιότητα Μετρητικού Συστήµατος Orifice ΜΣΣ Συµπεράσµατα Οι µετρητές της ροής µε υπέρηχους Μετρητές της ροής του φυσικου αεριου µε υπέρηχους (ultrasonic) Βασικές αρχές µετρητών µε υπερήχους Πειραµατικές συσκευές Βασικοί τύποι και εφαρµογές των µετρητών της ροής µε υπέρηχους Βασικές αρχές του µετρητή χρονικής διαφοράς

5 P a g e v Η Εφαρµογη ΤΟΥ µετρητή ροής της "χρονικής-διαφοράς" Φορητός µετρητής ροής της "χρονικής-διαφοράς" Ενα παράδειγµα ενός ιδανικού µετρητή ροής της χρονικής-διαφοράς Ο µετρητής ροής Doppler Η εφαρµογή του µετρητή Doppler Μετρητής ροής Doppler - υποκατηγορίες Ο Μετρητής ροής "συσχέτισης" Η εφαρµογή του µετρητή ροής "συσχέτισης" Ο Μετρητής ροής clamp-on (µε σφιγκτήρα) Ειδικοί µετρητές ροής για διάγνωση στην αρχική (φυσική) θέση της διαγώνιας και της στροβιλισµένης ροής ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΤΟΥΡΜΠΙΝΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στροφέας και πτερύγια Τι είναι το Τουρµπινόµετρο Ακρίβεια του µετρητή Πλεονεκτήµατα µετρητών Τουµπίνας Μετρητής τουρµπίνας Series 1600 (PT) εσωτερικά Κεφάλαιο Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα των µετρητών της ροής Πλεονεκτήµατα των µετρητών της ροής µε υπερήχους Επιλογή ενός µετρητή ροής Μετρητές ροής "νέας τεχνολογιας" Βρώµικη εναντίον καθαρής απόδοσης των µετρητών ροής του αερίου Μετρητές της ροής µε υπερήχους: Μια αγορά επιλογών Τα κυριότερα θέµατα που αφορούν µετρητές ροής µε υπερήχους Βιβλιογραφία Άλλες Πηγές

6 P a g e 1 ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Η µέτρηση παροχής όγκου είναι µια µέτρηση που απασχολεί κάθε παραγωγική διαδικασία που σχετίζεται µε την διαχείρηση πρώτων υλών υγρών, αερίων, µιγµάτων κλπ. Η µέτρηση παροχής (ρυθµού ροής) είναι η διαδικασία της µέτρησης της ποσότητας ενός ρευστού που περνά από ένα ειδικό σηµείο στην µονάδα του χρόνου. Μια ποσότητα ρευστού µπορεί να εκφραστεί σε µονάδες όγκου, µάζας ή βάρους. Η µέτρηση της παροχής χρησιµοποιείται γενικά για την παρακολούθηση και τον έλεγχο διεργασίων. Για την µέτρησης της ροής χρησιµοποιούνται συγκεκριµένα όργανα µε τα ο- ποία καθορίζεται η ταχύτητα του υγρού/ αερίου ή η αλλαγή στην κινητική ε- νέργεια. Η ταχύτητα εξαρτάται από τη διαφορά πίεσης που αναπτύσσεται και η οποία πίεση εξασκείται στο υγρό/ αέριο µέσω ενός σωλήνα ή ενός αγωγού η διατοµή του σωλήνα είναι γνωστή και παραµένει σταθερή, η µέση ταχύτητα είναι µια ένδειξη του ποσού της ροής. Η βασική σχέση για τον καθορισµό του ποσού της ροής του υγρού/ αερίου είναι σε τέτοιες περιπτώσεις: Q = u A όπου Q = η ροή του υγρού/ αερίου µέσω του σωλήνα u = η µέση ταχύτητα της ροής A = η διατοµή του σωλήνα Άλλοι παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στο ποσό της ροής του υγρού/ αερίου περιλαµβάνουν το ιξώδες και την πυκνότητα του υγρού/ αερίου και την τριβή του υγρού/ αερίου σε επαφή µε το σωλήνα. Για κάθε µετρητικό σηµείο υπάρχουν συνήθως συγκεκριµένες απαιτήσεις. Ε- πίσης, κάθε µετρητικό σύστηµα έχει συγκεκριµένα χαρακτηριστικά. Εάν τα χαρακτηριστικά αυτά υπερβαίνουν τις πραγµατικές απαιτήσεις, τότε το µετρητικό σηµείο µπορεί να έχει ακρίβεια πέρα από την απαιτούµενη (πράγµα που έχει επίπτωση στο κόστος).για το λόγο αυτό, πριν την εφαρµογή κάποιου µε-

7 P a g e 2 τρητικού συστήµατος πρέπει να καταγραφονται αναλυτικά οι απαιτήσεις και να καθορίζονται πλήρως τρεις τοµείς: Μέθοδος µέτρησης ιεργασία Συνθήκες περιβάλλοντος 1.2 Είδη µέτρησης Μέτρηση όγκου : είναι η συνεχόµενη µέτρηση των ποσοτήτων του ρευστού που περνούν µέσα από διατοµή του αγωγού για ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα. Μέτρηση ταχύτητας : είναι ο προσδιορισµός της ταχύτητας του ρευστού σε ένα συγκεκριµένο σηµείο της διατοµής του αγωγού ροής. Χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό του προφίλ ροής. Αν το σηµείο αυτό προσδιορίζει την µέση ταχύτητα ροής, µπορεί αυτή να χρησιµοποιηθεί από µετρητές όγκου. Μέτρηση µάζας : αυτό µπορεί να γίνει (α) µε προσδιορισµό της δύνα- µης Coriolis, (β) µε προσδιορισµό της ογκοµετρικής ροής και της πυκνότητας, (γ) µε προσδιορισµό της ογκοµετρικής ροής, της πίεσης και της θερµοκρασίας, (δ) µε ζύγιση (ασυνεχής µέθοδος). Λόγω του υψηλού κόστους των µεθόδων αυτών, χρησιµοποιούνται µόνο για ακριβά ρευστά. 1.3 Ποιοτικά χαρακτηριστικά της µέτρησης Ακρίβεια : είναι χαρακτηριστικό ποιότητας του οργάνου µέτρησης. είχνει την ικανότητα του οργάνου να δίνει µέτρηση κοντά στην αληθή τι- µή. Επαναληψιµότητα : καλή επαναληψιµότητα σηµαίνει ότι η διαφορά µεταξύ δύο οποιονδήποτε διαδοχικών µετρήσεων που γίνονται από το όργανο κάτω από τις ίδιες συνθήκες και µε τον ίδιο παρατηρητή (σε κοντινά χρονικά διαστήµατα) είναι µικρή. ιαδοχικές µετρήσεις κάτω από σταθερές συνθήκες δίνουν κοντινές µετρήσεις. Αναπαραγωγησιµότητα : ένδειξη της διαφοράς µεταξύ µετρήσεων που γίνονται µε ένα όργανο όταν όµως οι συνθήκες έχουν αλλάξει (π.χ. τοποθεσία, χρόνος, παρατηρητής). Αβεβαιότητα : χαρακτηρίζει την ποιότητα της µέτρησης.

8 P a g e 3 ιάστηµα εµπιστοσύνης : η πιθανότητα µιας µέτρησης να βρίσκεται µέσα σε συγκεκριµένα όρια. Γραµµικότητα : η ικανότητα του οργάνου µέτρησης να δίνει τιµές ευθέως ανάλογες της µετρούµενης παραµέτρου µέσα σε ένα συγκεκριµένο διάστηµα µεταβολής της παραµέτρου. Κλίµακα µέτρησης : το άνω και κάτω όριο µέσα στο οποίο αναφέρονται οι παράµετροι µέτρησης (αβεβαιότητα, γραµµικότητα κλπ). Το σφάλµα µέτρησης διακρίνεται σε τυχαίο και συστηµατικό. Ένα χαρακτηριστικό αδιάστατο µέγεθος για την ροή ρευστών σε αγωγό είναι ο αριθµός Reynolds : Όπου ρ = η πυκνότητα του ρευστού µ = το ιξώδες v = η ταχύτητα D = η διάµετρος του αγωγού v * D Re= ρ µ Για Re µικρότερο του 2000 η ροή είναι στρωτή (laminar flow) και το ρευστό ταξιδεύει σε διεύθηνση παράλληλη προς τον αγωγό. Σε µεγαλύτερες τιµές έχουµε αναταράξεις (turbulent flow) στη ροή που δηµιουργούν στροβίλους µε αποτέλεσµα την ανάµιξη του ρευστού και µία οµοιόµορφη κατανοµή ταχυτήτων. Σχήµα 1.α

9 Σχήµα 1.β P a g e 4

10 P a g e 5 2. Τύποι µετρητών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Στην Ελλάδα έχουµε συνηθίσει να τα ονοµάζουµε µε διάφορες ονοµασίες ό- πως ροόµετρα, παροχόµετρα, υδροµετρητές, ογκοµετρητές κ.α. Οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται τα τελευταία χρόνια για την µέτρηση όγκου είναι αρκετές και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες : Ροόµετρα νέας τεχνολογίας Ροόµετρα παραδοσιακής κλασικής τεχνολογίας Τα ροόµετρα νέας τεχνολογίας χρησιµοποιήθηκαν σε βιοµηχανικές εφαρµογές στις δεκαετίες 1960 και 1970 ενώ τα ροόµετρα διαφορικής πίεσης είχαν χρησιµοποιηθεί στις αρχές του 1900 και τα τουρµπίνας στις αρχές του Αυτά της νέας τεχνολογίας ήρθαν να φέρουν τεχνικές λύσεις ώστε να αποφύγουµε προβλήµατα των προγενέστερων ροοµέτρων ως προς την αξιοπιστία και την ακρίβεια. Τα παραδοσιακής (κκλασικής) τεχνολογίας ροόµετρα είναι τα µεταβλητού ό- γκου (Variable area flowmeters VAF), τουρµπίνας (Turbine), θετικής µετατόπισης (positive displacement), ανοιχτού καναλιού (open channel), διαφράγµατος (orifice). Γενικό χαρακτηριστικό τους είναι οι υψηλές απαιτήσεις σε συντήρηση, δεν έ- χουν µεγάλη δυνατότητα ακρίβειας στην µέτρηση. Οι κατασκευαστές δεν ε- πενδύουν τόσο εξέλιξη αυτών των τεχνολογιών παρόλο που εξακολουθούν να βρίσκουν χρήση σε αρκετές εφαρµογές. Ροόµετρα νέας τεχνολογίας θεωρούνται τα ηλεκτροµαγνητικά και τα ροόµετρα υπερήχων (ultrasonic), Vortex κ.ά. Γενικά οι µετρητές ροής είναι ταξινοµηµένοι είτε ως εισαγωγής ενέργειας είτε ως εξαγωγής ενέργειας µετρητές. Οι πρώτοι εισάγουν ενέργεια στο ρεύµα για να καθορίσουν το ποσό της ροής του ρευστού ή του αερίου. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα αυτών των µετρητών είναι οι µαγνητικοί µετρητές (magnetic meters) και οι µετρητές υπερήχων (ultrasonic meters). Οι µετρητές εξαγωγής ενέργειας εξάγουν ενέργεια από το ρεύµα, συνήθως υπό µορφή πτώσης πίεσης, για να καθορίσουν το ποσό της ροής του ρευστού ή του αερίου. Παραδείγµατα τέτοιων µετρητών είναι οι µετρητές θετικής-µετατόπισης (PD

11 P a g e 6 meters), οι µετρητές µε στρόβιλο (turbine meters), οι µετρητές δίνης (vortex meters) και οι µετρητές µε κεφαλή (orifice, pitot, venturi, κλπ.). Περαιτέρω υποκατηγορίες των µετρητών ροής είναι βασισµένες στον καθορισµό εάν ο µετρητής είναι διαχωριστικός ή επαγωγικός. Οι διαχωριστικοί µετρητές καθορίζουν το ποσό της ροής, διαχωρίζοντας το ρεύµα σε ιδιαίτερα τµήµατα και µετρώντας τα. Οι επαγωγικοί µετρητές καθορίζουν το ποσό της ροής µε τη µέτρηση κάποιας δυναµικής ιδιότητας του ρεύ- µατος. 2.1 Μετρητές ιαφράγµατος Ο µετρητής διαφράγµατος (Diaphragm meter) είναι ο µετρητής που χρησιµοποιείται στους οικιακούς και µικρούς εµπορικούς βιοτεχνικούς πελάτες. Είναι ογκοµετρικού τύπου, δηλαδή µετράει απευθείας τον όγκο του διερχόµενου αερίου. Ονοµάζεται επίσης και µετρητής θετικής µετατόπισης (positive displacement meter) καθώς και µετρητής παραµορφωµένου τοιχώµατος. Είναι ο παλαιότερος τύπος µετρητή που χρησιµοποιείται σήµερα. Ο µετρητής αυτός αποτελείται από ένα εξωτερικό στεγανό κιβώτιο (1) µέσα στο οποίο εισέρχεται το αέριο. Μέσα στο κιβώτιο υπάρχουν δύο θάλαµοι µέτρησης (2) γνωστού όγκου. Οι θάλαµοι αυτοί χωρίζονται, ο καθένας σε δύο ηµιθαλάµους από ένα κλειστό διάφραγµα (3). Το διάφραγµα έχει τη δυνατότητα να κινείται αριστερά δεξιά µε τη βοήθεια της πίεσης του εισερχόµενου αερίου. Η κίνηση του αερίου στους θαλάµους µέτρησης καθορίζεται από τις βαλβίδες (4), µία για κάθε θάλαµο. Η κίνηση των βαλβίδων συντονίζεται µε την κίνηση του διαφράγµατος µε την βοήθεια ενός συστήµατος µοχλών (5,6,7). Οι βαλβίδες αυτές κατευθύνουν το µετρηµένο αέριο στο σωλήνα εξόδου (8). Σχήµα 2.1

12 P a g e 7 Σχήµα 2.1: Μετρητής διαφράγµατος [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 125 έκδοση Ε- ΣΦΑ ΑΕ] Στο παρακάτω Σχήµα 2 απεικονίζεται η κίνηση του διαφράγµατος στους δύο θαλάµους 1 και 2 σε συνδυασµό µε την θέση της βαλβίδας. Η κίνηση του διαφράγµατος στον δεύτερο θάλαµο µέτρησης γίνεται µε µια διαφορά φάσεων έτσι που όταν το διάφραγµα στον ένα θάλαµο βρίσκεται στην ακραία θέση, στον άλλο θάλαµο το διάφραγµα να κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό συµβαίνει για να αποτραπεί ο κίνδυνος εµπλοκής του διαφράγµατος ή της βαλβίδας κάποιου από τους θαλάµους σε µια από τις ακραίες θέσεις. Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας ο κάθε θάλαµος γεµίζει πλήρως δύο φορές. ηλαδή σε ένα κύκλο λειτουργίας η ποσότητα που διέρχεται από τον µετρητή είναι τέσσερις φορές ο όγκος ενός θαλάµου µέτρησης και είναι η ποσότητα του αερίου που αθροίζει ο µετρητής. Ο συνολικός αυτός όγκος που διέρχεται από τον µετρητή κατά την διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας ονοµάζεται κυκλικός όγκος του µετρητή και αναγράφεται πάνω στην πλακέτα σή- µανσης του κάθε µετρητή.

13 P a g e 8 Σχήµα 2.2: Αρχή λειτουργίας µετρητών διαφράγµατος [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 126 έκδοση ΕΣΦΑ ΑΕ] Σύµφωνα µε τις οδηγίες, οι µετρητές διαφράγµατος έχουν όρια λειτουργίας Qmax/Qmin=160/1. Στην πράξη αυτός ο λόγος φτάνει το 250/1 έως 350/1. Η παροχή εκκίνησης είναι Qmax/6000 έως Qmax/2000. Τα µέγιστα αποδεκτά σφάλµατα για τους µετρητές διαφράγµατος είναι : o Για Qmin < Q < 2Qmin, 3% o Για 2Qmin < Q Qmax, 2%

14 P a g e Περιστροφικοί µετρητές Οι περιστροφικοί µετρητές (roots meters) είναι ογκοµετρικοί µετρητές που χρησιµοποιούνται στη µέτρηση του Φυσικού Αερίου σε εµπορικούς ή βιοτεχνικούς πελάτες. Ονοµάζονται επίσης µετρητές περιστροφικής µετατόπισης (roots positive displacement meters) ή µετρητές µε περιστρεφόµενα έµβολα (rotary piston gas meters). Όπως φαίνεται στο Σχήµα 2.3 και στο Σχήµα 2.4, ένας περιστροφικός µετρητής αποτελείται από έµβολα που περιστρέφονται σε αντίθετη φορά το ένα µε το άλλο µέσα σε ένα σταθερό θάλαµο µέτρησης. Σχήµα 2.3: Σχηµατική παράσταση περιστροφικού µετρητή [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 127 έκδοση ΕΣΦΑ ΑΕ] Ο θάλαµος µέτρησης και η έξοδος του αερίου είναι αντιδιαµετρικά τοποθετη- µένες. Τα έµβολα είναι κατασκευασµένα κατά τέτοιο τρόπο που να υπάρχει συνεχής στεγανότητα χωρίς να υπάρχει επαφή των εµβόλων σε όλες τις θέσεις. Η συνδυασµένη κίνηση των εµβόλων επιτυγχάνεται από δυο γρανάζια Σχήµα 2.4 που είναι τοποθετηµένα πάνω στον άξονα των εµβόλων.

15 P a g e 10 Σχήµα 2.4 Περιστροφικός µετρητής [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 127 έκδοση Ε- ΣΦΑ ΑΕ] Όπως φαίνεται και από το Σχήµα 2.5, που απεικονίζει τον πλήρη κύκλο λειτουργίας ενός περιστροφικού µετρητή, κατά τη διάρκεια της πλήρους περιστροφής των εµβόλων γύρω από τον άξονά τους µέσα από τον µετρητή περνάει ποσότητα αερίου ίση µε τέσσερις φορές τον όγκο που περικλείεται µεταξύ του εµβόλου σε οριζόντια θέση και του θαλάµου µέτρησης.

16 P a g e 11 Σχήµα 2.5 Κύκλος λειτουργίας περιστροφικού µετρητή [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 127 έκδοση ΕΣΦΑ ΑΕ] Ανάλογα µε το λόγο Qmin/Qmax οι µετρητές αυτοί διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: o Μικρού εύρους, o Μεσαίου εύρους, Q min = Q max Q min = Q max o Μεγάλου εύρους, Q min = Q max 1 20 Στην αγορά οι πιο συνηθισµένοι είναι οι µετρητές µεγάλου εύρους. Η παροχή εκκίνησης κυµαίνεται από Qmax/800 έως Qmax/300. Τα αποδεκτά σφάλµατα µέτρησης των περιστροφικών µετρητών είναι : o Για Qmin < Q < 0.2Qmax, 2% o Για 0,2Qmax < Q < Qmax 1%

17 P a g e 12 Σχήµα.2.6 Τυπική καµπύλη σφάλµατος περιστροφικού µετρητή [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 128 έκδοση ΕΣΦΑ ΑΕ] Στο Σχήµα 6 δίνεται η τυπική καµπύλη σφάλµατος σε συνάρτηση µε την παροχή για τον περιστροφικό µετρητή. Τα χαρακτηριστικά των µετρητών αυτών είναι : o Μεγάλη ακρίβεια o εν επηρεάζονται από το ιξώδες των ρευστών o Μεγάλη πτώση πίεσης o Έχουν κινούµενα µέρη (άρα και περιορισµένη διάρκεια ζωής) o Υψηλό κόστος προµήθειας και συντήρησης o Σε περίπτωση µηχανικής αστοχίας δεν επιτρέπουν την ροή του ρευστού από τον αγωγό 2.3 Στροβιλοµετρητές Οι τροβιλοµετρητές ή τουρµπινόµετρα (turbine meters) είναι επαγωγικοί µετρητές µε µεγάλη διάδοση σήµερα και αντίστοιχα µε τους θετικής µετατόπισης διαθέτουν µια φτερωτή ή τουρµπίνα κατάλληλα στηριγµένη στο σώµα του ρο-

18 P a g e 13 οµέτρου που περιστρέφεται µε την ροή του ρευστού και το σήµα µέσω ενός µαγνητικού ή επαγωγικού αισθητήρα (pick up) µεταφερεται στον ενισχυτή ο οποίος ενισχύει και µετατρέπει το σήµα σε ψηφιακό. Σηµαντικό ρόλο στην α- ξιοπιστία και ακρίβεια του οργάνου παίζει η σωστή επιλογή των υλικών κατασκευής. Ο ροτορας και ο άξονας που τον στηρίζει µπορεί να είναι κατασκευασµένος από πλαστικό, Teflon, κεραµικό ή και µέταλλο από ανοξείδωτο ατσάλι. Αυτή η επιλογή το κάνει κατάλληλο να µετρήσει από νερό έως και υγρά µε µεγάλη πυκνότητα όπως λάδια, πετρέλαιο, χηµικά κλπ. Η αρχή λειτουργίας τους είναι η εξής. Σχήµα 2.7 Σχηµατική παράσταση στροβιλοµετρητή [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 129 έκδοση ΕΣΦΑ ΑΕ] Όσο αναφορά το αέριο, αυτό εισέρχεται στον στροβιλοµετρητή διαµέσου ενός εξοµαλυντή ροής, ο οποίος επιβάλει µια στρωτή ροή στο αέριο, διέρχεται από ένα δακτυλοειδή δίαυλο και κινεί τον στρόβιλο. Η συστολή του ρεύµατος του αερίου που γίνεται µέσα στον δακτυλοειδή δίαυλο αυξάνει την ταχύτητα του αερίου έτσι που να δίνει µεγαλύτερη ροπή στρέψης στον στρόβιλο.ο στρόβιλος αποτελείται από ένα τροχό πάνω στον οποίο είναι εµφυτευµένα πτερύγια

19 P a g e 14 υπό γωνία 30 έως Το ρεύµα του αερίου περιστρέφει τον στρόβιλο µε µια ταχύτητα ανάλογη της ταχύτητας του αερίου. Ο συνολικός όγκος του αερίου που διέρχεται από τον µετρητή στην µονάδα του χρόνου (παροχή) είναι ίσος µε την ταχύτητα του αερίου παλλαπλασιαζόµενη µε την επιφάνεια του δακτυλοειδούς διαύλου, και κάθε µια στροφή του στροβίλου αντιστοιχεί σε έναν καθορισµένο όγκο αερίου που διέρχεται διαµέσου του µετρητή. Ανάλογα µε το λόγο Qmin/Qmax οι µετρητές διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: o Μικρού εύρους, Q min = Q max 1 5 o Μεσαίου εύρους, Q min = Q max 1 10 o Μεγάλου εύρους, Q min = Q max 1 20 Η παροχή εκκίνησης είναι Qmax/100. Τα αποδεκτά σφάλµατα µέτρησης των στροβιλοµετρητών είναι : o Για Qmin < Q < 0.2Qmax, 2% o Για 0,2Qmax < Q < Qmax, 1% Στο Σχήµα 2.8, δίνεται η τυπική καµπύλη σφάλµατος σε συνάρτηση µε την παροχή για τον στροβιλοµετρητή.

20 P a g e 15 Σχήµα 2.8.(Τυπική καµπύλη σφάλµατος στροβιλοµετρητή) Τα χαρακτηριστικά των µετρητών αυτών είναι : o Μεγάλη ακρίβεια για δεδοµένο ιξώδες του ρευστού και κλίµακα µέτρησης o Μπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πολύ υψηλές και πολύ χαµηλές θερµοκρασίες o Μπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πολύ υψηλές πιέσεις o Απαιτούν συγκεκριµένα µήκη σωλήνα πριν και µετά την µετρητική διάταξη o Το ρευστό πρέπει να είναι ελεύθερο σωµατιδίων o εν πρέπει να υπερβαίνεται η κλίµακα µέτρησης o Έχουν κινητά µέρη (άρα και κόστος συντήρησης) o Το κόστος τους εξαρτάται από την διάµετρο της µετρητικής διάταξης 2.4 Μετρητές Υπερήχων Τα ροόµετρα υπερήχων γενικά χρησιµοποιούνται στην µέτρηση όγκου υγρών αερίων και ατµού. Οι δύοι βασικοί τύποι είναι τα Doopler και τα Transit-time. Στα ροόµετρα transit-time έχουµε ποµπούς και δέκτες υπερήχων. Οι ποµποί στέλνουν ένα σήµα υπερήχων από την µία πλευρά του σωλήνα-αγωγού στην άλλη και αντίστροφα. Όταν ένα σήµα υπερήχων ταξιδεύει κατά την φορά της ροής ταξιδεύει γρηγορότερα απ ότι αντίστροφα. Τ ροόµετρο µετράει και τους δύο χρόνους διέλευσεις σήµατος. Η διαφορά αυτών των δύο σηµάτων είναι ανάλογη της ροής. Η µέθοδος αυτή χρησιµοποιείται κυρίως σε καθαρά υγρά. Αντίστοιχα και τα ροόµετρα τεχνολογίας Doopler στέλνουν σήµα υπερήχων. Ωστόσο το σήµα ανακλάται στα κινούµενα σωµατίδια αντί να επιστρέφει από ένα δέκτη από την αντίθετη πλευρά. Τα κινούµενα σωµατίδια κινούνται µε την ίδια ταχύτητα του ρευστού. Καθώς το σήµα διαπερνά το ρευστό η συχνότητά του µεταβάλλεται ανάλογα του µέσου όρου της ταχύτητας του ρευστού. Ένας δέκτης ανιχνεύει το ανα-

21 P a g e 16 κλώµενο σήµα µετράει την συχνότητά του και ο µετρητής υπολογίζει τη ροή από την διαφορά της εκπεµπόµενης και ανακλώµενης συχνότητας. Απαραίτητη είναι η ύπαρξη σωµατιδίων στο ρετστό ώστε να γίνεται ανάκλαση του σήµατος γι αυτό και η µέθοδος Doopler συνιστάται σε βρώµικα ρευστά. Η µέτρηση όγκου µε ροόµετρα υπερήχων transit time είναι σήµερα µία από τις πλέον διαδεδοµένες µεθόδους για διάφορα υλικά. Είναι κατάλληλα για κρυογενικές εφαρµογές από C έως και θερµά υγρά, αέρια και ατµό έως C και πιέσεις έως 1500 Bar. Ειδικές περιπτώσεις έχουν πιστοποιηθεί για custody transfer για ογκοµετρικές εφαρµογές φυσικού αερίου (από οικιακές έως µεγάλων διαστάσεων), όπως και άλλων καυσίµων µε ακρίβειες πολλαπλών ζευγών (αισθητηρίων) δηλαδή 3,4 ακόµα και 5 όπως άλλωστε ορίζει και η τεχνολογία πιστοποίησης για custody transfer εφαρµογές. Τα ροόµετρα υπερήχων τα συναντάµε σε φλαντζωτή έκδοση αλλά υπάρχει και η δυνατότητα µέτρησης και εξωτερικά από τον αγωγό (clamp on) για περιπτώσεις που δεν µπορούµε να τρυπήσουµε τον αγωγό ή να διακόψουµε την ροή, καθώς και µε την µέθοδο hot tapping όπου τοποθετούµε τους αισθητήρες χωρίς να κόψουµε τον αγωγό και την παροχή, αλλά τρυπόντα στα τοιχώ- µατά της. Ροόµετρα υπερήχων είναι διαθέσιµα από DN 13/0.5 έως DN 8000/320 (8m/320 εσωτερική διάµετρο). Όσο αναφορά το φυσικό αέριο οι µετρητές υπερήχων (Ultrasonic) είναι µετρητικές διατάξεις που αποτελούνται από ποµποδέκτες υπερήχων, τοποθετηµένους στο εσωτερικό των αγωγών της µετρητικής διάταξης. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται σε παλµούς υπερήχων που µεταδίδονται απόένα ποµπό και λαµβάνονται από ένα δέκτη υπό γωνία φ (φαινόµενο Doopler). Το σχήµα 9 δίνει µια απλοποιηµένη διάταξη. Χωρίς ροή, ένας παλµός από τον Α προς τον Β θα ταξιδεύει µε την ίδια ταχύτητα συγρινόµενο µε την ταχύτητα ενός παλµού απο το Β προς το Α (η ταχύτητα εξαρτάται από το µέσο µετάδοσης). Εάν µέσα στον αγωγό υπάρχει αέριο που κινείται µε ταχύτητα διάφορη του µηδενός, τότε (θεωρόντας ότι η ροή στο σχήµα είναι από αριστερά προς τα δεξιά) ο παλµός από τον Α προς τον Β θα ταξιδεύει µε µεγαλύτερη ταχύτητα από ότι αυτός από το Β προς τον Α

22 P a g e 17 Σχήµα 2.9 Γεωµετρική διάταξη µετρητή υπερήχων. [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 131 έκδοση ΕΣΦΑ ΑΕ] Πιο συγκεκριµένα ο χρόνος µετάβασης του παλµού για τις δύο διαδροµές θα είναι : Α-Β Β-Α : t ( A B) = t ( Β Α) = L ( c+ν cosφ) L ( c ν cosφ) Όπου L= η απόσταση µεταξύ Α και Β c= η ταχύτητα του ήχου στο αέριο φ= η γωνία µετάδοσης του παλµού ως προς τον αγωγό ν= η ταχύτητα του κινούµενου αερίου Με επίλυση των παραπάνω εξισώσεων, προκύπτει ότι η ταχύτητα του αερίου είναι : V = L * (1 / t(a-b) 1 / t(b-a)) / (2 * cosφ) V = 1 1 L *( ) t( A B) t( B A) 2 *cosφ Οι δύο χρόνοι µετάδοσεις του παλµού µετριούνται ηλεκτρονικά, και µε τον τρόπο αυτόν προσδιορίζεται η ταχύτητα κίνησης του αερίου. Από την ταχύτη-

23 P a g e 18 τα κίνησης του αερίου µπορεί στην συνέχεια να υπολογιστεί η ροή σε συνθήκες εργασίας και σε συνθήκες αναφοράς. Συνήθως χρησιµοποιούνται διατάξεις πολλαπλών διαδροµών µε ανακλαστήρες (Σχήµα 2.10), Σχήµα 2.10 Μετρητής υπερήχων πολλαπλών διαδροµών [Εγχειρίδιο Βασικής Εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, κεφ 7 Μέτρησης Παροχής σελ 131 έκδοση ΕΣΦΑ ΑΕ] Τα χαρακτηριστικά του µετρητή είναι : υνατότητα µέτρησης ροής και προς τις δύο κατευθύνσεις Υψηλή επαναληψιµότητα εν υπάρχει εµπόδιο στη ροή εν υπάρχει πτώση πίεσης Μεγάλο εύρος κλίµακας µέτρησης εν υπάρχουν κινούµενα µέρη εν επηρεάζεται από µεταβολές της πίεσης εν απαιτούνται µεγάλα µήκη σωλήνα πριν και µετά την µέτρηση Εύκολη συντήρηση του εξοπλισµού

24 P a g e 19 υνατότητα για µεγάλες διαµέτρους στην µετρητική διάταξη χωρίς να αυξάνει υπέρογκα το κόστος Μεγάλη εξάρτηση της ακρίβειας µέτρησης από το προφίλ ροής Τα συνήθη σφάλµατα µέτρησης είναι : Για Qmin < Q < 0.05Qmax, 1% Για 0.05Qmax < Q < Qmax, 0.05%

25 P a g e Orifice meters Στους µετρητές αυτούς προκαλείται πτώση πίεσης µε µεταβολή της διαµέτρου του αγωγού ροής και αύξηση της ταχύτητας του ρευστού. Με τον προσδιορισµό της πτώσης πίεσης γίνεται προσδιορισµός της ογκοµετρικής παροχής (Σχήµα 2.11). Ο ρυθµός ροής του ρευστού είναι ανάλογος της τετραγωνικής ρίζας της πτώσης πίεσης. Σχήµα 2.11: Τυπικό Προφίλ Ροής από Orifice Μετρητή. [Fundamentals of Orifice Meter Measurement, σελ.3, Τα χαρακτηριστικά της µέτρησης αυτής είναι : εν υπάρχουν κινούµενα µέρη Η µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για διάφορες διαµέτρους και για πλήθος υγρών και αερίων Το κόστος δεν αυξάνει πολύ µε την αύξηση της διαµέτρου της µετρητικής διάταξης Είναι µια γενικά αποδεκτή µέθοδος Η µέτρηση επηρεάζεται ισχυρά από µεταβολές στην πυκνότητα και στην πίεση του ρευστού Η διάταξη χρειάζεται πολύ καλή συντήρηση (µε υψηλό κόστος), καθότι η ακρίβεια µέτρησης είναι ευαίσθητη σε επικαθήσεις ή αλλοιώσεις αυτής. Παρουσιάζει υψηλή πτώση πίεσης Απαιτεί µετρητικές διατάξεις µεγάλου µήκους

26 P a g e 21 Έχει περιορισµένη κλίµακα µέτρησης (4:1) 2.6 Ροόµετρα Vortex Τα ροόµετρα Vortex στηρίζονται στην µέθοδο von Karman effect. Ένα πλατύ σώµα κατάλληλα διαµορφωµένο τοποθετείται στο ρεύµα της ροής του ρευστού πάνω δτο οποίο δηµιουργούνται δίνες (Vortex). Το ροόµετρο µετράει αυτές τις δίνες. Η ταχύτητα ροής είναι ανάλογη της συχνότητας των δινών που παράγονται. Είναι κατάλληλο για µετρήσεις χαµηλής πυκνότητας ρευστών, αερίων και ατµού και ρευστών µε µεγάλη ταχύτητα ροής. Η κατασκευή του ροοµέτρου αποτελείται από τον µετρητικό σωλήνα και τον µετατροπέα ενισχυτη σήµατος. Τα ροόµετρα διατίθενται σε φλαντζωτή έκδοση και sandwitch / wafer (χωρίς φλάντζες).τυπικές εφαρµογές των ροοµέτρων Vortex είναι η µέτρηση ατµου, διοξειδίου του άνθρακα, αργού, φυσικού αερίου, πεπιεσµένου αέρα, αερίων και υγρών µε χαµηλή ή µηδενική αγωγιµότητα. Εικόνα 1 Συµαντικό χαρακτηριστικό είναι η δυνατότητα αντιστάθµισης πίεσης ή και θερµοκρασίας και υπολογισµού της µάζας ή ακόµα και η κανονικοποίηση της ροής αερίων σε συνθήκες περιβάλλοντος. Πλεονεκτήµατά του είναι :

27 P a g e 22 Γραµµική έξοδος εν έχει κινούµενα µέρη Κανένα αισθητήριο σε επαφή µε το υλικό Ψηφιακή τεχνολογία Αξιοπιστία και καλή σχέση ακρίβειας µέτρησης / κόστους Χαµηλές πτώσεις πίεσης Τα ροόµετρα τύπου Vortex διατίθονται και σε έκδοση 2-wire και συνήθως έ- χουν από 1 3 εξόδους 4-20mA, έξοοδ παλµών και επικοινωνία HART (ανάλογα µε τον κατασκευαστή µπορούµε να συναντήσουµε διάφορες εκδόσεις οργάνων). 2.7 ιορθωτές ΡΤΖ Η µέτρηση της παροχής ενός αερίου µε τους µετρητές που αναφέρθηκαν προηγουµένως γίνεται στην πίεση και τη θερµοκρασία λειτουργίας. Για να υπάρχει κοινή βάση αναφοράς, η µέτρηση αυτή ανάγεται σε κάποιες συνθήκες αναφοράς. Αυτό µπορεί να γίνει µε διάφορους τρόπους. Η πιο ευρέως χρησιµοποιούµενη µέθοδος είναι η µέθοδος ΡΤΖ. Κατά τη µέθοδο αυτή για την µετατροπή του µετρούµενου όγκου σε συνθήκες αναφοράς, χρησιµοποιείται η σχέση : Vb = Vm * (Pm/Pb) * (Tb/Tm) * (Zb/Zm) Όπου: Ρ η πίεση του αερίου T η απόλυτη θερµοκρασία του αερίου V ο όγκος του αερίου m η κατάσταση µέτρησης b η κατάσταση αναφοράς Ζ ο συντελεστής συµπιεστότητας Ο συντελεστής συµπιεστότητας Ζ εξαρτάται από τη σύσταση του αερίου και τις συνθήκες Ρ και Τ. Για τους διορθωτές ΡΤΖ θεωρείται ότι η σύσταση του αερίου είναι σταθερή (Zb σταθερό) και εποµένως το Zm υπολογίζεται για τις επικρατούσες συνθήκες

28 P a g e 23 Pm, Tm. Τα υπόλοιπα µεγέθη λαµβάνονται από τον διορθωτή µε απευθείας µέτρηση (Vm, Pm, Tm). Με τον τρόπο αυτό υπολογίζεται η διορθωµένη παροχή Vb.

29 P a g e 24 3 Επιλογή Ροοµέτρου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Η επιλογή κατάλληλου ροοµέτρου για την εφαρµογή µας µε βάση όλα τα παραπάνω, µπορεί να γίνει εύκολη υπόθεση αν λάβουµε υπόψη µας τα εξής στοιχεία : I. Υλικό προς µέτρηση (gas, fluid, mixture κ.α.) II. III. IV. Συνθήκες µέτρησης (θερµοκρασία, πίεση) Χηµική σύσταση του µετρούµενου υλικού Φυσικές ιδιότητες (πυκνότητα, ιξώδες,αγωγιµότητα κ.α.) V. Επιθυµητή ακρίβεια και επαναληπτικότητα στην µέτρηση (% FS,MV) VI. VII. VIII. IX. Προστασία του µετρητή (περιβάλλον εγκατάστασης) (IP grade) Τροφοδοσία (AC/DC) Έξοδοι (ma, pulses) Επικοινωνία (RS485, Hart, profibus PA/DP κ.α.) X. ιάσταση σωλήνα (DN) XI. XII. XIII. Τρόπος σύνδεσης (flanghed, wafer, sanitary κ.α.) Πιστοποιητικά (PED, ISO, ATEX, FDA, NAMOUR κ.α.) Πρόσθετες λειτουργίες εν αρκεί µόνο να επιλέξουµε το σωστό ροόµετρο µε µια αποδεκτή ακρίβεια πχ. 0,5%. Σηµαντικότατο παράγοντα στη σωστή µέτρηση και την εφαρµογή των προδιαγραφών της επιλογής µας στην πράξη είναι η εγκατάσταση να γίνεται σύµφωνα µε τις οδηγίες του κατασκευαστή. Για όλες τις µεθόδους µέτρησης απαιτείται η εγκατάσταση από γωνίες βάνες κλπ να είναι σε απόσταση πολλαπλάσια της διαµέτρου D του ροοµέτρου, ώστε να εξασφαλίζεται η οµαλή ροή (flow profile) εντός του σωλήνα και να αποφεύγονται οι στροβιλισµοί, τυρβώδης ροή κλπ. Η χρήση κατάλληλου καλωδίου µεταξύ ροοµέτρου και ε- νισχυτή / µετατροπέα και η επιλογή ροοµέτρου να µην γίνεται µε βάση τα όρια αλλά να υπάρχει πρόβλεψη για µελλοντική τροποποίση των συνθηκών περιβάλλοντος και µέτρησης.

30 P a g e 25 Μπορεί για κάποια υγρά µε χαµηλό κόστος να µην µας είναι απαραίτητη η µεγάλη ακρίβεια αλλά για τις περισσότερες εφαρµογές το ροόµετρο αποτελεί ένα απαραίτητο εργαλείο µέτρησης, µε πολύ σύντοµο χρόνο επιστροφής της αξίας επιστροφής της αξίας επένδυσης αρκεί να αναλογιστεί κανείς ότι το νερό, ο ατµός, ο πεπιεσµένος αέρας, τα καύσιµα, τα χηµικά, είναι υλικά απαραίτητα για την καθηµερινή λειτουργία όλων των εργοστασίων και η παραµικρή διαρροή ή το σφάλµα στην µέτρηση κοστίζει αρκετά.

31 P a g e 26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 4. ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ - ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 4.1 Τα κοιτάσµατα και η εκµετάλλευσή τους Το Φυσικό Αέριο δηµιουργήθηκε πριν από πολλά εκατοµµύρια χρόνια στους πυθµένες θαλασσών από µεγάλες ποσότητες µικροοργανισµών, την απουσία αέρα και υπό την επίδραση βακτηριδίων. Κατά την διάρκεια γεωλογικών αιώνων (δηλ. εκατοµµυρίων ετών), το υλικό αυτό βυθίστηκε και καταπλακώθηκε από µεγάλα στρώµατα γης. Το αέριο που παράχθηκε κατ αυτόν τον τρόπο κατέφυγε στους πόρους του µητρικού στρώµατος, όπου και συγκρατήθηκε προσωρινά. Αργότερα, και κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, το αέριο αυτό µετακινήθηκε σε άλλες στρωµατικές διαµορφώσεις, στις οποίες το βρίσκουµε και σήµερα. Αυτές οι διαµορφώσεις προϋποθέτουν ένα πλήρως στεγανό στρώµα καλύψεως, το οποίο µπορεί να είναι αντίκλινο, µια µετάπτωση ή µια στρατιγραφική πτώση σχ 4.1. Σχήµα 4.1: ιαµορφώσεις στις οποίες συγκεντρώνεται το φυσικό αέριο [Εγχειρίδιο Βασικής εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, Έκδοση Ε- ΣΦΑ κεφ. 1 σελ7]

32 P a g e 27 Τέτοιες διαµορφώσεις, που ερευνώνται µε διάφορες µεθόδους, χαρακτηρίζονται σαν ελπιδοφόρες, όσον αφορά την ύπαρξη υδρογονανθράκων. Κύριες µέθοδοι έρευνας είναι η µαγνητική και η σεισµική. Κατά την µαγνητική µέθοδο προσδιορίζονται αποµακρύνσεις από την κανονική κατανοµή του µαγνητικού πεδίου που µπορούν να καθοριστούν και από αεροπλάνο ή ελικόπτερο. Κατά την σεισµική µέθοδο προκαλούνται τεχνικές ταλαντώσεις του εδάφους, που έχουν για το αυτό πάχος διαφόρων στρωµάτων διαφορετικό χρόνο διέλευσης. Επίσης, τα σεισµικά κύµατα ανακλώνται µερικώς στις επιφάνειες των διαφόρων στρωµάτων. Οι επιστρέφουσες ταλαντώσεις συλλαµβάνονται από ειδικά όργανα (τα γεώφωνα). Οι πληροφορίες αυτές επεξεργάζονται κατάλληλα και δίνουν πλήρη εικόνα του υπεδάφους. εν αναφέρουν όµως τίποτα για το αν αυτές οι δοµές του υπεδάφους (που µπορεί να είναι ελπιδοφόρες) περιέχουν ή όχι υδρογονάνθρακες. Αυτό µόνο µε γεωτρήσεις µπορεί να διαπιστωθεί. Αυτές κατά µέσο όρο έχουν βάθος από έως 3.00 m, ενώ υπάρχουν περιπτώσεις γεωτρήσεων που φθάνουν τα m. Η επιτυχής έκβαση αυτών (εύρεση υδρογονανθράκων) είναι της τάξεως του 10 έως 20%. Το φυσικό αέριο βρίσκεται σε υπόγειες συσσωρεύσεις παρόµοιες µε εκείνους του φυσικού πετρελαίου. Υπάρχουν τρεις τύποι συσσωρεύσεων: Συσσωρεύσεις από τις οποίες παράγεται οικονοµικά µόνο αέριο, οι οποίες καλούνται µη συνδυασµένες. Συσσωρεύσεις που παράγουν πολύ αέριο συνοδευµένο από µικρές ποσότητες ελαφρών υγρών υδρογονανθράκων, που καλούνται συµπυκνωµένα αποθέµατα. Συσσωρεύσεις στις οποίες το αέριο βρίσκεται υπό πίεση διαλυµένο εντός των υγρών υδρογονανθράκων του φυσικού πετρελαίου. Όταν η ποσότητα των αερίων είναι αρκετά µεγάλη, καταλαµβάνει το ανώτερο τµήµα της συσσωρεύσεων του πετρελαίου υπό µορφή «σκούφου» (gas-cap), όπως φαίνεται στο σχήµα 4.2. Το αέριο στις περιπτώσεις αυτές καλείται συνδυασµένο.

33 P a g e 28 Αέριο από το «σκούφο αερίου» δεν παράγεται ποτέ, γιατί η ενέργεια του αερίου αυτού, το οποίο βρίσκεται υπό πίεση, χρησιµοποιείται για την αυτόµατη µεταφορά του πετρελαίου από τα έγκατα της γης στην επιφάνεια. Χονδρικά µπορούµε να πούµε ότι κάθε 100 m βάθους αυξάνεται η πίεση κατά 10 bar και η θερµοκρασία κατά 3 C. Το λαµβανόµενο όµως φυσικό πετρέλαιο περιέχει διαλυµένο αέριο από το οποίο αποχωρίζεται στον τόπο πετρελαιοπαραγωγής. Στις περιπτώσεις αυτές η παραγωγή του αερίου εξαρτάται από την παραγωγή πετρελαίου, ενώ στην περίπτωση των µη συνδυασµένων αποθεµάτων η παραγωγή αερίου γίνεται κατά βούληση. Σχήµα 4.2: Παραγωγή πετρελαίου από την ενέργεια του αερίου σκούφου [Εγχειρίδιο Βασικής εκπαίδευσης Τεχνιτών Μεταφοράς, Έκδοση ΕΣΦΑ κεφ. 1 σελ8] Όταν τέλος εξαντληθεί η συσσώρευση του πετρελαίου και δεν µπορεί πλέον να παραχθεί πετρέλαιο µε οικονοµικό τρόπο, τότε γίνεται παραγωγή αερίου από τον σκούφο. 4.2 Μορφή του Φυσικού Αερίου Το φυσικό αέριο είναι καύσιµο που υπάρχει στη φύση, αποτελούµενο κατά βάση από µεθάνιο (CH4) και σε µικρότερες αναλογίες από άλλα αέρια, όπως

34 P a g e 29 αιθάνιο και βαρύτερους υδρογονάνθρακες και µη-καύσιµα αέρια όπως το ά- ζωτο. Οι αναλογίες των συστατικών ποικίλουν ανάλογα µε την προέλευση. Με τον όρο φυσικό αέριο, γενικά, θεωρείται το αέριο καύσιµο που εξάγεται από τη γη και µεταφέρεται µε αγωγούς σε αέρια κατάσταση, µέχρι τα σηµεία κατανάλωσής του. Φυσικό αέριο που επίσης εξάγεται από τη γη αλλά υγροποιείται µε ψύξη σε θερµοκρασία -162 C. Η υγροποίηση του φυσικού αερίου διευκολύνει τη µεταφορά του µε πλοία σε µεγάλες αποστάσεις. Αποθηκεύεται σε πίεση ελαφρώς µεγαλύτερη από την ατµοσφαιρική (0,15 bar), γεγονός το οποίο απαιτεί πολύ χαµηλή θερµοκρασία (-162 0C). Η µετατροπή σε υγρή µορφή µειώνει τον όγκο του Φυσικού Αερίου σε µία α- ναλογία περίπου 600 προς 1 το οποίο σηµαίνει ότι ένα δεξαµενόπλοιο Υ.Φ.Α. µπορεί να µεταφέρει τόσο Υ.Φ.Α. ώστε να ισοδυναµεί µε εξακόσια δεξαµενόπλοια που µεταφέρουν φυσικό αέριο σε ατµοσφαιρική πίεση. Υγροποιώντας το φυσικό αέριο καθίσταται δυνατή η µεταφορά του µε δεξαµενόπλοια καθώς και η αποθήκευσή του µε σκοπό την επαναεριοποίησή του και την παροχή του σε αγωγούς. 4.3 Ιδιότητες του Φυσικού Αερίου Το φυσικό αέριο είναι µείγµα υδρογονανθράκων σε αέρια κατάσταση. Αποτελείται κυρίως από µεθάνιο (CH4) και ανήκει στη 2 η Οικογένεια των αερίων καυσίµων. Το φυσικό αέριο είναι ελαφρύτερο από τον αέρα µε σχετική πυκνότητα 0,55. Σε περίπτωση διαρροής, διαφεύγει προς την ατµόσφαιρα σε αντίθεση προς το υγραέριο (LPG) που είναι βαρύτερο από τον αέρα µε σχετική πυκνότητα 1,8. Η Ανώτερη Θερµογόνος ύναµη (ΑΘ ) του φυσικού αερίου κυµαίνεται από Kcal/Nm 3. Ενώ η ΑΘ του υγραερίου είναι σηµαντικά υψηλότερη, από Kcal/Nm 3. Αυτό, σε συνδυασµό µε τη διαφορετική σχετική πυκνότητα των δύο καυσίµων, σηµαίνει ότι το φυσικό αέριο και το υ- γραέριο δεν είναι άµεσα εναλλάξιµα µεταξύ τους, δηλαδή, η υποκατάσταση του ενός από το άλλο απαιτεί τροποποίηση ή αντικατάσταση καυστήρων. Τα όρια ανάφλεξης του φυσικού αερίου είναι 4,5% - 15%. ηλαδή, η καύση δεν µπορεί να συντηρηθεί εάν η περιεκτικότητα του αέρα σε φυσικό αέριο είναι εκτός αυτών των ορίων. Για το υγραέριο τα αντίστοιχα όρια ανάφλεξης είναι 2% - 9,3%. Στον πίνακα 1 που ακολουθεί φαίνεται η τυπική σύσταση του Ρώσικου και του Αλγερινού Φυσικού Αερίου που εισάγονται στο Ελληνικό Σύστηµα Μεταφοράς Φυσικού Αετίου

35 P a g e 30 Πίνακας 1 Τυπική Σύσταση Φυσικού Αερίου. ΤΥΠΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΡΩΣΙΚΟ ΑΛΓΕΡΙΝΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Περιεκτικότητα (% κ.ο.) σε : Μεθάνιο (C1) Αιθάνιο (C2) Προπάνιο (C3) Ι - Βουτάνιο (i-c4) N - Βουτάνιο (n-c4) Ι Πεντάνιο (i-c5) Ν Πεντάνιο (n-c5) Εξάνιο και Βαρύτερα (C6+) Άζωτο (Ν 2 ) ιοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) [Asprofos, 1992, Job Specification /2 for Gas Chromatographs σελ.17] Το φυσικό αέριο αποτελείται από υδρογονάνθρακες µε πολύ χαµηλό σηµείο βρασµού Το κύριο συστατικό του, το µεθάνιο, έχει σηµείο βρασµού -154 C. Αντίστοιχα, το σηµείο βρασµού για το αιθάνιο και προπάνιο είναι -89 C και -42 C. Το φυσικό αέριο είναι σε αέρια φάση σε κάθε θερµοκρασία πάνω από -161 C. Τα βασικά χαρακτηριστικά του µεθανίου είναι: Αέριο Άχρωµο Σχεδόν άοσµο (µυρωδιά σκόρδου) Μη τοξικό αλλά ακατάλληλο για εισπνοή Εύφλεκτο και δίνει φλόγα µπλε ελάχιστα ορατή αλλά αρκετά θερµή εν υπάρχουν στερεά κατάλοιπα κατά την καύση Είναι πιο ελαφρύ από τον αέρα Όταν το CH4 καίγεται σωστά παράγεται µόνο CO2 και H2O.

36 P a g e Χρήσεις Φυσικού Αερίου Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Με τη σηµερινή τεχνολογία, αλλά και για το άµεσο µέλλον, ο σταθµοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασµένο κύκλο και η από κοινού παραγωγή θερµότητας και ηλεκτρισµού από ενεργοβόρες εγκαταστάσεις είναι οι καλύτερες δυνατές επιλογές από πλευράς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µε χαµηλή περιβαλλοντολογική επίπτωση. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µε καύσιµο το φυσικό αέριο είναι η νέα µεγάλη πρόκληση στη χρήση του και εξελίσσεται µε ταχύτατους ρυθµούς σε όλη την Ευρώπη. Ιδιαίτερα στη χώρα µας, µε την απελευθέρωση της ενεργειακής αγοράς, η συµπαραγωγή θερµότητας και ηλεκτρισµού καθώς και οι σταθµοί συνδυασµένου κύκλου φυσικού αερίου αποκτούν ιδιαίτερα επίκαιρο χαρακτήρα. Οι φυσικές αντιρρυπαντικές ιδιότητες του φυσικού αερίου σε συνδυασµό µε το χαµηλό λειτουργικό κόστος και την υψηλή του απόδοση σε θερµική ενέργεια, καθιστούν το φυσικό αέριο µοναδικό καύσιµο στην ηλεκτροπαραγωγή Βιοµηχανία Η χρήση του φυσικού αεριού στη βιοµηχανία µπορεί να χωριστεί σε τρεις βασικές κατηγορίες: Απευθείας θερµική χρήση, κυρίως από βιοµηχανίες παραγωγής κατασκευαστικών υλικών (τσιµέντου, µετάλλων, κεραµικών υλικών). Έµµεση θερµική χρήση (συνήθως µέσω της παραγωγής ατµού), κυρίως από χηµικές βιοµηχανίες και βιοµηχανίες χαρτιού, τροφίµων, υφαντουργίες κ.α. Ως πρώτη ύλη, από τις βιοµηχανίες αµµωνίας, µεθανίου, αιθυλενίου, προπυλενίου. Αν επιχειρήσουµε να δώσουµε µε απλά λόγια την εικόνα του φυσικού αερίου, θα λέγαµε ότι είναι ένα εύχρηστο, αποδοτικό, καθαρό και οικονοµικό καύσιµο. Αν δε σε όλα αυτά προσθέσουµε και την διαθεσιµότητα του, τις εξελιγµένες

37 P a g e 32 τεχνολογίες και την αξιοπιστία στην παροχή του, τότε η βιοµηχανία δεν χρειάζεται να σκεφθεί πολύ για να το υιοθετήσει. Βασικά χαρακτηριστικά του Φυσικού Αεριού στον βιοµηχανικό τοµέα: Συνεχής παροχή καυσίµου που εξασφαλίζει απρόσκοπτη λειτουργία και αποδεσµεύει κεφάλαια για διατήρηση αποθεµάτων και αποθηκευτικών χώρων. Μειωµένες εκποµπές ρύπων, που συµβάλλουν αποφασιστικά στο καθαρότερο περιβάλλον και στην καταπολέµηση του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Μειωµένο λειτουργικό κόστος διαχείρισης καυσίµου και συντήρησης. Αυξηµένη ενεργειακή απόδοση και οικονοµία. Βελτίωση της ποιότητας των προϊόντων. Ευχέρεια χειρισµού και ελέγχου. Αποκέντρωση θερµικών χρήσεων Εµπορικός τοµέας Το φυσικό αέριο χρησιµοποιείται ευρέως στον εµπορικό τοµέα κυρίως για θέρµανση παραγωγή ζεστού νερού, στη µαγειρική, καθώς και σε άλλες εξειδικευµένες χρήσεις. Εκτιµάται ότι µέχρι το 2020 η κατανάλωση αερίου από τον εµπορικό τοµέα θα έχει αυξηθεί στο 33% της συνολικής κατανάλωσης αερίου από τα δίκτυα χαµηλής πίεσης Οικιακός τοµέας Η ανάπτυξη της χρήσης αερίου ως καυσίµου στον οικιακό τοµέα χρονολογείται από τις αρχές του προηγούµενου αιώνα. Η χρήση του στη µαγειρική, τη θέρµανση νερού και χώρων, και τον κλιµατισµό έχει προσφέρει µεγάλη ευκολία, ταχύτητα και οικονοµία, αντικαθιστώντας έτσι άλλες µορφές ενέργειας, όπως το πετρέλαιο και τον ηλεκτρισµό. Σε διεθνές επίπεδο, το 1/3 περίπου της παραγωγής φυσικού αερίου χρησιµοποιείται ;από τον οικιακό τοµέα.

38 P a g e Μεταφορά Η πρώτη χρήση του φυσικού αερίου στη µεταφορά καταγράφηκε σχεδόν ταυτόχρονα µε την είσοδο της µηχανής εσωτερικής καύσης από τον τοµέα της µεταφοράς. Παγκοσµίως, υπάρχει µια συνεχώς αυξανόµενη χρήση του αερίου για µεταφορά και ειδικότερα από τα µέσα µαζικής µεταφοράς, λεωφορεία και φορτηγά, λόγω της οικονοµίας που προσφέρει ως καύσιµο και της φιλικότητάς του προς το περιβάλλον. Αλλά και η χρήση του σε ιδιωτικά αυτοκίνητα συνεχώς αυξάνει. Μεγάλοι κατασκευαστές αυτοκινήτων αναπτύσσουν συνεχώς τη σχετική τεχνολογία για τη χρήση του ως υποκατάστατου και ανταγωνιστικού καυσί- µου.

39 P a g e 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 5.1 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΡΟΗΣ ΣΕ ΑΓΩΓΟΥΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Στην ενότητα αυτή δίνονται, µε απλοποιηµένο τρόπο, µερικά γενικά στοιχεία που αφορούν την ροή σε σωληνωτούς αγωγούς όπως επίσης και µερικές βασικές αρχές µέτρησης, τα οποία θα βοηθήσουν στην κατανόηση των ειδικότερων θεµάτων µέτρησης που αναπτύσσονται παρακάτω. Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ Συνέχεια των ρευστών Ρευστό καλείται κάθε υλικό το οποίο ρέει. Τα ρευστά συνήθως διακρίνονται σε υγρά, τα οποία συµπιέζονται µε δυσκολία αλλά κινούνται µε σχετική ευκολία και στα αέρια τα οποία χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι ο όγκος τους ε- ξαρτάται από τον όγκο του δοχείου στο οποίο βρίσκονται. Βασική αρχή της συµβατικής ρευστοδυναµικής είναι ότι ένα ρευστό, ανεξάρτητα αν είναι υγρό ή αέριο, είναι ένα συνεχές µέσο για το οποίο ισχύει ότι κάθε ροή είναι συνεχής. Η κίνηση ενός ρευστού προκαλεί (και προκαλείται από) δυνάµεις συνάφειας µεταξύ στρωµάτων του ρευστού, έτσι λοιπόν στην περίπτωση που το ρευστό ρέει σε αγωγό, η ταχύτητα του ρευστού κοντά στο τοίχωµα θα πρέπει να είναι µηδενική και θα πρέπει να αυξάνεται προοδευτικά ανάλογα µε την απόσταση από το τοίχωµα του αγωγού Η εξίσωση P-V-T Πριν περάσουµε σε χαρακτηριστικές ιδιότητες των οποίων η ροή θα πρέπει να µετρηθεί, είναι χρήσιµο να δούµε µια γενική βασική εξίσωση. Αυτή είναι η εξίσωση P-V-T η οποία συσχετίζει το όγκο του ρευστού τόσο µε την θερµοκρασία όσο και µε την πίεση η οποία εφαρµόζεται σε αυτό. Η εξίσωση αυτή είναι συνήθως σηµαντική µόνο σε αέρια ρευστά. Έτσι λοιπόν για ιδανικό αέριο θα έχουµε ότι:

40 P a g e 35 pv = σταθερό (Σ.5.1) T Στην πράξη οι ιδιότητες πίεσης όγκου και θερµοκρασίας των ρευστών είναι σπανίως απλές ακόµη και για τις ακέραιες χηµικές ενώσεις. Στην περίπτωση των λεγόµενων φυσικών αερίων πολλά µένουν ακόµη να ανακαλυφθούν. Έ- χουν γίνει στο παρελθόν πολλές µελέτες και συνεχίζουν ακόµη και σήµερα να γίνονται τόσο στην Αµερική όσο και στην Ευρώπη για την ανάπτυξη εξισώσεων οι οποίες θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν για τον υπολογισµό των φυσικών ιδιοτήτων αυτών των αερίων σε πρακτικές εφαρµογές. Συνήθως ο νόµος των ιδανικών αερίων επεκτείνεται και σε πραγµατικά αέρια µε την εισαγωγή της παραµέτρου Ζ η οποία καλείται συντελεστής συµπιεστότητας (ή αλλιώς «συντελεστής απόκλισης του νόµου ιδανικού αερίου ή και συντελεστής υπερσυµπιεστότητας). Έτσι λοιπόν έχουµε την εξίσωση pv = ΖmRT (Σ.5.2) Πυκνότητα και Ειδικός Όγκος Η πυκνότητα ρ ενός ρευστού καλείται ο λόγος της µάζας του m, προς τον ό- γκο του V, ενώ ειδικός όγκος V s είναι το αντίστροφο κλάσµα. Έτσι λοιπόν έ- χουµε την εξίσωση m ρ = 1 = (Σ.5.3) V s V Οι πυκνότητες ποικίλουν ανάλογα µε το ρευστό και τις συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Έτσι ενδεικτικά έχουµε την πυκνότητα του νερού να είναι περίπου χίλιες φορές την πυκνότητα του αέρα σε ατµοσφαιρική πίεση και θερµοκρασία δωµατίου Συντελεστής Θερµικής ιαστολής Ο συντελεστής θερµικής διαστολής β ενός ρευστού ή όπως αλλιώς είναι γνωστός ως συντελεστής ογκοµετρικής εκτόνωσης, είναι η κλασµατική αύξηση στον ειδικό όγκο (ή αλλιώς η κλασµατική µείωση στην πυκνότητα) η οποία προκαλείται από την αύξηση της θερµοκρασίας κατά ένα 1 ο. Έτσι λοιπόν έ- χουµε την εξίσωση:

41 P a g e 36 1 dvs 1 dρ β = = (Σ.5.4) V dt ρ dt s Ο συντελεστής θερµικής διαστολής του κρύου νερού είναι πολύ µικρός, 20 x 10-5 / o C και συνήθως αγνοείται εκτός από την περίπτωση κατά την οποία α- παιτείται υψηλή ακρίβεια. Από την άλλη έχουµε τον συντελεστή αυτό να αυξάνεται σηµαντικά µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Ωστόσο η θερµική διαστολή των πετρελαιοειδών και των υγρών καυσίµων, είναι κατά πολύ υψηλότερες από αυτή του νερού και εξαρτάται λιγότερο από την θερµοκρασία. Έτσι λοιπόν δεν µπορεί να αγνοηθεί εάν η υψηλή ακρίβεια αποτελεί ζητούµενο. Τέλος η θερµική διαστολή στα αέρια είναι κατά πολύ µεγαλύτερη και θα πρέπει σε όλες τις περιπτώσεις να υπολογίζεται Συµπιεστότητα Η συµπιεστότητα κ ενός ρευστού, είναι η κλασµατική µείωση στον ειδικό όγκο (ή αλλιώς η κλασµατική αύξηση στην πυκνότητα) η οποία προκαλείται από την µοναδιαία αύξηση της πίεσης. Έτσι λοιπόν έχουµε την εξίσωση: 1 dvs 1 dρ κ = = (Σ.5.5) V dp ρ dp s Η συµπιεστότητα του νερού είναι περίπου το ένα εικοστό του χιλιοστού από αυτή του αέρα σε συνθήκες ατµοσφαιρικής πίεσης και στις περισσότερες περιπτώσεις µπορεί να αγνοηθεί. Η συµπιεστότητα των πετρελαιοειδών προϊόντων σε υγρή µορφή ποικίλει ανάλογα µε την σύσταση τους. Έτσι τα παχύρευστα πετρελαιοειδή είναι λίγο περισσότερο συµπιεστά από ότι το νερό ενώ τα ελαφριά καύσιµα είναι περισσότερο από δύο φορές πιο συµπιεστά σε σχέση µε το νερό. Στην ευρεία κλίµακα της µέτρησης για εµπορικούς σκοπούς πετρελαιοειδών και καυσίµων η συµπιεστότητα γενικά λαµβάνεται υπόψη ό- ταν υπάρχουν συνθήκες πίεσης πάνω από 2 bar. Τα αέρια είναι πάρα πολύ συµπιεστά σε συνθήκες χαµηλών πιέσεων αλλά πολύ λιγότερο συµπιεστά σε συνθήκες υψηλών πιέσεων Ιξώδες Ρευστά καλούνται λοιπόν εκείνα τα υλικά σώµατα τα οποία παραµορφώνονται συνεχώς υπό την επίδραση διατµητικών τάσεων. Η διαδικασία της συνεχούς

42 P a g e 37 παραµόρφωσης καλείται ροή. Τα ρευστά έχουν την ιδιότητα κατά την ροή τους να αντιστέκονται στις διατµητικές τάσεις αυτές. Η ιδιότητα τους αυτή προκαλεί την ανάπτυξη του προφίλ των ταχυτήτων κατά την ροή του ρευστού. Το ιξώδες µ, ενός ρευστού είναι το µέτρο της αντίστασης στις διατµητικές τάσεις υπό την επίδραση των οποίων συµβαίνει η ροή. Έτσι λοιπόν όπως προκύπτει από το σχήµα 1 τ µ = (Σ.5.6) γ Όπου τ είναι το µέτρο της διατµητικής τάσης και γ ο ρυθµός της γωνιακής παραµόρφωσης. Σχήµα 5.1 : Ορισµός του Ιξώδους Στο σύστηµα µονάδων SI µονάδα του ιξώδους είναι το Pascal * second (Pa s), αλλά συνήθως το ιξώδες εκφράζεται στην µονάδα centipoises (cp), ισχύει ότι 1 cp = 10-3 Pa s. Το ιξώδες συχνά αναφέρεται ως «απόλυτο ιξώδες» ή «δυναµικό ιξώδες» µ ώστε να διακρίνεται από το «κινηµατικό ιξώδες» v. Το κινηµατικό ιξώδες εισάγει έναν άλλο συντελεστή ως τον λόγο του ιξώδους προς την πυκνότητα, (µ/ρ). Στο σύστηµα των µονάδων SI το κινηµατικό ιξώδες εκφράζεται σε m 2 /s, ενώ συνήθως η µονάδα που χρησιµοποιείται είναι το centistokes (cst), ισχύει ότι 1 cst = 10-6 m 2 /s.

43 P a g e 38 Για να γίνει αισθητή η τιµή του ιξώδους στον πίνακα 2 δίνονται ενδεικτικές τι- µές ιξώδους για µερικές συνήθεις ουσίες. Οι τιµές του πίνακα 2 αναφέρονται σε κανονικές συνθήκες θερµοκρασίας. Πρέπει να σηµειωθεί ότι το ιξώδες ενός υγρού µειώνεται ραγδαία µε την αύξηση της θερµοκρασίας ενώ αντίθετα στα αέρια αυξάνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Πίνακας 2: Ενδεικτικές τιµές ιξώδους συνηθισµένων ουσιών Ουσία Προσεγγιστική τιµή ιξώδους cp, στους 20 ο C Αέρας 0,02 Νερό 1 Λάδι Μηχανής 100 Λάδι Κιβωτίου Μετάδοσης 1000 Κίνησης Μέλι Το ιξώδες µπορεί εύκολα να µετρηθεί µε την βοήθεια µετρητή ιξώδους τύπου οµόκεντρου κυλίνδρου όπως φαίνεται στο σχήµα 5.2 ή για µεγαλύτερη ακρίβεια µε την χρήση µετρητή τύπου σωλήνα σχήµατος U όπως φαίνεται στο σχήµα 5.3.

44 P a g e 39 Σχήµα 5.2: Αρχή Λειτουργίας Μετρητή Ιξώδους τύπου οµόκεντρου κυλίνδρου Σχήµα 5.3: Αρχή Λειτουργίας Μετρητή Ιξώδους τύπου Σωλήνα σχήµατος U.

45 P a g e 40 Στο σηµείο αυτό είναι χρήσιµο δούµε την διαφορά που υπάρχει στο ιξώδες µεταξύ των Νευτωνικών και µη Νευτονικών ρευστών, έτσι λοιπόν έχουµε τα: Νευτωνικά Ρευστά (Newtonian) Στα Νευτονικά ρευστά υπάρχει γραµµικότητα µεταξύ αιτίου ( ιατµητική τάση) και αποτελέσµατος (ρυθµός παραµόρφωσης). ηλαδή το ιξώδες µ είναι σταθερό και ανεξάρτητο του µεγέθους των ασκουµένων διατµητικών τάσεων Μη Νευτωνικά Ρευστά (Non-Newtonian) Στα µη Νευτωνικά ρευστά υπάρχει µη γραµµικότητα µεταξύ αιτίου ( ιατµητική τάση) και αποτελέσµατος (ρυθµός παραµόρφωσης). ηλαδή το ιξώδες µ µεταβάλλεται συναρτήσει του µεγέθους των ασκουµένων διατµητικών τάσεων Στην περίπτωση της µέτρησης του φυσικού αερίου που αποτελεί αντικείµενο της εργασίας αυτής, θεωρούµε ότι αυτό υπακούει στους νόµους των Νευτωνικών ρευστών. Σηµειώνεται ότι ως Νευτωνικά ρευστά θεωρούνται όλα τα υγρά και τα αέρια µε µοριακό βάρος µικρότερο από Υγρασία στα Αέρια Τα αέρια µπορεί να είναι ξηρά ή να περιέχουν υγρασία. Αυτό συµβαίνει επειδή ένα αέριο έχει την ικανότητα, σε µια δεδοµένη θερµοκρασία, να συγκρατεί µια σταθερή µέγιστη ποσότητα ατµών ύδατος. Αυτή η σταθερή µέγιστη ποσότητα αυξάνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Όταν συµβαίνει, το αέριο να συγκρατεί την µέγιστη ποσότητα ατµών ύδατος τότε λέγεται ότι το αέριο είναι κορεσµένο σε ατµούς ύδατος. Εάν το αέριο δεν είναι κορεσµένο, τότε ο βαθµός κορεσµού του µπορεί να εκφραστεί ως σχετική υγρασία. Η υγρασία η οποία περιέχεται σε ένα αέριο επηρεάζει την πυκνότητα του. Για παράδειγµα στην περίπτωση του αέρα σε πίεση 1bar και θερµοκρασία 23 ο C, η πυκνότητα όταν ο αέρας είναι ξηρός είναι περίπου 1 εκατοστό µεγαλύτερη από την πυκνότητα του αέρα όταν αυτός είναι κορεσµένος σε ατµούς ύδατος. Ξαφνικές µεταβολές στην υγρασία µπορεί να προκαλέσουν σφάλµατα στην µέτρηση της ροής του αερίου. Συγκεκριµένα, σφάλµατα µπορεί εύκολα να εµφανιστούν στην περίπτωση που µη κορεσµένο αέριο περνά διαµέσω υγρού µετρητή ροής, ή στην περίπτωση όπου σε ξαφνική εκτόνωση του αερίου έχει ως αποτέλεσµα την ψύξη του σε βαθµό ικανό ώστε να προκληθούν ιζήµατα µέρους των ατµών ύδατος.

46 P a g e Μερικές Βασικές Αρχές στην Ροή εντός Σωληνωτών Αγωγών Η µέτρηση στην βιοµηχανία αφορά κυρίως µέτρηση ροής ρευστών εντός σωληνωτών αγωγών. Είναι λοιπόν σηµαντικό η κατανόηση των σηµαντικών αρχών που ισχύουν στην περίπτωση αυτή Αριθµός Reynolds Η συµπεριφορά των ρευστών που ρέουν εντός σωληνωτών αγωγών µπορεί να λεχθεί ότι καθορίζεται κυρίως από το µέγεθος το οποίο είναι γνωστό ως αριθµός Reynolds (R e ). Το µέγεθος αυτό ορίζεται ως: ρvd R e = (Σ.5.7) µ Όπου vείναι η µέση ταχύτητα και D διάµετρος του αγωγού Ο αριθµός Reynolds είναι µια ιδιαίτερα χρήσιµος. Ας θεωρήσουµε τον αριθµητή του κλάσµατος της εξίσωσης (Σ.5.7) όπου ρ είναι ή µάζα ανά µονάδα ό- γκου. Έτσι λοιπόν το γινόµενο µενο ρ v είναι η ορµή στην µονάδα του όγκου και το γινό- ρvdεκφράζει την στιγµιαία ορµή στην µονάδα του όγκου. Ο αριθµητής λοιπόν είναι ένα µέτρο της ικανότητας του ρευστού που ρέει, να δηµιουργεί κινηµατικές δυνάµεις ενώ το ιξώδες στον παρονοµαστή, είναι ένα µέτρο της ικανότητας του ρευστού να προκαλεί ιξώδεις δυνάµεις. Αυτό σηµαίνει ότι ο αριθµός Reynolds υποδεικνύει το είδος των δυνάµεων που υπερισχύουν στο ρευστό υπό ροή. Στην περίπτωση που το γινόµενο ρvdείναι σχετικά µεγάλο, τότε ο αριθµός Reynolds (R e ) θα είναι µεγάλος και οι κινηµατικές δυνάµεις θα υπερισχύουν. Σε αντίθετη περίπτωση όπου το κινηµατικό ιξώδες µ θα είναι µεγάλο τότε ο µικρός αριθµός Reynolds (R e )θα αποτελεί ένδειξη της επικράτησης των δυνάµεων ιξώδους. Ο αριθµός Reynolds (R e ) είναι αδιάστατος. Όπως προκύπτει και από την εξίσωση (Σ.5.7), έχουµε τις ίδιες µονάδες τόσο στον αριθµητή όσο και στον παρονοµαστή.

47 P a g e Στρωτή και τυρβώδης ροή Ένα ρευστό µπορεί να ρέει εντός σωληνωτών αγωγών µε κάποιο από δύο πολύ διαφορετικούς τρόπους. Στρωτή ροή (laminar flow) Ως στρωτή χαρακτηρίζεται η ροή κατά την οποία τα στοιχεία του ρευστού κινούνται κατά µήκος οµαλών τροχιών µε τη µορφή µη αναµίξιµων στρωµάτων (laminas). Η ροή αυτή ελέγχεται ισχυρά από τις δυνάµεις ιξώδους και δεν είναι σταθερή σε περιπτώσεις ροής ρευστών που έχουν µικρό ιξώδες ή ρέουν µε µεγάλη ταχύτητα. Η στρωτή ροή εµφανίζεται σε αριθµούς Reynolds κάτω από το όριο των Το είδος της ροής αυτής µπορεί να παροµοιαστεί µε την ροή των οχηµάτων σε αυτοκινητόδροµο µε µεγάλη κίνηση η οποία κίνηση πραγµατοποιείται σε παράλληλες λωρίδες κίνησης µε διαφορετικές ταχύτητες. Η αργή λωρίδα κίνησης είναι αυτή κοντά στο τοίχωµα του αγωγού και η πιο γρήγορη λωρίδα είναι αυτή στο κέντρο του αγωγού. Κατά την µελέτη της στρωτής ροής σε α- γωγούς, οι µηχανικοί συνήθως υποθέτουν ότι «η κυκλοφορία» δεν αλλάζει ποτέ τροχιά. Στην πραγµατικότητα βαθµιαία συµβαίνει αλλαγή της τροχιάς κίνησης, η οποία καλείται «δευτερεύουσα ροή» και είναι ένα πολύπλοκο θέµα, το οποίο γενικά αγνοείται σε πρακτικές περιπτώσεις, παρότι µερικές φορές, µπορεί να έχει σηµαντικές επιπτώσεις. Τυρβώδης Ροή (Turbulent Flow) Ως τυρβώδης χαρακτηρίζεται η ροή κατά την οποία τα στοιχεία του ρευστού κινούνται σε πολύ ακανόνιστες και στροβιλώδεις τροχιές προκαλώντας ταχύτατη µεταφορά ορµής από µια περιοχή του ρευστού σε µια άλλη µε αποτέλεσµα οι ιδιότητες του ρευστού να µεταβάλλονται χαοτικά µε τη θέση και το χρόνο µέσα στο πεδίο ροής. Η ροή αυτή ελέγχεται ισχυρά από τις δυνάµεις αδράνειας και αποτελεί το συνηθέστερο είδος ροής στην καθηµερινή πρακτική. Η τυρβώδης ροή εµφανίζεται σε αριθµούς Reynolds πάνω από το όριο των 2000, µερικές φορές το όριο αυτό µπορεί να είναι και χαµηλότερο. Στην βιοµηχανία, οι αριθµοί Reynolds σε σωληνωτούς αγωγούς είναι αρκετά παραπάνω από το όριο των 2000 και κατά συνέπεια η στρωτή ροή αποτελεί

48 P a g e 43 σπάνιο φαινόµενο εκτός από τη περίπτωση ροής σε αγωγούς πολύ παχύρευστων υγρών Προφίλ Ταχύτητας Προφίλ ταχύτητας ονοµάζεται η γραφική παράσταση που απεικονίζει την µεταβολή της ταχύτητας εγκάρσια της διαµέτρου ενός σωληνωτού αγωγού. Στο σχήµα 5.4 που ακολουθεί δίνονται 3 παραδείγµατα σηµαντικών προφίλ ταχυτήτων. Στην στρωτή ροή, όπως φαίνεται στο σχήµα 5.4(α), το προφίλ της ταχύτητας είναι µια παραβολική καµπύλη και η ταχύτητα στο κέντρο του σωληνωτού α- γωγού είναι διπλάσια της µέσης ταχύτητας. Στην στροβιλώδη ροή, όπως φαίνεται στο σχήµα 5.4(β), το προφίλ της ταχύτητας στην κατάντη πλευρά ενός πολύ µεγάλου ευθύγραµµου τµήµατος σωληνωτού αγωγού, είναι πολύ πιο επίπεδο και η ταχύτητα στο κέντρο του σωληνωτού αγωγού είναι 1,2 φορές της µέσης ταχύτητας. Κάτω από αυτές τις συνθήκες το προφίλ της ταχύτητας καλείται «πλήρως ανεπτυγµένο» ή αλλιώς κανονικό προφίλ.

49 P a g e 44 Σχήµα 5.4: Προφίλ ταχυτήτων σε διάφορες περιπτώσεις ροής Ασυµµετρία Σε πραγµατικά συστήµατα σωληνωτών αγωγών, η µορφή του προφίλ θα περιέχει µεταβολές τόσο στην τοµή όσο και προς την κατεύθυνση του. Το προφίλ µπορεί να διαταραχθεί σε µεγάλο βαθµό από την παρουσία ενός καµπύλου τµήµατος στον σωληνωτό αγωγό, ή από την παρουσία ενός µετρητή ροής, µιας βαλβίδας κλπ. Το σχήµα 5.4 (γ) δείχνει δύο τυπικά ασύµµετρα προφίλ ταχύτητας, τα οποία έχουν σχεδιαστεί µε την βοήθεια µετρήσεων ταχυµέτρου τύπου laser σε απόσταση 5 και 20 διαµέτρων από την ίδια καµπύλη σε σωληνωτό αγωγό διαµέτρου D=75mm.

50 P a g e ευτερεύουσα Ροή και Στροβιλισµός Τα καµπύλα τµήµατα, οι βαλβίδες κλπ προκαλούν επίσης το φαινόµενο της δευτερεύουσας ροής. Επιπρόσθετα της διαταραχής στο προφίλ της ταχύτητα κατά τον άξονα της κατεύθυνσης της ροής, δηµιουργείται ροή και στο επίπεδο κάθετα στον άξονα της κατεύθυνσης της ροής. Κατάντη µιας απλής καµπύλης δηµιουργούνται δυο περιστρεφόµενες δίνες στο κατάντη ευθύγραµµο αγωγό, οι οποίες τοποθετούνται επάνω από την εµπρόσθια ταχύτητα. Το πιο σοβαρό είδος δευτερεύουσας ροής είναι η τρισδιάστατη περιστρεφό- µενη ροή ή στροβιλισµός, η οποία δηµιουργείται από δύο συνεχόµενες κα- µπύλες σε διαφορετικά επίπεδα όπως φαίνεται στο σχήµα 5.5. Η γεωµετρική διάταξη αυτή προκαλεί την περιστροφή της ροής σε σπειροειδή µορφή και το φαινόµενο αυτό συνεχίζει να υφίσταται σε µεγάλη απόσταση από την πηγή γέννησης του. Σε πολύ υψηλούς αριθµούς Reynolds σε σωληνωτούς αγωγούς µε εσωτερική επιφάνεια χαµηλής τραχύτητας ο στροβιλισµός εξασθενεί µε ρυθµό περίπου 1% ανά διάµετρο D του αγωγού. Σε χαµηλότερους αριθµούς Reynolds ο ρυθ- µός αυτός γίνεται 2 µε 3% ανά διάµετρο D του αγωγού. Έτσι λοιπόν αυτό ση- µαίνει ότι σε ένα σωληνωτό αγωγό διαµέτρου D=100mm, η σοβαρότητα που εµφανίζει ο στροβιλισµός µειώνεται µόνο κατά 1% ( ή 2-3%) σε κάθε 100mm διαδροµής κατά µήκος του αγωγού. Ο έντονος στροβιλισµός στην ροή µπορεί να αντιµετωπιστεί µε την εγκατάσταση ευθυγραµµιστή ή αλλιώς εξοµαλυντή ροής.

51 P a g e 46 Σχήµα 5.5 Ελικοειδής Στροβιλώδης Ροή η οποία δηµιουργείται από δύο συνεχόµενες καµπύλες στο ίδιο επίπεδο Αρχή της Συνέχειας και η εξίσωση του Bernoulli Σύµφωνα µε την αρχή της συνέχειας η παροχή µάζας διατηρείται σταθερή σε όλες τις διατοµές ενός συνεχούς αγωγού. Με απλά λόγια ότι εισέρχεται από την µία πλευρά του αγωγού πρέπει να εξέρχεται από την άλλη. Στην περίπτωση που το ρευστό είναι ασυµπίεστο, τότε και η παροχή του όγκου παρα- µένει επίσης σταθερή.

52 P a g e 47 Η αρχή αυτή είναι σηµαντική στην περίπτωση της µελέτης της συµπεριφοράς των µετρητών ροής. Έτσι λοιπόν έχουµε η µείωση της διατοµής να συνεπάγεται την αύξηση της µέσης ταχύτητας όπως επίσης και το αντίθετο. Η συνολική ορµή την οποία έχει ένα ρευστό το οποίο βρίσκεται σε κατάσταση ροής παραµένει σταθερό σε κάθε διατοµή κατά µήκος του αγωγού. Η εξίσωση του Bernoulli εκφράζει την παραπάνω αρχή µε µαθηµατικούς όρους. Έτσι λοιπόν έχουµε να ισχύει ότι: 2 v p + = σταθερό σε όλες τις διατοµές (Σ.5.8) 2g ρg Αυτή η απλή εξίσωση αποτελεί την βάση για την θεωρητική απόδοση της συ- µπεριφοράς πολλών τύπων µετρητή ροής Ύψος Ταχύτητας (velocity head) Ό όρος 2 v 2g (όπου g επιτάχυνση της βαρύτητας), παρέχει έναν εύκολο τρόπο ένδειξης του ποσού της κινητικής ενέργειας που έχει το ρευστό που βρίσκεται σε κατάσταση ροής σε ένα αγωγό. Έχει διαστάσεις µήκους και εκφράζει το επίπεδο ανύψωσης που θα είχε η κάθετη προς τα επάνω προβολή (στον άξονα ψ) του ρευστού, µε ταχύτητα v, κάτω από ιδανικές συνθήκες µηδενικής τριβής. Μια σηµαντική χρήση της αρχής αυτής είναι στο να εκφράζεται η τάση των σωληνωτών εξαρτηµάτων να σπαταλούν ενέργεια. Για παράδειγµα, όταν λέµε ότι ένας συγκεκριµένος µετρητής προκαλεί «3 ύψη ταχύτητας απώλεια», αυτό 2 σηµαίνει ότι η απώλεια ύψους στον µετρητή θα είναι πάντα περίπου 3* v 2g ανεξάρτητα από την φύση του ρευστού ή την ταχύτητα του Μέθοδοι µέτρησης ροής Ο όρος «µέτρηση ροής» µπορεί να αναφέρεται σε οποιοδήποτε από τις 6 διαφορετικές µεθόδους µέτρησης, οι οποίες δίνονται συνοπτικά παρακάτω Μέτρηση Σηµειακής ταχύτητας Υπάρχουν όργανα µε τα οποία δίνεται η δυνατότητα µέτρησης της ταχύτητα ενός ρευστού σε ένα συγκεκριµένο σηµείο. Τα όργανα αυτά ανάλογα µε την

53 P a g e 48 χρήση τους ονοµάζονται «ανεµόµετρα» αν προορίζονται για χρήση µέτρησης της ελεύθερης ροής αέρα ή «µετρητές ρεύµατος» (current meters) αν προορίζονται για χρήση σε εφαρµογές νερού ενώ τέλος ονοµάζονται «µετρητές διείσδυσης» (insertion meters) εάν προορίζονται ειδικά για µέτρηση ρευστού εντός αγωγού Μέτρηση Μέσης Ταχύτητας Σωληνωτού αγωγού Η µέση ταχύτητα v στον σωληνωτό αγωγό, σχετίζεται µε ογκοµετρική παροχή Q v, και την επιφάνεια της διατοµής Α σύµφωνα µε την σχέση: Qv v = (Σ.5.9) A Η µέση ταχύτητα vµπορεί να προσδιοριστεί µε τρείς τρόπους: Μετρώντας την παροχή όγκου Q v και την επιφάνεια της διατοµής Α και στην συνέχεια ο υπολογισµός να γίνει µε χρήση της εξίσωσης (9) Υλοποιώντας µετρήσεις της ταχύτητας σε αρκετά σηµεία σε µία διατοµή του σωληνωτού αγωγού και στην συνέχεια λαµβάνοντας τον ζυγισµένο µέσο όρο των µετρήσεων. Μια µέθοδος ίσως µε λιγότερη ακρίβεια είναι αυτή της µέτρησης της ταχύτητας σε συγκεκριµένο σηµείο της διατοµής το οποίο βρίσκεται στα ¾ της απόστασης µεταξύ του κέντρου της διατοµής και του τοιχώµατος του σωληνωτού αγωγού, σηµείο όπου γνωρίζουµε ότι στο πλήρως ανεπτυγµένο προφίλ ταχυτήτων η ταχύτητα εκεί είναι περίπου ίση µε την µέση ταχύτητα Μέτρηση της Παροχής Όγκου Η παροχή όγκου, Q v ορίζεται ως η διέλευση συγκεκριµένου όγκου ρευστού σε ορισµένο χρονικό διάστηµα t, έχουµε λοιπόν ότι V Q v = (Σ.5.10) t Πολλοί µετρητές ροής είναι σχεδιασµένοι να έχουν ως ένδειξη απευθείας την τιµή της παροχής όγκου Q v, τέτοιοι µετρητές αναφέρονται µερικές φορές ως «µετρητές παροχής».

54 P a g e Μέτρηση του Συνολικού Όγκου Μερικοί µετρητές είναι σχεδιασµένοι να έχουν ως ένδειξη απευθείας την τιµή του συνολικού όγκου V ο οποίος περνά από τον µετρητή. Οι µετρητές αυτοί καλούνται και «µετρητές όγκου» για να διακρίνονται από τους «µετρητές παροχής». Από τις εξισώσεις (Σ.5.9) και (Σ.5.10) γίνεται αντιληπτό ότι µπορούµε να υπολογίσουµε τον όγκο V από ένα µετρητή παροχής µε την ολοκλήρωση του σή- µατος της εξόδου του σε µια χρονική περίοδο. Όπως επίσης µπορούµε να υπολογίσουµε την παροχή όγκου Q v από ένα µετρητή όγκου διαφορίζοντας το σήµα εξόδου του ως προς τον χρόνο. Ωστόσο αυτές οι λειτουργίες συνήθως έχουν ως αποτέλεσµα την ελαχιστοποίηση της ακρίβειας Μέτρηση παροχής Μάζας Η παροχή µάζας Q m ορίζεται ως η διέλευση συγκεκριµένης µάζας ρευστού σε ορισµένο χρονικό διάστηµα t, έχουµε λοιπόν ότι M Q m = (Σ.5.11) t Μερικοί µετρητές είναι σχεδιασµένοι να µετρούν απευθείας την παροχή µάζας. Οι µετρητές αυτοί ονοµάζονται «µετρητές µάζας» ή «µετρητές πραγµατικής µάζας». Η παροχή µάζας Q m συχνά προσδιορίζεται µε την πραγµατοποίηση ταυτόχρονων µετρήσεων της παροχής όγκου Q v και της πυκνότητας ρ του ρευστού χρησιµοποιώντας την σχέση: Q =ρ (Σ.5.12) m Q v Μέτρηση Συνολικής Μάζας Μέχρι σήµερα δεν υπάρχει µετρητής που να έχει την ικανότητα να µετρά α- πευθείας την συνολική µάζα του ρευστού που περνά σε µια χρονική περίοδο. Για τον προσδιορισµό της συνολικής µάζας Μ συνήθως είναι απαραίτητη µέτρηση της παροχής µάζας Q m και στην συνέχεια η ολοκλήρωση των µετρήσεων σε µια περίοδο του χρόνου µε χρήση της σχέσης (Σ.5.11).

55 P a g e Χαρακτηριστικές Καµπύλες Μετρητή Η καµπύλη βαθµονόµησης ή αλλιώς η χαρακτηριστική καµπύλη είναι µια γραφική παράσταση η οποία δείχνει την απόδοση του µετρητή σε διαφορετικές παροχές, ταχύτητες ή αριθµούς Reynolds ανάλογα µε το ποιο είναι κατάλληλο κάθε φορά. Τέτοιες καµπύλες γενικά αποτελούν αποτέλεσµα της βαθµονόµησης, η οποία δεν είναι τίποτε άλλο παρά µια σειρά δοκιµών του µετρητή σε ένα εύρος παροχών ή ταχυτήτων κατά τις οποίες οι ενδείξεις του µετρητή συγκρίνονται µε αντίστοιχες µετρήσεις παροχής (όγκου ή µάζας ή ταχύτητας ανάλογα το µέγεθος που είναι σχεδιασµένος να µετρά ο µετρητής) οι οποίες γίνονται µε αντίστοιχο µετρητή µεγαλύτερης ακρίβειας ο οποίος χρησιµοποιείται ως πρότυπο Γραµµικοί και µη γραµµικοί µετρητές Ως γενική αρχή, τα αποτελέσµατα µιας βαθµονόµησης µπορούν να απεικονιστούν σε µια γραφική παράσταση η οποία θα έχει στον κάθετο άξονα την ένδειξη του µετρητή Υ και στον οριζόντιο άξονα την αντίστοιχη πρότυπη παροχή Q. Στην περίπτωση που η γραφική απεικόνιση σχηµατίζει περίπου µια ευθεία γραµµή η οποία περνά από την αρχή των συντεταγµένων όπως φαίνεται στο σχήµα 5.6, τότε ο µετρητής αυτός χαρακτηρίζεται ως «γραµµικός». Πολλοί µηγραµµικοί µετρητές έχουν χαρακτηριστική καµπύλη της µορφής που φαίνεται στο σχήµα 5.7, όπου η παροχή Q είναι ανάλογη προς το Υ 1/2. Οι µετρητές Venturi, Orifice ή σωλήνων Pitot των οποίων οι ενδείξεις Y είναι αποτέλεσµα µετρούµενης τιµής διαφορικής πίεσης, ανήκουν στην κατηγορία αυτή των µη γραµµικών µετρητών.

56 P a g e 51 Σχήµα 5.6: Χαρακτηριστική καµπύλη γραµµικού µετρητή Σχήµα 5.7: Χαρακτηριστική καµπύλη µή γραµµικού µετρητή Χρήση του δείκτη απόδοσης του µετρητή Στην πράξη, οι γραφικές παραστάσεις των σχηµάτων 5.6 & 5.7 σπανίως χρησιµοποιούνται, διότι δεν έχουν την ικανότητα να δίνουν επαρκής πληροφορίες.

57 P a g e 52 Αυτό που χρειάζεται είναι µια γραφική παράσταση η οποία θα απεικονίζει καθαρά κάθε µικρή απόκλιση του µετρητή από την ιδανική συµπεριφορά του. Συνήθως χρησιµοποιείται η σχεδίαση διαγράµµατος κάποιου δείκτη απόδοσης του µετρητή ως προς την παροχή ή ως προς κάποιας συγκρίσιµης ποσότητας όπως ο αριθµός Reynolds, όπως φαίνεται στο σχήµα 5.8. Όσο περισσότερο το αποτέλεσµα της γραφικής παράστασης προσεγγίζει µια ευθεία οριζόντια γραµµή τόσο η απόδοση του µετρητή είναι κοντά στην ιδανική του α- πόδοση Σχήµα 5.8: Η χρήση του δείκτη απόδοσης δίνει την δυνατότητα της πιο ξεκάθαρης εµφάνισης των χαρακτηριστικών της βαθµονόµησης Αρκετά είδη δεικτών είναι διαθέσιµα αλλά µόνο τέσσερεις δείκτες χρησιµοποιούνται συνήθως. Στην συνέχεια γίνεται µια συνοπτική αναφορά στους δείκτες αυτούς Συντελεστής εκτόνωσης Για τους µετρητές παροχής ο συντελεστής εκτόνωσης C, ορίζεται σύµφωνα µε τον λόγο της εξίσωσης (Σ.5.13) Q Q T C = (Σ.5.13) I Ενώ για τους µετρητές ταχύτητας ο αντίστοιχος ορισµός δίνεται από την εξίσωση (Σ.5.14) v v T C= (Σ.5.14) I

58 P a g e 53 Όπου QTκαι vtαντιπροσωπεύουν αυτό που συνήθως ονοµάζεται πρότυπη παροχή ή πρότυπη ταχύτητα υποδηλώνοντας τις ποσότητες όπως αυτές έ- χουν µετρηθεί από συσκευές υψηλότερης ακρίβειας κατά την διάρκεια της βαθµονόµησης. Τα QIκαι v I αντιπροσωπεύουν την ένδειξη παροχής ή ταχύτητας αντίστοιχα, του µετρητή ή το αντίστοιχο υπολογιζόµενο µέγεθος βάση των ενδείξεων του µετρητή. Ο συντελεστής εκτόνωσης του σχήµατος 5.9, χρησιµοποιείται σε µεγάλο βαθ- µό µε του µετρητές διαφορικής πίεσης. Στην περίπτωση αυτή το Q Iµπορεί να βασίζεται σε ένα απλοποιηµένο µοντέλο επίδοσης µετρητή και φυσικά στην περίπτωση αυτή ο συντελεστής εκτόνωσης µπορεί να διαφέρει σηµαντικά από την τιµή της µονάδας. Στο σχήµα 9 ο συντελεστής εκτόνωσης απεικονίζεται γραφικά συνήθως ως προς το R d, δηλαδή τον αριθµό Reynolds στον «λαιµό» του µετρητή, ενώ συνήθως προτιµάται η χρήση του αριθµού Reynolds R D ο οποίος βασίζεται στην διάµετρο του σωληνωτού αγωγού. Σχήµα 5.9: Παράδειγµα χαρακτηριστικής καµπύλης βασισµένη στον συντελεστή εκτόνωσης Σφάλµα Μετρητή Ο όρος σφάλµα µετρητή, χρησιµοποιείται σε συνδυασµό µε τους µετρητές όγκου οι οποίοι διαβάζουν απευθείας µονάδες όγκου. Ορίζεται ως: V V V Ι Τ = (Σ.5.15) Τ Όπου V T, V I είναι η πρότυπη ένδειξη και η ένδειξη του µετρητή αντίστοιχα. Συνήθως το σφάλµα εκφράζεται ως ποσοστό του πρότυπου όγκου.

59 P a g e Συντελεστής Μετρητή (Meter Factor) Ο συντελεστής µετρητή, F, είναι ένας όρος ο οποίος χρησιµοποιείται κυρίως για µετρητές οι οποίοι χρησιµοποιούνται για την µέτρηση του συνολικού όγκου και ειδικά για µετρητές τουρµπίνας και µετρητές θετικού εκτοπίσµατος. υστυχώς διάφοροι λειτουργοί χρησιµοποιούν τον δείκτη αυτόν µε πολλούς διαφορετικούς τρόπους και αυτό έχει προκαλέσει στο παρελθόν αρκετή σύγχυση. Γενικά έχει συµφωνηθεί ότι ο σωστός ορισµός θα πρέπει να είναι: V V T F = (Σ.5.16) I Ο συντελεστής F της εξίσωσης (Σ.5.16) δίνει τον συντελεστή µε το οποίο πρέπει να πολλαπλασιαστεί η ένδειξη του όγκου µετρητή για να επιτευχθεί η πρότυπος όγκος. Με άλλα λόγια αποτελεί έναν συντελεστή διόρθωσης του µετρούµενο όγκου για την διόρθωση της απόκλισης του από τον πρότυπο ό- γκο Συντελεστής Κ Ο συντελεστής Κ είναι ένας όρος ο οποίος χρησιµοποιείται για να περιγράψει την επίδοση των µετρητών όπως τα τουρµπινόµετρα. Η έξοδος των µετρητών αυτών είναι της µορφής µιας σειράς ηλεκτρικών παλµών όπου ισχύει ότι το σύνολο της µέτρησης των παλµών n, είναι ανάλογη µε τον όγκο του ρευστού που έχει περάσει από τον µετρητή. Επίσης ισχύει στην περίπτωση αυτή ότι η συχνότητα των παλµών, dn/dt, είναι ανάλογη µε την παροχή. Ο συντελεστής Κ ορίζεται ως: n K = (Σ.5.17) V T Οι χαρακτηριστικές καµπύλες για τους µετρητές τουρµπίνας έχει καθιερωθεί να απεικονίζονται γραφικά ως προς την παροχή, όπως φαίνεται και στο σχή- µα Το αντίστροφο κλάσµα του συντελεστή Κ είναι ένας συντελεστής µε µεγάλη πρακτική αξία. Όταν ένας µετρητής είναι σε λειτουργία, για τον υπολογισµό του όγκου που έχει περάσει από τον µετρητή αρκεί ο πολλαπλασιασµός του συνόλου της µέτρησης των παλµών, n µε τον όρο 1/Κ.

60 P a g e 55 Σχήµα 5.10: Παράδειγµα χαρακτηριστικής καµπύλης Συντελεστή Κ (επίσης δίνονται οι έννοιες των όρων, Περιοχή Λειτουργίας και Γραµµικότητα) Ιδιότητες των οργάνων µέτρησης Κάθε όργανο µέτρησης µπορεί να παρέχει στον χρήστη µια εκτίµηση της πραγµατικής τιµής της µετρούµενης ποσότητας. Ο χρήστης θα πρέπει να γνωρίζει πόσο µπορεί να έχει στην µέτρηση αυτή. Η τιµή της µέτρησης ενός οργάνου εξαρτάται από παράγοντες όπως η διακριτότητα του, η επαναληψι- µότητα του οργάνου, η ακρίβεια, η περιοχή λειτουργίας όπως επίσης και η γραµµικότητα του οργάνου Ανάλυση Έχει καθιερωθεί διεθνώς ο όρος Ανάλυση (resolution) να χρησιµοποιείται για να περιγράφει την µικρότερη µεταβολή στην οθόνη ενός οργάνου η οποία µπορεί να αναγνωστεί. Για παράδειγµα η ανάλυση ενός ηλεκτρονικού χρονο- µέτρου το οποίο έχει την ικανότητα να διαβάζει χιλιοστά του δευτερολέπτου, είναι εκατό φορές µεγαλύτερη από την ανάλυση ενός ηλεκτρονικού χρονοµέτρου που έχει την ικανότητα να διαβάζει δέκατα του δευτερολέπτου. Η ανάλυση δεν θα πρέπει να συγχέεται µε την ακρίβεια. Η ανάλυση σου λέει µε πόσα δεκαδικά ψηφία διαβάζεις την ένδειξη, αλλά δεν σου λέει τίποτε για το πόσα από αυτά τα δεκαδικά ψηφία µπορείς να εµπιστεύεσαι.

61 P a g e Επαναληψιµότητα και Αναπαραγωγισιµότητα Η επαναληψιµότητα ενός οργάνου είναι µια ένδειξη της ικανότητας του οργάνου να δίνει το ίδιο αποτέλεσµα όταν χρησιµοποιείται για να µετρήσει µε επιτυχία την ίδια ποσότητα πολλές φορές. Αριθµητική τιµή της επαναληψιµότητας µπορεί να επιτευχθεί πειραµατικά µε την εγκατάσταση δύο όµοιων µετρητών ροής σε σειρά και µε την ταυτόχρονη σύγκριση των ενδείξεων τους. Η επαναληψιµότητα πολύ συχνά συγχέεται µε την ακρίβεια. Όπως προκύπτει εύστοχα από το σχήµα 5.11 δεν είναι καθόλου το ίδιο πράγµα. Στην περίπτωση που ένα όργανο έχει χαµηλή επαναληψιµότητα είναι βέβαιο ότι θα έχει και χαµηλή ακρίβεια στις µετρήσεις του. Στην περίπτωση όµως που το όργανο έχει καλή επαναληψιµότητα αυτό δεν συνεπάγεται ότι θα έχει και καλή ακρίβεια (αν και θα µπορούσε να έχει), από την στιγµή που θα µπορούσε να δίνει την ίδια λαναθασµένη τιµή κάθε φορά. Ένας όρος που σχετίζεται µε την επαναληψιµότητα είναι η αναπαραγωγισιµότητα. Με τον όρο αυτό εκφράζεται η ικανότητα του οργάνου να δίνει το ίδιο αποτέλεσµα όταν χρησιµοποιείται την ίδια ποσότητα σε διαφορετικές χρονικές στιγµές και κάτω από διαφορετικές συνθήκες Ακρίβεια και Αβεβαιότητα Αν η επαναληψιµότητα είναι ένα µέτρο της ικανότητας του οργάνου να επαναλαµβάνεται η ακρίβεια είναι ένα µέτρο της ικανότητας του οργάνου να λέει την αλήθεια. Γενικά η καλή επαναληψιµότητα εξαρτάται από τον άρτιο σχεδιασµό και την ποιότητα της κατασκευής του οργάνου. Η ακρίβεια ενός οργάνου εκτός από τους δύο παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω εξαρτάται και από έναν τρίτο παράγοντα, την ακριβή βαθµονόµηση του ως προς ένα πρότυπο αναφοράς. Όπου η διατήρηση του υψηλού επιπέδου ακρίβειας στην διάρκεια µιας χρονικής περιόδου αποτελεί ζητούµενο, υπάρχει περίπτωση να απαιτείται η περιοδική βαθµονόµηση του εξοπλισµού. Αρκετή σύγχυση προκαλεί η ύπαρξη δύο πολύ διαφορετικών µεθόδων για την έκφραση της ακρίβειας. Μερικοί κατασκευαστές δίνουν την ακρίβεια ως ποσοστό της συνολικής κλίµακας ανάγνωσης του οργάνου (full scale), ενώ άλλοι

62 P a g e 57 ως ποσοστό της πραγµατικής τιµής της ανάγνωσης (actual reading). Η διαφορά γίνεται πολύ σηµαντική όταν το όργανο λειτουργεί πολύ κοντά στο κάτω όριο του εύρους λειτουργίας του. Έτσι για παράδειγµα ένα όργανο λειτουργεί στο ένα πέµπτο της µέγιστης κλίµακας του, 1% ακρίβεια της συνολικής κλίµακας ανάγνωσης του οργάνου ισοδυναµεί µε 5% ακρίβεια της πραγµατικής τι- µής ανάγνωσης. εν πρέπει να µας διαφεύγει ότι η καλή επαναληψιµότητα κοστίζει πολύ και ότι η καλή ακρίβεια κοστίζει ακόµη περισσότερο. Είναι σπατάλη να εγκαθιστούµε ένα όργανο µε υψηλή επαναληψιµότητα στην θέση ενός φθηνότερου το οποίο θα έκανε την δουλειά ικανοποιητικά. Είναι επίσης σπατάλη η εγκατάσταση ενός οργάνου υψηλής ακρίβειας και µε βαθµονόµηση µε υψηλά πρότυπα αν το µόνο που χρειαζόµαστε είναι καλή επαναληψιµότητα η οποία για παράδειγµα είναι αρκετή όταν η εφαρµογή έχει να κάνει µε εργασίες ελέγχου. Ωστόσο η υψηλή ακρίβεια είναι απαραίτητη όταν οι µετρήσεις χρησιµοποιούνται για εµπορικούς σκοπούς. Ο καλύτερος τρόπος για την διασφάλιση υψηλής ακρίβειας είναι µε την χρήση ενός µετρητή µε µεγάλη επαναληψιµότητα σε συνδυασµό συσκευή βαθµονόµησης η οποία θα χρησιµοποιείται αποκλειστικά για τον σκοπό αυτό. Η λέξη «ακρίβεια» είναι ποιοτική και δεν θα πρέπει να χρησιµοποιείται ποσοτικά. Αυτό σηµειώνεται διότι ο όρος χρησιµοποιείται µε πολλούς διαφορετικές έννοιες. Ο όρος που χρησιµοποιείται διεθνώς για την «µέτρηση» της ακρίβειας ή της ανακρίβειας µιας µέτρησης είναι η «αβεβαιότητα». Ο όρος αυτός έχει πολύ συγκεκριµένη σηµασία και θα πρέπει να χρησιµοποιείται για όλες τις µετρήσεις ροής Περιοχή Λειτουργίας. Η περιοχή λειτουργίας ενός οργάνου ορίζεται ως το εύρος στο οποίο το όργανο ικανοποιεί µερικές ειδικά ορισµένες απαιτήσεις ακρίβειας, Ο ορισµός αυτός φαίνεται στο σχήµα 5.10 όπου οι οριζόντιες γραµµές Α και Β αναπαριστούν τα επιτρεπόµενα όρια ακρίβειας και κατά συνέπεια η περιοχή λειτουργίας εκτείνεται από το Q 1 έως το Q 2. Ο λόγος Q 2 / Q 1, αποτελεί έναν δείκτη της ικανότητα εύρους ενός οργάνου.

63 P a g e Γραµµικότητα Η γραµµικότητα ενός οργάνου, είναι ένα µέτρο της έκτασης, στην οποία η α- πόδοση στην περιοχή λειτουργίας αποκλίνει από την ιδανική. Στο σχήµα 5.10 όπου τα όρια της ακρίβειας έχουν σχεδιαστεί µε εύρος 2 δκ η γραµµικότητα είναι ±δκ. Συνήθως η γραµµικότητα εκφράζεται ως ποσοστό της ονοµαστικής τιµής του συντελεστή Κ, είναι δηλαδή Κ n ως 100δΚ/ Κ n %.

64 Σχήµα 5.11: Σύγκριση µεταξύ ακρίβειας και επαναληψιµότητας P a g e 59

65 P a g e 60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Τύποι Μετρητών Αερίου Στην συνέχεια δίνονται αναλυτικά οι βασικοί τύποι µετρητών οι οποίοι χρησι- µοποιούνται συνηθέστερα στην µέτρηση Φυσικού Αερίου και οι αρχές λειτουργίας αυτών Orifice Plate O µετρητής orifice στην πραγµατικότητα είναι ένας κλειστός αγωγός (σωλήνας) και µια στένωση στην διατοµή του, ώστε να δηµιουργείται πτώση πίεσης κατά την διέλευση του ρευστού από την στένωση αυτή. Η κλεψύδρα είναι ένα απλό παράδειγµα µετρητή orifice. Η στένωση αυτή µπορεί να είναι ένα ακροφύσιο venturi ή ένας κατάλληλα διαµορφωµένος δίσκος µε συγκεκριµένα γεωµετρικά χαρακτηριστικά (µε αιχµηρά τελειώµατα) ο οποίος χρησιµοποιείται ως µέσο περιορισµού της ροής µε την µείωση της διατοµής του µετρητικού αγωγού στον οποίο εφαρµόζεται.στην Εικόνα 2 φαίνεται σε τοµή η στένωση που δηµιουργεί στην µετρητική σωλήνα, ο µετρητικός δίσκος µε τα συγκεκριµένα γεωµετρικά χαρακτηριστικά και αιχµηρά τελειώµατα ακµών. Εικόνα 2: Όψη Μετρητικού ίσκου τοποθετηµένου στην Μετρητική Σωλήνα [Αρχείο ΕΣΦΑ]

66 P a g e 61 Για να µπορεί να χρησιµοποιηθεί η συσκευή αυτή για µέτρηση, είναι απαραίτητο πρωτίστως να βαθµονοµηθεί εµπειρικά. Βαθµονόµηση στην περίπτωση αυτή σηµαίνει η διέλευση ρευστού γνωστού όγκου από τον µετρητή και η ση- µείωση της αντίστοιχης ένδειξης ώστε να έχουµε µια πρότυπη αναφορά για την µέτρηση άλλων ποσοτήτων. Για λόγους τυποποίησης και µε κριτήρια την εύκολη αναπαραγωγή αλλά και την απλότητα της κατασκευής, ο λεπτός δίσκος µε τα συγκεκριµένα γεωµετρικά χαρακτηριστικά, υιοθετήθηκε ως πρότυπο µέτρησης. Ακολούθησαν εκτενής εργασίες βαθµονόµησης έτσι ώστε να γίνει ευρέως αποδεκτός ως µια α- ναγνωρισµένη µέθοδος µέτρησης ρευστών. ιασφαλίζοντας ότι η κατασκευή έχει γίνει σύµφωνα µε τα ισχύοντα πρότυπα δεν απαιτείται επιπρόσθετη διακρίβωση κατά την λειτουργία του. Έτσι λοιπόν, ένας σηµαντικός συντελεστής που υπεισέρχεται στην εξίσωση υπολογισµού της παροχής των µετρητών αυτών είναι ο συντελεστής εκτόνωσης (coefficient of discharge), ο οποίος είναι ένας διορθωτικός συντελεστής για τις πραγµατικές συνθήκες λειτουργίας. Ο συντελεστής παροχής υπολογίζεται είτε από εµπειρική εξίσωση που έχει προκύψει από εκτεταµένες µετρήσεις σε ιδανικές συνθήκες λειτουργίας (πλήρης ανεπτυγµένη τυρβώδης και σταθερή ροή), είτε προκύπτει κατόπιν διακρίβωσης του κάθε µετρητή. Ασφαλώς όπου είναι τεχνικά δυνατό, η µέθοδος της επί τόπου διακρίβωσης είναι προτιµότερη αφού λαµβάνει υπόψη τις πραγµατικές παραµέτρους σχεδιασµού και λειτουργίας του µετρητή και έτσι µειώνει σηµαντικά την αβεβαιότητα της µέτρησης. Στο σχήµα 6.1 φαίνεται ένας µετρητικός δίσκος εγκατεστηµένος σε αγωγό και ένα µανόµετρο το οποίο µετρά την πτώση πίεσης η οποία αναπτύσσεται εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου (διαφορική πίεση) κατά την διέλευση του ρευστού. Η ελάχιστη διατοµή του προφίλ της ροής κατά την εκροή είναι γνωστή ως vena contracta. Στο σηµείο της vena contracta το αέριο αποκτά την µέγιστη ταχύτητα του (ελάχιστη πίεση).

67 P a g e 62 Σχήµα 6.1: Τυπικό Προφίλ Ροής από Orifice Μετρητή. [Fundamentals of Orifice Meter Measurement, σελ.3, Αρχή Λειτουργίας Μετρητή Orifice Καθώς το ρευστό προσεγγίζει τον µετρητικό δίσκο η πίεση αυξάνεται ελαφρώς και µετά πέφτει απότοµα µε την διέλευση του από την οπή του µετρητικού δίσκου. Η πίεση συνεχίζει να πέφτει µέχρι τo σηµείο όπου έχουµε την vena contracta και στην συνέχεια ακολουθεί η βαθµιαία αύξηση της πίεσης µέχρι την απόσταση των 5 µε 8 διαµέτρων (5-8D) κατάντη του µετρητικού δίσκου, όπου η πίεση λαµβάνει πλέον την µέγιστη της τιµή. Η τιµή αυτή της πίεσης είναι µικρότερη από την τιµή της πίεσης πριν τον µετρητικό δίσκο. Η πτώση στην πίεση κατά την διέλευση του ρευστού µέσα από την οπή του µετρητικού δίσκου είναι αποτέλεσµα της αύξησης της ταχύτητας του αερίου το οποίο διέρχεται µέσα την από την στένωση που προκαλεί ο µετρητικός δίσκος στον αγωγό. Όταν η ταχύτητα αρχίζει να µειώνεται καθώς το ρευστό αποµακρύνεται από τον µετρητικό δίσκο η πίεση αυξάνεται σταδιακά και τείνει να επανέλθει στο αρχικό της επίπεδο. Η πίεση, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, δεν επανακτάται πλήρως λόγω απωλειών που οφείλονται σε φαινόµενα τριβών και τυρβώδης ροή που αναπτύσσονται στην µετρητική γραµµή. Η πτώση πίεσης εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου ( P στο σχήµα 6.1) αυξάνεται όταν αυξάνεται και η παροχή. Ό- ταν δεν υπάρχει ροή τότε είναι σαφές ότι δεν υπάρχει και διαφορική πίεση.

68 P a g e 63 Αποδεικνύεται ότι η παροχή είναι ανάλογη µε την τετραγωνική ρίζα της διαφορικής πίεσης Βασικές Σχέσεις Υπολογισµού Ροής Το πρότυπα που διέπουν την µέτρηση µε τον µετρητή Orifice είναι το πρότυπο AGA Report No3, το πρότυπο API 14.3 και το EN ΙSO Το AGA report #3 δίνει οδηγίες για την κατασκευή και την εγκατάσταση των µετρητών orifice. Τα πρότυπα πρέπει να ακολουθούνται µε συνέπεια ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυµητή ακρίβεια στην µέτρηση. Το EN ΙSO ορίζει την γεω- µετρία και τις συνθήκες εγκατάστασης και λειτουργίας των συστηµάτων µέτρησης ροής διαφορικής πίεσης. Ο υπολογισµός της ροής µάζας ή όγκου προϋποθέτει ως δεδοµένα ένα πλήθος πληροφοριών που έχουν σχέση µε τις φυσικές ιδιότητες που αφορούν τις διαστάσεις του µετρητή και του φυσικού αερίου που είναι το ρευστό σε κατάσταση ροής. Η εφαρµογή του προτύπου αυτού δίνει λιτές και σαφείς ρυθµιστικές οδηγίες για ακριβή µέτρηση υποηχητικής, ροής ρευστού το οποίο βρίσκεται σε µονή φάση, στην περίπτωση µας ροή αερίου σε αέρια φάση. Έτσι λοιπόν στην περίπτωση του µετρητικού αγωγού του οποίου η διατοµή µεταβάλλεται µε την παρουσία του µετρητικού δίσκου, εφαρµόζοντας την ε- νεργειακή εξίσωση του Bernoulli στην διατοµή του αγωγού και του µετρητικού δίσκου θα έχουµε ότι: ιατοµή Αγωγού (p) 1 2 m v 2 + p P p V = ol 1 2 ιατοµή Μετρητικού δίσκου (ο) m v 2 + o P o V ol (Σ6.1) Η πυκνότητα συνδέεται µε την µάζα µε το όγκο σύµφωνα µε την σχέση: µ άζα ( m) πυκν ότητα( ρ) = (Σ6.2) όγκος( V ) ιαιρώντας τα δύο µέλη της εξίσωσης µε τον όγκο και µε βάση την εξίσωση (Σ6.1) θα έχουµε ότι: Από την (Σ6.3) έχουµε λοιπόν ότι: 1 1 ρ v 2 + P = ρ v 2 + P 2 p p 2 o o (Σ6.3)

69 P a g e p v o v o P p P = ρ ρ (Σ6.4) Η (Σ6.) γράφεται αλλιώς ) 2 2 ( 2 1 p v o v P = ρ (Σ6.5) Όπου («ο» συνθήκες µετρητικού δίσκου, «p» συνθήκες µετρητικής γραµµής) P: η πίεση στον αγωγό m: η µάζα του ρευστού V: o όγκος του ρευστού Ρ: η πυκνότητα του ρευστού v: η ταχύτητα της ροής του ρευστού Ας θεωρήσουµε δύο διατοµές στον αγωγό Η πρώτη διατοµή στην πλήρη εσωτερική διάµετρο του αγωγού (A p ) H δεύτερη διατοµή στην πλήρη εσωτερική διάµετρο του µετρητικού δίσκου (A ο ) Θεωρώντας σταθερή ροή όγκου ασυµπίεστου ρευστού τότε στην περίπτωση αυτή ή παροχή του όγκου δίνεται από την σχέση: o o p p v v A v A Q = = (Σ6.6) Έτσι λοιπόν από την (Σ6.6) θα έχουµε ότι: o p O p v A A v = (Σ6.7) Όπου Q v = η παροχή του όγκου Α = το εµβαδό της επιφάνειας της αντίστοιχης διατοµής V= η ταχύτητα της ροής Με τον συνδυασµό της εξίσωσης (Σ6.7) και (Σ6.5) θα έχουµε ότι Α Α = o p v o v P ο ρ => Α Α = o p v o v P ο ρ =>

70 P a g e 65 => 2 P ρ 2 2 Α = v o v o Α ο p 2 => 2 P ρ = 2 v o Α 1 Α ο p 2 => => v 2 o 2 P 1 ρ (Σ6.8) Αο 1 Α p = 2 Ως λόγος βήτα (β) (beta ratio),ορίζεται ο λόγος της εσωτερικής διάµετρο d p, του αγωγού προς την διάµετρο d o της οπής του µετρητικού δίσκου. Είναι δηλαδή: d d o β = (Σ6.9) Επίσης από τον τύπο του εµβαδού κύκλου θα έχουµε για την επιφάνειαα p της διατοµής του αγωγού εσωτερικής διαµέτρου d p ότι: p p 2 ( d ) Α = π (Σ6.10) 4 p Ενώ αντίστοιχα για την επιφάνειαα ο της οπής διαµέτρου d o του µετρητικού δίσκου θα έχουµε: ο ( π 2 d ) Α = (Σ6.11) 4 ο Έτσι λοιπόν σύµφωνα από τις εξισώσεις (Σ6.9), (Σ6.10) & (Σ6.11) θα έχουµε ότι Α Α = ( π 2 do) 2 ( π d p) 2 ( do) 2 ( d ) 2 2 ( do) 2 ( d ) ο = p 4 Α ο 4 = = β (Σ6.12) p 4 Α p p Έτσι λοιπόν µε αντικατάσταση της (Σ6.12) στην (Σ6.8) θα έχουµε ότι: 2 P 1 ρ β 2 v o = => 4 ( 1 ) 1 2 (2 P) 1 => v o = 1 1 => 2 4 ( ρ) ( 1 β ) 2 2

71 P a g e ( 2 P) 4 v o = 1 β (Σ6.13) 2 ( ρ) => ( ) 1 2 Η εξίσωση (Σ6.13) µας δίνει την ταχύτητα της ροής του ρευστού στον µετρητικό δίσκο v o 1 4 Σηµειώνεται ότι ό όρος της εξίσωσης (Σ6.13) ( 1 ) 2 β είναι γνωστός ως συντελεστής Ε και ονοµάζεται συντελεστής «ταχύτητας προσέγγισης» είναι δηλαδή: Παροχή όγκου Q v Ε= 1 4 ( 1 ) 2 β (Σ6.14) Έτσι λοιπόν από τις εξισώσεις (Σ6.6), (Σ6.11), (Σ6.13) & (Σ6.15) θα έχουµε για την παροχή του όγκου ότι: 1 2 (2 P) π 2 Q v = E d 1 ο ( Σ6.15) 2 4 ( ρ) Πολλαπλασιάζοντας και τα δύο µέλη της εξίσωσης (Σ6.15) µε την πυκνότητα ρ θα έχουµε την παροχή µάζας 1 2 π 2 Q m = ( 2 P ρ) E dο => 4 π Qmτου ρευστού η οποία θα είναι ίση µε: 2 => Q m = E dο (2 P ρ) (Σ6.16) 4 Από το πρότυπο ISO , έχουµε ότι η παροχή µάζας δίνεται από την σχέση: 1 π Q m = C E ε dο (2 P ρ) 10 (Σ6.17) 4 Συγκρίνοντας την σχέση παροχής µάζας (Σ6.17) που δίνει το πρότυπο και στην σχέση (Σ6.16) στην οποία έχουµε καταλήξει σύµφωνα µε τις παραδοχές της παραπάνω προσέγγισης έχουµε να παρατηρήσουµε τις παρακάτω διαφορές: 1 2

72 P a g e 67 Συντελεστής Εκτόνωσης (C) O συντελεστής εκτόνωσης (C) εξαρτάται από τον λόγο β, την θέση των ση- µείων µέτρησης της πίεσης στον αγωγό και για µετρητές µε τυρβώδη ροή όπως ο µετρητικός δίσκος από τον αριθµό Reynolds. Συντελεστής ιαστολής (ε) Ο όγκος ενός ρευστού µεταβάλλεται κάτω από διαφορετικές πιέσεις, Σε χαµηλότερη πίεση η πυκνότητα δεν είναι η ίδια και στα δύο σηµεία µέτρησης της πίεσης στον µετρητικό δίσκο. Ο συντελεστής διαστολής εφαρµόζεται για την διόρθωση του σφάλµατος αυτού. Ο συντελεστής διαστολής εξαρτάται από τον ισεντροπικό δείκτη του ρευστού, τον λόγο της διαφορικής πίεσης που αναπτύσσεται εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου προς την στατική πίεση της µετρητικής γραµµής και από τον λόγο της διαµέτρου της οπής του µετρητικού δίσκου προς την εσωτερική διάµετρο του µετρητικού αγωγού (λόγος β) Μονάδες ISO 5167 Το πρότυπο ISO 5167 χρησιµοποιεί τις µονάδες στο ιεθνές Σύστηµα SI. Το θεµελιώδες µέγεθος για την διαφορική πίεση είναι το Pascal και για το µήκος τα µέτρα. Συνήθως εισάγεται στις µετρήσεις η διαφορική πίεση µε µονάδα τα mbar (1mbar =100 Pa) και οι διστάσεις του µετρητικού δίσκου και της µετρητικής γραµµής εκφράζονται σε mm. Έτσι λοιπόν στην εξίσωση (Σ6.17) ο αριθ- µός 10-5 προκύπτει από την διόρθωση στις σωστές µονάδες µέτρησης (10-6 *10=10-5 ). Σηµειώνεται ότι η παροχή µάζας δίνεται σε µονάδες kg/secs. Μετρητικός ίσκος Υπάρχουν διάφοροι τύποι µετρητικών δίσκων, µε την έννοια ότι στη πραγµατικότητα χρησιµοποιούνται διαφορετικά προφίλ µετρητικών δίσκων όπως επίσης σύµφωνα µε τις προδιαγραφές των προτύπων υπάρχουν εναλλακτικές θέσεις για τις συνδέσεις λήψης και µέτρησης της πίεσης εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου. Το σύνηθες προφίλ που χρησιµοποιείται στους µετρητικούς δίσκους είναι αυτός µε την ορθή κόψη (σχήµα 6.2) Η πίσω όψη του δίσκου αυτού έχει συνήθως διαµόρφωση λοξής κοπής εκτός και αν ο δίσκος είναι πολύ λεπτός. Στο σχήµα 6.3 φαίνονται µετρητικοί δίσκοι διαφορετικών διαµέτρων.

73 P a g e 68 Σχήµα 6.2 Μετρητικός δίσκος µε φλαντζωτά σηµεία λήψης πίεσης.

74 P a g e 69 Σχήµα 6.3: Μετρητικοί ίσκοι διαφορετικών διαµέτρων [Αρχείο ΕΣΦΑ ΑΕ] Στο σχήµα 6.4 που ακολουθεί φαίνονται οι διαστάσεις του µετρητικού δίσκου. Όπου λοιπόν Ε είναι το πάχος του δίσκου, e είναι το πάχος της διαµόρφωσης. Η γωνία της λοξής διαµόρφωσης είναι η α, ενώ d είναι η διάµετρος της οπής του δίσκου και D η εσωτερική διάµετρος της µετρητικής σωλήνας. Η όψη 1 του µετρητικού δίσκου στο σχήµα 6.5, έχει «µέτωπο» στην ροή ενώ η όψη 2 έχει «πλάτη» στην ροή. Τέλος τα G, H, I είναι τα τελειώµατα της διαµόρφωσης του µετρητικού δίσκου. Σχήµα 6.4: ιαστάσεις Μετρητικού ίσκου Σχετικά µε τις λήψεις πίεσης (pressure tappings) προβλέπονται τρείς διαφορετικές εναλλακτικές θέσεις, οι οποίες όπως φαίνεται και στο σχήµα 6.6 είναι οι γωνιακές, οι φλαντζωτές και οι D και D/2. Η επιλογή τους είναι κυρίως θέµα

75 P a g e 70 παράδοσης και διευκόλυνσης στην εφαρµοσµένη µηχανική. Η εµπειρία υποδεικνύει ότι οι λήψεις πίεσης σε απόσταση D και D/2 από τον µετρητικό δίσκο είναι γενικότερα λιγότερο ευαίσθητες σε στροβιλώδη ροή από ότι οι φλαντζωτές ή γωνιακές λήψεις πίεσης. Στην βιοµηχανία και στις Ηνωµένες Πολιτείες της Αµερικής συνήθως χρησιµοποιούνται οι φλαντζωτές λήψεις πίεσης. Το εξαιρετικό πλεονέκτηµα του µετρητικού δίσκου µε την ορθή κόψη είναι ότι είναι σχεδιασµένο και κατασκευασµένο σύµφωνα µε το πρότυπο EN ISO , µε συνέπεια ο συντελεστής εκτόνωσης C να προσδιορίζεται ε- µπειρικά από µια ιεθνώς αναγνωρισµένη εξίσωση, αποφεύγοντας µε τον τρόπο αυτό την ανάγκη για Βαθµονόµηση του µετρητή. Κανένας άλλος τύπος µετρητή δεν έχει την δυνατότητα αυτή Σχήµα 6.5 Εναλλακτικές θέσεις λήψης πίεσης εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου. Εκτενές πρόγραµµα εργασιών διεθνούς εµβέλειας έχει οδηγήσει στην δηµιουργία νέας βάσης δεδοµένων για συντελεστές εκτόνωσης µετρητικών δίσκων µε λόγο διαµέτρων από 0.1 έως 0.75 µε αριθµούς Reynolds από 1700 έως 7x10 7 και διαµέτρους µετρητικής σωλήνας από 50 έως 600mm. Ως αποτέλεσµα της ανωτέρω εργασίας ήταν η αντικατάσταση της εξίσωσης Stolz για τον συντελεστή εκτόνωσης από την εξίσωση Reader Harris / Gallagher

76 P a g e 71 (1998). Αυτό συνέβη αρχικά µε την έκδοση της τροπολογίας 1 του προτύπου EN ISO που εκδόθηκε το 1998 και η ίδια εξίσωση επαναλαµβάνεται στο πρότυπο EN ISO Η εξίσωση Reader Harris / Gallagher (1998) έχει ως εξής: β C= β 0.216β + 0, ReD + β 1 β ( A ) β Re 4 10 L ' ' L1 1.3 ( e )(1 0.11A) 0.031( Μ Μ 2 ) β (Σ6.18) D Στην περίπτωση που D<71.12 mm (2.8 inch) θα πρέπει να προστεθεί στην ανωτέρω εξίσωση ο όρος D (0.75 β ) 2.8 (D:mm) (Σ6.19) 25.4 Στην εξίσωση αυτή Re D είναι ο αριθµός Reynolds ο οποίος σχετίζεται µε την διάµετρο D L 1 =l 1 /D είναι το πηλίκο της απόστασης του σηµείου λήψης πίεσης ανάντη του µετρητικού δίσκου πάνω από την πλευρά που έχει µέτωπο στην ροή προς την διάµετρο του µετρητικού αγωγού. L 2=l 2/D είναι το πηλίκο της απόστασης του σηµείου λήψης πίεσης κατάντη του µετρητικού δίσκου πίσω από την πλευρά που έχει πλάτη στην ροή προς την διάµετρο του µετρητικού αγωγού. Είναι: Μ 2=2L 2/(1-β) (Σ6.20) και Α =(19000β/ Re D )^0.8 (Σ6.21) Τα όρια χρήσης σε όρους αριθµού Reynolds και τραχύτητας αγωγού, δίνονται στο πρότυπο EN ISO To πρότυπο επίσης δίνει τα απαιτούµενα ευθύγραµµα µήκη ανάντη και κατάντη του µετρητικού δίσκου µε την χρήση ή χωρίς ευθυγραµιστή ροής.

77 P a g e 72 Στο σχήµα 6.6 φαίνονται οι διαστάσεις των µετρητικών γραµµών που είναι ε- γκατεστηµένες στο µετρητικό σύστηµα του Μετρητικού Σταθµού Συνόρων. Σχήµα 6.6: ιαστάσεις Μετρητικής Γραµµής ΜΣΣ [Αρχείο ΕΣΦΑ Α.Ε.]

78 P a g e 73 Τα πρόσφατα χρόνια επιπρόσθετα της εργασίας που έχει πραγµατοποιηθεί για τον συντελεστή εκτόνωσης στους µετρητικούς δίσκους, έχει γίνει σηµαντική δουλειά σχετικά µε τις επιπτώσεις που έχει η εγκατάσταση στους µετρητές orifice, αναφορικά µε τη τραχύτητα του µετρητικού αγωγού και την διόρθωση της θερµοκρασίας µεταξύ των δύο σηµείων λήψης πίεσης εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου. Όλα αυτά περιλαµβάνονται στην αναθεώρηση του προτύπου EN ISO Το νέο πρότυπο ενθαρρύνει τον χρήστη να χρησιµοποιήσει ευθυγραµιστές ροής και συµπεριλαµβάνει την νέα εµπειρική εξίσωση υπολογισµού του συντελεστή διαστολής που χρησιµοποιείται και για τους τρείς εναλλακτικούς τύπους λήψης πίεσης εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου και είναι: 1/ k 4 8 p 2 ε = 1 ( β β ) 1 (Σ6.22) p1 Στον ΜΣΣ η έκδοση του προτύπου που χρησιµοποιείται είναι το ISO 5167: ευτερεύων Εξοπλισµός Μέτρησης Θεµελιώδης έννοιες Ο όρος «δευτερεύων εξοπλισµός», αναφέρεται σε επιπρόσθετες συσκευές οι οποίες απαιτούνται για την εκτέλεση της µέτρησης µιας συγκεκριµένης ποσότητας από το σήµα το οποίο παράγεται από το πρωτεύων αισθητήριο όργανο. Γενικά, στην περίπτωση που η µέτρηση αφορά εµπορικούς ή οικονοµικούς σκοπούς, τότε αυτή εκτελείται από ειδικά όργανα και µε επεξεργασία των σχετικών σηµάτων. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στα κατάλληλα πρότυπα και κώδικες για την διασφάλιση ότι η µέθοδος της µέτρησης θα υποστηρίζεται από ήδη εφαρµοζόµενη πρακτική και εµπειρία. Επιπρόσθετα στην περίπτωση που οι µετρήσεις που πραγµατοποιεί το µετρητικό σύστηµα, χρησιµοποιούνται για εµπορικούς σκοπούς, ο µετρητικός εξοπλισµός αλλά και η µέθοδος µέτρησης, θα πρέπει να είναι συµβατά µε τις απαιτήσεις της ρυθµιστικής αρχής όπως επίσης και µε απαιτούµενα επίπεδα ασφάλειας των δεδοµένων της εφαρµογής.

79 P a g e Πρωτεύων και ευτερεύων Εξοπλισµός Όπως υποδηλώνει και το όνοµα ο πρωτεύων εξοπλισµός είναι ο βασικός µετρητής µέσα από τον οποίο περνά η ροή του ρευστού. Γενικά, οι πρωτοβάθµιοι ανιχνευτές ροής ενώ παράγουν ένα αυτόνοµο µετρήσιµο αποτέλεσµα, τις περισσότερες φορές δεν έχουν δική τους ένδειξη και κατά συνέπεια το µετρούµενο αυτό αποτέλεσµα θα πρέπει να µεταφραστεί κατάλληλα για να παρέχει µια ουσιαστική µέτρηση ροής ρευστού. Ο επιπρόσθετος εξοπλισµός που απαιτείται για την επεξεργασία και την ένδειξη των σηµάτων που παράγονται από τον πρωτεύων στοιχείο µέτρησης καλείται δευτερεύων εξοπλισµός µέτρησης. Ο µετρητής orifice είναι ένας συνήθης µετρητής και δίνει ένα καλό παράδειγµα εξοπλισµού οργάνων όπως επίσης και τις κατάλληλες συνδέσεις που απαιτούνται σε ένα µετρητικό σύστηµα κοστολόγησης. Ένα παράδειγµα συνδεσµολογίας φαίνεται στο σχήµα 6.7. Σχήµα 6.7: Εξοπλισµός Μετρητικού Συστήµατος Orifice

80 P a g e 75 Τα συστατικά στοιχεία του συστήµατος του σχήµατος 6.7 έχουν ως εξής: Μετρητικός ίσκος Η πρωτεύων στοιχείο µέτρησης είναι ο µετρητικός δίσκος, ο οποίος εισέρχεται στον σωληνωτό αγωγό για την παραγωγή της διαφορικής πίεσης p κατά την διέλευση του ρευστού µέσα από αυτό. Μεταδότης ιαφορικής πίεσης Ο µεταδότης διαφορικής πίεσης, µετρά την διαφορική πίεση p που αναπτύσσεται εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου και παράγει ένα ισοδύναµο ηλεκτρικό σήµα. Ο εσωτερικός µεταδότης της συσκευής µετατρέπει το σήµα της πίεσης σε ένα ανάλογο ηλεκτρικό ρεύµα για την µετάδοση του µέσα από ένα ηλεκτρικό κύκλωµα 2 καλωδίων. Αντίσταση R Το φορτίο της αντίστασης R χρησιµοποιείται για την µετατροπή του σήµατος από ρεύµα στην αντίστοιχη τάση, δηλαδή από 4-20 ma σε 1-5Volts. Μεταδότης Στατικής Πίεσης P O µεταδότης στατικής πίεσης λειτουργεί οµοίως µε τον µεταδότη διαφορικής πίεση. Θερµοστοιχείο -Τ Ο ανιχνευτής της θερµοκρασίας εισέρχεται µέσα στην ροή του ρευστού. Οι µεταβολές στην θερµοκρασία του ρευστού προκαλούν µεταβολές στην ηλεκτρική αντίσταση του θερµοστοιχείου. Ο εσωτερικός µεταδότης της συσκευής µετρά την αντίσταση και την µετατρέπει σε ανάλογο ηλεκτρικό σήµα για την µετάδοση. Πυκνόµετρο Το πυκνόµετρο παράγει ένα συνεχές περιοδικό σήµα (συχνότητα) ανάλογο προς την πυκνότητα του ρευστού. Μετατροπέας Α/D Ο µετατροπέας αναλογικού σήµατος σε ψηφιακό σήµα, µετατρέπει τα σήµατα τάσης (V) τα οποία αναπαριστούν την ιαφορική πίεση P, την Στατική πίεση P και την θερµοκρασία T, σε ψηφιακά για την επεξεργασία τους στον Υπολογιστή Ροής. Υπολογιστής Ροής

81 P a g e 76 Ο Υπολογιστής ροής είναι ο τελικός αποδέκτης όλων των διαφόρων ηλεκτρονικών σηµάτων τα οποία καταγράφει σε προκαθορισµένο ρυθµό και µε την κατάλληλη ανάλυση. Αυτές οι τιµές χρησιµοποιούνται για τον υπολογισµό της παροχής της µάζας στις κανονικές ή άλλες πρότυπες µονάδες. Το πρωτεύων στοιχείο µετρητή θα µπορούσε να έχει την δυνατότητα να παράγει ένα περιοδικό σήµα (συχνότητα ή παλµό) όπως για παράδειγµα ο µετρητής τουρµπίνας. Η αρχή θα ήταν παρόµοια εκτός από το ότι οι επιπρόσθετες παράµετροι δεν θα ήταν απαραίτητοι και ένας ενισχυτής παλµών θα αντικαθιστούσε τον µεταδότη αναλογικού σήµατος. Η µεγάλη χρήση των ενσωµατωµένων µικροεπεξεργαστών και µικροελεγκτών είχε ως αποτέλεσµα την παραγωγή της γενιάς των λεγόµενων «έξυπνων» (smart) οργάνων που έχουν πλέον την ικανότητα να επικοινωνούν απευθείας µε τους υπολογιστές ροής µέσω σειριακών συνδέσεων. Πέρα από την βελτιωµένη ακρίβεια των οργάνων αυτών, η µεταφορά της πληροφορίας µε την χρήση σειριακής σύνδεσης δεδοµένων δίνει την δυνατότητα για επίτευξη υψηλότερης συνολικής επίδοσης του συστήµατος. Τα όργανα αυτά επίσης διαθέτουν την δυνατότητα τοπικής σύνδεσης µε τους αισθητήρες για την πραγµατοποίηση των υπολογισµών µε τον παραδοσιακό τρόπο Απαιτήσεις Μέτρησης Όλα τα ρευστά παρουσιάζουν µεταβολές στον όγκο, την πυκνότητα και το ι- ξώδες ανάλογα µε την θερµοκρασία και την πίεση. Κατά συνέπεια η ακριβής µέτρηση της παροχής µάζας ενός ρευστού το οποίο µετράται ογκοµετρικά προϋποθέτει γνώση των µετρούµενων συνθηκών. Για παράδειγµα 1000 m 3 ρευστού σε συνθήκες θερµοκρασίας 20 ο C και πίεσης 10 bar, περιέχει πού περισσότερη µάζα από τον ίδιο όγκο των 1000 m 3 σε συνθήκες θερµοκρασίας 50 ο C και πίεσης 1 bar. Για τον παραπάνω λόγο σε µετρήσεις για εµπορικούς σκοπούς, οι ποσότητες αναφέρονται σε συγκεκριµένες συνθήκες αναφοράς. Για τις µετρήσεις κοστολόγησης υδρογονανθράκων όπως είναι και το φυσικό αέριο χρησιµοποιούνται οι παρακάτω συνθήκες αναφοράς ανάλογα µε την περίπτωση Μετρικές Συνθήκες Standard Conditions

82 P a g e 77 θερµοκρασία 15 ο C και πίεση bar Κανονικές Συνθήκες Normal Conditions θερµοκρασία 0 ο C και πίεση bar Συνθήκες Συµβολαίου Contract Conditions θερµοκρασία 20 ο C και πίεση bar Έτσι λοιπόν γίνεται αντιληπτό το γεγονός ότι η µέτρηση της πίεσης της θερ- µοκρασίας, της πυκνότητας και της ποιότητας του αέριου είναι εξίσου σηµαντικά στο τελικό αποτέλεσµα όσο και η απόδοση του πρωτεύοντος στοιχείου µέτρησης. Στην διαδικασία της µέτρησης ζωτικής σηµασίας αποτελούν οι παράγοντες όπως, η αδιάλειπτη µετάδοση των πληροφοριών, οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται για την µετάφραση των πληροφοριών, η ταχύτητα προσπέλασης των δεδοµένων, η απαραίτητη ανάλυση που πρέπει να έχουν, η εγκυρότητα τους, ο έλεγχος των υπολογισµών και τέλος η διαδικασία της επίσης καταχώρησης τους. Σήµερα υπάρχει δυνατότητα µε την χρήση του διαθέσιµου εξοπλισµού, µετρήσεων σε πραγµατικό χρόνο, των χαρακτηριστικών µεγεθών του ρευστού όπως είναι η σύσταση, η περιεχόµενη ενέργεια, το ιξώδες κλπ και αυτές οι µετρήσεις µπορούν να ενσωµατωθούν σε ένα µετρητικό σύστηµα ροής. Ωστόσο όσο αφορά αποκλειστικά τους µετρητές διαφορικής πίεσης και τους µετρητές όγκου οι βασικές µετρήσεις που απαιτούνται συνοψίζονται στα παρακάτω: ιαφορική πίεση Στατική πίεση Θερµοκρασία Πυκνότητα Ειδικά θέµατα µετρητή Orifice-συµπεράσµατα Αβεβαιότητα µέτρησης ροής µε µετρητή Orifice Οι µετρητές Orifice είναι από τους πιο συχνά χρησιµοποιούµενους µετρητές στην µέτρηση παροχής ρευστών, ειδικά στην µέτρηση υδρογονανθράκων. Η κατασκευή των µετρητών αυτών χαρακτηρίζεται για την µηχανική τους αντοχή

83 P a g e 78 και απλότητα του σχεδιασµού τους και είναι κατάλληλοι για χρήση στο πεδίο, κάτω από αντίξοες καιρικές συνθήκες. Η πολυετής χρήση των µετρητών αυτών σε ένα ευρύ φάσµα από άποψη µεγέθους µετρητών αλλά και εφαρµογής σε διαφορετικά ρευστά, σε συνδυασµό µε την διενέργεια πολλών πειραµατικών δοκιµών είχε ως αποτέλεσµα τον προσδιορισµό όλων των σηµαντικών εκείνων συντελεστών που συνεισφέρουν στην αβεβαιότητα των µετρητών orifice. Η µακρόχρονη χρήση του, αλλά και η κυριαρχία του µετρητή στην µέτρηση των ρευστών είχε επίσης ως αποτέλεσµα την τυποποίηση θεµάτων όπως ο σχεδιασµός, οι απαιτήσεις της εγκατάστασης τους αλλά και οι εξισώσεις υπολογισµού της παροχής που διέπουν τους µετρητές αυτούς, από πολλούς οργανισµούς παγκοσµίως. Τα πρότυπα αυτά παρέχουν οδηγίες στους χρήστες για την επίτευξη µετρήσεων µε υψηλή ακρίβεια και την ελαχιστοποίηση της αβεβαιότητας της µέτρησης. Στην συνέχεια αναλύονται οι διάφοροι παράγοντες οι οποίοι συµβάλλουν στα σφάλµατα της µέτρησης και δίνονται οι πληροφορίες για την ελαχιστοποίηση ή ακόµη και εξάλειψη των σφαλµάτων αυτών. Πολλοί από τους συντελεστές οι οποίοι επηρεάζουν την συνολική αβεβαιότητα της µέτρησης συνδέονται µε την εφαρµογή του µετρητή orifice. Στους σηµαντικούς συντελεστές που συµβάλουν στην αβεβαιότητα µέτρησης περιλαµβάνονται, η πρόβλεψη του προφίλ της ροής, οι ιδιότητες του ρευστού σε συνθήκες ροής, η ακρίβεια της εµπειρικής εξίσωσης για τον συντελεστή εκτόνωσης, οι κατασκευαστικές ανοχές των στοιχείων του µετρητή όπως επίσης και η αβεβαιότητα η οποία προέρχεται από δευτερεύοντες συσκευές ή όργανα οι οποίες χρησιµοποιούνται για την µέτρηση της στατικής πίεσης στην µετρητική γραµµή, την διαφορική πίεση εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου, την θερµοκρασία στην µετρητική γραµµή σε συνθήκες ροής. Μπορούµε χαρακτηριστικά να πούµε ότι ό µετρητής Orifice είναι µια συσκευή που «συγχωρεί» µια που στις περισσότερες εφαρµογές που έχει δοθεί η δέουσα προσοχή στην εγκατάσταση του µετρητή και των οργάνων που τον συνοδεύουν, η ακρίβεια στην µέτρηση είναι σταθερά καλύτερη από 1%. Σε περί-

84 P a g e 79 πτωση που το σφάλµα στην µέτρηση είναι µεγαλύτερο από 1% το πρώτο πράγµα που πρέπει να δει κάποιος είναι προφανή σφάλµατα στον τρόπο ε- γκατάστασης του µετρητή και των σχετικών οργάνων. Στην συνέχεια παρατίθενται σηµαντικοί συντελεστές οι οποίοι συνεισφέρουν στην αβεβαιότητα µέτρησης στην περίπτωση του λεπτού οµόκεντρου µετρητικού δίσκου µε την ορθογώνια κόψη, που επί της ουσίας πρόκειται για τον µετρητή που είναι εγκατεστηµένος στο µετρητικό σύστηµα του Μετρητικού Σταθµού Συνόρων στο Σιδηρόκαστρο. 1. Ανοχές στην πρόβλεψη της σταθεράς εκτόνωσης 2. Προβλεψιµότητα στον προσδιορισµό των φυσικών ιδιοτήτων του ρευστού. 3. Η κατάσταση ροής του ρευστού 4. Οι κατασκευαστικές ανοχές στα στοιχεία του µετρητή. 5. Αβεβαιότητα των δευτερευόντων συσκευών και οργάνων 6. Στο σύστηµα συλλογής των δεδοµένων και διενέργειας των υπολογισµών Σε κάθε µια από τις παραπάνω περιοχές πιθανού σφάλµατος, έχουν αναπτυχθεί διαφορετικοί συντελεστές σε συνδυασµό µε προληπτικά µέτρα και διαδικασίες εγκατάστασης, για την ελαχιστοποίηση ή εξάλειψη της αβεβαιότητας της µέτρησης Συντελεστής εκτόνωσης Η ανάπτυξη της βασικής εξίσωσης ροής για τον µετρητή orifice, βασίζεται σε νόµους της φυσικής. Κάθε ανάπτυξη εξίσωσης είναι ακριβής όταν όλες οι υ- ποθέσεις που υιοθετούνται για τον λόγο αυτό είναι σε ισχύ. Στην περίπτωση του µετρητή orifice η βασική εξίσωση, όπως είδαµε στο κεφάλαιο 3, βασίζεται σε απλοποιηµένες ιδιότητες ροής και των ρευστών και τροποποιείται µε έναν εµπειρικό τρόπο για να προσαρµόσει σύνθετες και πολυδιάστατες επιδράσεις του ιξώδους και της δυναµικής των ρευστών. Για τα συµπιεστά ρευστά εφαρµόζεται επιπρόσθετα στην εξίσωση ένας ε- µπειρικός συντελεστής διαστολής, στην εξίσωση του συντελεστή εκτόνωσης για την διόρθωση λόγω της µεταβολής της πυκνότητας του ρευστού η οποία οφείλεται σε µεταβολές της πίεσης εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου.

85 P a g e 80 Ποικίλες εξισώσεις συντελεστών εκτόνωσης χρησιµοποιούνται στα διάφορα πρότυπα που χρησιµοποιούνται. Στην περίπτωση του προτύπου API 14.3 Part I (AGA-3)-1990 η εµπειρική εξίσωση υπολογισµού του συντελεστή εκτόνωσης έχει αναπτυχθεί µέσα από µια µεγάλη βάση δεδοµένων µε ανεξάρτητες µεταβλητές οι οποίες ελέγχονται και έχουν ποσοτικοποιηθεί µε καλύτερο τρόπο. Αυτό βέβαια δεν σηµαίνει ότι άλλες βάσεις δεδοµένων ή εξισώσεις υ- στερούν ποιοτικά εκτός µερικών περιπτώσεων όπου είναι γνωστό ότι υπάρχει ανεπαρκής πληροφορία για διαφορετικές ανεξάρτητες µεταβλητές αυτών των βάσεων δεδοµένων. Ο συντελεστής εκτόνωσης του µετρητικού δίσκου (C d ) εκφράζει τον λόγο της πραγµατικής ροής προς την θεωρητική ροή και εφαρµόζεται στην εξίσωση υπολογισµού της θεωρητικής ροής για τον υπολογισµό της πραγµατικής ροής. Μια σηµαντική αδιάστατη παράµετρος ροής είναι ο αριθµός Reynolds, ο ο- ποίος εκφράζει τον λόγο της δύναµης αδράνειας προς την δύναµη ιξώδους για ροή ρευστού. Ο αριθµός Reynolds στην µετρητική γραµµή χρησιµοποιείται για τον συσχετισµό των µεταβολών στον συντελεστή εκτόνωσης (C d ) στον µετρητικό δίσκο µε τις µεταβολές στις ιδιότητες του ρευστού, στην παροχή, και την γεωµετρία του µετρητικού δίσκου. Υπάρχει ένα όριο στην τιµή του αριθµού Reynolds (4000) κάτω από το οποίο οι τυπικές εµπειρικές εξισώσεις του συντελεστή εκτόνωσης δεν ισχύουν µε το ίδιο επίπεδο αβεβαιότητας. Σε κανονικές λειτουργικές συνθήκες ροής αερίων, οι αριθµοί Reynolds σε α- γωγό είναι τάξεις µεγέθους µεγαλύτερες από αυτό το χαµηλό όριο των Ο συντελεστής εκτόνωσης είναι µια συνάρτηση του αριθµού Reynolds, ενώ ταυτόχρονα ο αριθµός Reynolds είναι συνάρτηση της παροχής η οποία υπολογίζεται µε την χρήση της τιµής του συντελεστή εκτόνωσης. Τα άσχηµα νέα είναι ότι ο καθορισµός της πραγµατικής παροχής είναι µια ε- παναληπτική διαδικασία υπολογισµού του αριθµού Reynolds και των αντίστοιχων συντελεστών εκτόνωσης. Τα καλά νέα είναι ότι σε πρακτικές εφαρµογές η τιµή του συντελεστή εκτόνωσης τείνει σε µία τελική τιµή έπειτα από τον πρώτο ή τον δεύτερο επαναληπτικό υπολογισµό.

86 P a g e 81 Για υπολογισµούς στο πεδίο από συστήµατα τα οποία βασίζονται στην χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή η λύση της επαναληπτικού υπολογισµού µπορεί εύκολα να επιτευχθεί κατά την διαδικασία συλλογής των στοιχείων. Στην περίπτωση που στους υπολογισµούς χρησιµοποιείται ο µέσος όρος της διαφορικής πίεσης ως αποτέλεσµα του µηχανικού καταγραφικού πίεσης (chart recorder) και µια σταθερή τιµή του συντελεστή εκτόνωσης, δεν θα µπορούσε να ήταν δυνατός ο υπολογισµός του αποτελέσµατος που έχει η µεταβολή της τιµής του συντελεστή εκτόνωσης στις διάφορες παροχές ροής. Έτσι λοιπόν η χρήση δεδοµένων µέσω όρων των τιµών διαφορικής πίεσης από µηχανικό καταγραφικό όργανο θα µπορούσε να εισάγει συγκεκριµένα σφάλµατα στην µέτρηση της ποσότητας. Όσο αφορά τις τιµές για τον αριθµό Reynolds για την µέγιστη και ελάχιστη τιµή διαφορικής πίεσης στο διάγραµµα του καταγραφικού η σχετική αβεβαιότητα στην µέτρηση µπορεί να προσδιοριστεί. Εδώ βέβαια πρέπει ακόµη µια φορά να σηµειωθεί ότι στις περισσότερες περιπτώσεις παροχής υδρογονανθράκων σε συνήθεις συνθήκες λειτουργίας, το σφάλµα αυτό είναι ελάχιστο Φυσικές Ιδιότητες Ροής Ρευστού Όλες οι εµπειρικές εξισώσεις και τα πρότυπα για τους οµόκεντρους µετρητικούς δίσκους µε ορθή κόψη, έχουν εφαρµογή σε σταθερές συνθήκες ροής ρευστών, τα οποία για πρακτικούς λόγους θεωρούνται ότι πρόκειται για Νευτωνιακά ρευστά τα οποία είναι καθαρά οµογενή και βρίσκονται σε µία φάση. Στις εφαρµογές φυσικού αερίου το αέριο θεωρείται ότι είναι Νευτωνιακό ρευστό. Στην πράξη, οι παροχές µερικών ρευστών εκφράζονται σε µονάδες όγκου σε συνθήκες αναφοράς. Οι συνθήκες αναφοράς µπορεί να διαφέρουν από χώρα σε χώρα ή ακόµη από βιοµηχανία σε βιοµηχανία. Η παροχή όγκου µετράται στις συνθήκες λειτουργίας της παροχής και στην συνέχεια µετατρέπεται σε κανονικό όγκο σε σχέση µε τις συνθήκες αναφοράς. Έτσι λοιπόν στην περίπτωση που η παροχή εκφράζεται σε µονάδες κανονικού όγκου θα πρέπει να ορίζονται οι συνθήκες αναφοράς της µέτρησης. Η µετατροπή της παροχής ό- γκου στην παροχή µάζας του ρευστού γίνεται µέσω της πυκνότητας του ρευστού. Στο σηµείο αυτό αναφέρεται για ακόµη µια φορά ότι η µετρούµενη δια-

87 P a g e 82 φορική πίεση για τον προσδιορισµό της παροχής όγκου εξαρτάται από την πυκνότητα του ρευστού. Η ακρίβεια της µέτρησης της πυκνότητας της παροχής αποτελεί σηµαντικό παράγοντα για την ακρίβεια της µέτρησης της παροχής. Στην πράξη, οι ιδιότητες του ρευστού ορίζονται ως συνάρτηση της πίεσης και θερµοκρασίας λειτουργίας οι οποίες παρακολουθούνται και ε- λέγχονται από δευτερεύουσες συσκευές. Στην περίπτωση κατά την οποία έχουµε παροχή σε χαµηλή ταχύτητα ρευστών των οποίων η πυκνότητα είναι ευαίσθητη σε θερµοκρασιακές αλλαγές τότε στην µετρητική γραµµή θα πρέπει η υπάρχει θερµοµόνωση µεταξύ του πρωτεύοντος στοιχείου και του οργάνου µέτρησης θερµοκρασίας. Αυτό πρέπει να συµβαίνει διότι σηµαντική µεταβολή στην θερµοκρασία µεταξύ των σηµείων µέτρησης της πίεσης και του οργάνου µέτρησης της θερµοκρασίας θα επηρεάσει την µέτρηση. Στον υπολογισµό του αριθµού Reynolds υπεισέρχεται το απόλυτο ιξώδες του ρευστού σε συνθήκες ροής. Για υψηλούς αριθµούς Reynolds, η επίδραση που έχει το ιξώδες είναι αµελητέα και η µεταβολή του ιξώδους αγνοείται. Αντίθετα σε εφαρµογές µε χαµηλούς αριθµούς Reynolds όπως παροχή παχύρευστου ελαίου, λανθασµένη τιµή ιξώδους µπορεί να έχει σηµαντική επίδραση στον υπολογισµό της παροχής. Ο ισεντροπικός δείκτης k, ο οποίος είναι σηµαντικός για συµπιεστά ρευστά, είναι κυρίως συνάρτηση της θερµοκρασίας ενώ για µερικά ρευστά είναι συνάρτηση και της πίεσης. Πρακτικά, για συνήθεις συνθήκες λειτουργίας η εξίσωση υπολογισµού ροής είναι ουσιαστικά αναίσθητη σε µικρές µεταβολές του ισεντροπικού εκθέτη Συνθήκες Ροής Ρευστού Η βάση δεδοµένων στην οποία στηρίζεται η εµπειρική εξίσωση του συντελεστή εκτόνωσης ισχύει για σταθερό, πλήρως ανεπτυγµένο προφίλ ροής σε αγωγό, µε αµελητέο ή καθόλου στροβιλισµό (δίνες) ροής και διακυµάνσεις ροής. Το προφίλ της ροής, µιας πλήρους αναπτυγµένης ροής σε αγωγό δεν µεταβάλλεται από την µια επιφάνεια διατοµής του αγωγού σε µια άλλη στην κατάντη περιοχή του µετρητή. Οι αποκλίσεις στο προφίλ από το ιδανικό πλήρως ανεπτυγµένο προφίλ ροής αποτελούν πηγή αβεβαιότητας της

88 P a g e 83 µέτρησης. Φαινόµενα όπως µεταβολές του προφίλ ροής, στροβιλώδης ροή και διακυµάνσεις της ροής στον µετρητικό δίσκο προκαλούνται από τον τρόπο της εγκατάστασης του συστήµατος σωλήνωσης (γεωµετρία) ανάντη του µετρητή ροής. Η ισχύς του εµπειρικού συντελεστή εκτόνωσης υφίσταται για υποηχητική ροή µέσω του µετρητικού δίσκου κατά την οποία το ρευστό δεν υφίσταται µεταβολή στην κατάσταση της φάσης του κατά το πέρασµα µέσα από τον δίσκο. Υ- πάρχει επίσης ένα επιτρεπόµενο όριο απόκλισης του πραγµατικού προφίλ ροής από το ιδανικό προφίλ ροής. Ο εµπειρικός συντελεστής υπολογίζεται από εξισώσεις οι οποίες ισχύουν µόνο στην περίπτωση όπου υπάρχει συµβατότητα της µετρητικής εγκατάστασης και της πειραµατικής βάσης δεδοµένων και µε την προϋπόθεση ότι δεν µεταβάλλονται οι φυσικές ιδιότητες του ρευστού. Η συµβατότητα αυτή έχει να κάνει µε την ροή και την γεωµετρίας του µετρητή. Η συµβατότητα του προφίλ της ροής και του µοτίβου της ροής επιτυγχάνονται µε την χρήση ευθυγραµµιστή ροής και την εξασφάλιση του ελάχιστου µήκους ευθύγραµµων τµηµάτων σωλήνωσης εκατέρωθεν του µετρητή Orifice. Στην βάση δεδοµένων που χρησι- µοποιήθηκε για τον καθορισµό της εµπειρικής εξίσωσης του συντελεστή εκτόνωσης, οι αδιατάρακτες συνθήκες ροής ή το σχεδόν πλήρως ανεπτυγµένο προφίλ ροής, επιτεύχθηκαν µε την χρήση ευθυγραµµιστών ροής και ευθύγραµµων τµηµάτων µετρητικού σωλήνα κατάλληλου µήκους τόσο ανάντι όσο και κατάντι του µετρητή orifice. Στο σχήµα 6.8 φαίνεται ένα τυπικό παράδειγµα µετρητικής γραµµής στο οποίο φαίνονται τα όρια των ελάχιστων αποστάσεων των ευθύγραµµων τµηµάτων αγωγού ανάντη και κατάντη του µετρητικού δίσκου όπως επίσης και η προτεινόµενη θέση του ευθυγραµµιστή ροής. Σηµειώνεται ότι στο εικόνα 3 οι αποστάσεις είναι συνάρτηση της διαµέτρου D του µετρητικού αγωγού.

89 P a g e 84 Σχήµα 6.8 Ελάχιστες απαιτούµενες διαστάσεις µετρητικής γραµµής. [Αρχείο ΕΣΦΑ ΑΕ] Επίσης στην εικόνα 3 φαίνονται διάφορα είδη ευθυγραµµιστών ροής Εικόνα 3: ιαφορετικοί τύποι Ευθυγραµµιστών Ροής [ Τόσο στα αµερικάνικα (API/GPA) όσο και στα ευρωπαϊκά πειράµατα, τα ο- ποία αποτελούν µέρος των βάσεων δεδοµένων, οι αδιατάρακτες συνθήκες ροής ορίζονται ως το ισοδύναµο ενός συµµετρικού προφίλ ταχυτήτων ελεύθερου δινών σε κυλινδρικούς αγωγούς, το οποίο τοποθετείται σε απόσταση 45 διαµέτρων (45D) από έναν ευθυγραµµιστή ροής τύπου srenkle και µε µέσο όρο τραχύτητας R a της εσωτερικής επιφάνειας του τοιχώµατος της µετρητικής γραµµής η οποία κυµαίνεται στο επίπεδο των 150 micro της ίντσας. Σε πολλές εφαρµογές ενώ οι παραπάνω απαιτήσεις δεν µπορούν να επιτευχθούν ωστόσο γίνεται χρήση της εµπειρικής εξίσωσης για τον υπολογισµό της παροχής.

90 P a g e 85 Το σφάλµα που υπεισέρχεται λόγω µη συµβατότητας του προφίλ της ροής δεν είναι προβλέψιµο και συνεισφέρει στην συνολική αβεβαιότητα της µέτρησης. Στην περίπτωση εφαρµογής µέτρησης, µε µη συµβατό προφίλ ροής προτείνεται, όπου είναι εφικτό, ή επιτόπου βαθµονόµηση του µετρητή. Σηµαντική παλµική διακύµανση της παροχής στην περίπτωση του µετρητή orifice θα έχει ως αποτέλεσµα επιπρόσθετο σφάλµα στην µέτρηση διότι η διακύµανση της µορφής αυτής ροής θα έχει επίδραση στην τιµή της διαφορικής πίεσης. Το αποτέλεσµα που επιφέρει η διακύµανση στην τιµή της διαφορικής πίεσης στην ροή, είναι «µη γραµµική» συνάρτηση της παροχής. Συνεπώς στην περίπτωση του υπολογισµού της παροχής µε την χρήση του µέσου όρου της τιµής της διαφορικής πίεσης (µηχανικό σύστηµα µέτρησης) θα έχουµε ως αποτέλεσµα την συνεισφορά στην αβεβαιότητα της µέτρησης. Για την επίτευξη της επιθυµητής ακρίβειας στην µέτρηση η παλµική διακύµανση στην ροή πρέπει να παύσει να υπάρχει. Υπάρχουν αξιοσηµείωτες µελέτες και πειράµατα για την εκτίµηση των απαιτήσεων και των απαραίτητων µεθόδων για την επίτευξη της µείωσης του φαινο- µένου της παλµικής διακύµανσης της ροής. Υπάρχουν επίσης όργανα τα ο- ποία υποδεικνύουν της παρουσία της διακύµανσης και καθορίζουν την αποτελεσµατικότητα των πρακτικών ελαχιστοποίησης της διακύµανσης της ροής. Μέχρι σήµερα δεν υπάρχει θεωρητική ή πρακτική διόρθωση για µετρητή orifice στην περίπτωση εφαρµογής µέτρησης µε παλµική διακύµανση της ροής. Οι διαταραχές στο προφίλ της ροής αυξάνουν την αβεβαιότητα της µέτρησης. Για την επιθυµητή ακρίβεια στην µέτρηση, όλες οι διαταραχές στην ροή θα πρέπει να ελαχιστοποιούνται ή να εξαλείφονται µε την εφαρµογή των απαιτήσεων των σχετικών εφαρµοζόµενων προτύπων. Ο µετρητής Orifice µε λόγο διαµέτρων της τάξης του 0,6 ή λιγότερο παρουσιάζει αµελητέα επίδραση σε διαταραχή του προφίλ της ροής όσο αφορά τον συντελεστή εκτόνωσης. Συνεπώς η χρήση µετρητικών δίσκων µε λόγο beta 0,6 ή λιγότερο ελαττώνει την αβεβαιότητα µέτρησης στην περίπτωση όπου αναµένεται απόκλιση από το ιδανικό προφίλ της ροής.

91 P a g e Κατασκευαστικές Ανοχές στα Στοιχεία του Μετρητή Το πρότυπο API 14.3 Part II (AGA3) 1991 ["Natural Gas Fluids Measurement," API Standard, Chapter 14, Section 3, Part 2, Specification and Installation Requirements, Third Edition, February 1991] έχει επιφέρει σηµαντικές αλλαγές στις απαιτήσεις σχετικά µε τις µηχανικές ανοχές των στοιχείων του µετρητή Orifice. Το πρότυπο αφενός περιλαµβάνει ένα ευρύ φάσµα λόγων γεωµετρικών δια- µέτρων για τα οποία υπάρχουν διαθέσιµα εµπειρικά δεδοµένα, αφετέρου ενσωµατώνει, σηµαντικά πιο αυστηρές ανοχές από αυτές που υπάρχουν σε προηγούµενα πρότυπα. Μετρητικός ίσκος Το φάσµα των λόγων των διαµέτρων που εφαρµόζεται στο συγκεκριµένο πρότυπο κυµαίνεται µεταξύ 0.10 και Η ελάχιστη αβεβαιότητα του συντελεστή εκτόνωσης του διαφράγµατος επιτυγχάνεται στο εύρος των λόγων των διαµέτρων µεταξύ 0.2 και 0.6 και ταυτόχρονα διαµέτρους οπής µετρητικού δίσκου µεγαλύτερες ή ίσες από 0.45 ίντσες. Η διάµετρος της οπής του µετρητικού δίσκου που χρησιµοποιείται στον υπολογισµό της ροής, είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας του µεταλλικού δίσκου και της ιδιότητας του υλικού του µεταλλικού δίσκου που αφορά την θερµική διαστολή του. Έτσι λοιπόν η µετρούµενη διάµετρος της οπής του διαφράγµατος στην θερ- µοκρασία που έχει ο δίσκος κατά την χρονική στιγµή της µέτρησης, θα πρέπει να διορθώνεται στην θερµοκρασία αναφοράς των 68 ο F. Η επίδραση της θερ- µικής διαστολής µπορεί να είναι σηµαντική στην περίπτωση που η µετρητική γραµµή και ο µετρητικός δίσκος έχουν διαφορετικούς συντελεστές θερµικής διαστολής και ταυτόχρονα οι θερµοκρασίες λειτουργίας είναι τάξης µεγέθους διαφορετικές από την θερµοκρασία αναφοράς που ισχύει για τον µετρητικό δίσκο. Αυτό το σφάλµα µέτρησης µπορεί να διορθωθεί αν είναι γνωστή η διάσταση του δίσκου σε µια θερµοκρασία αναφοράς.

92 P a g e 87 Η ανοχή σχετικά µε την επιπεδότητα και τον βαθµό λείανσης της επιφάνειας του δίσκου κάτω από στατικές συνθήκες αποτελούν τα όρια της βάσης δεδο- µένων. Η επίδραση αυτών των παραµέτρων στον εµπειρικό συντελεστή εκτόνωσης δεν είναι γνωστή όταν αυτά τα όρια ανοχών παραβιάζονται. Το ίδιο κριτήριο εφαρµόζεται σε όρια άλλων µηχανικών ανοχών όπως η οξύτητα της κόψης, η καµπυλότητα της οπής, το πάχος του µεταλλικού δίσκου, η γωνία της φαλτσογωνιάς κλπ. Οι µεγάλοι κατασκευαστές µετρητικών δίσκων, συµµορφώνονται µε αυτά τα όρια. Στην περίπτωση που η ακρίβεια στην µέτρηση είναι ζητούµενο, οποιαδήποτε αµφιβολία συµµόρφωσης για οποιοδήποτε από τα ανωτέρω ό- ρια µηχανικών ανοχών, θα πρέπει να συνεπάγεται την αντικατάσταση του µετρητικού δίσκου. Παρέµβυσµα στεγανοποίησης Μετρητικού δίσκου ή εσοχές και προεξοχές συσκευής στεγανοποίησης. Οι ανοχές της συσκευής στεγανοποίησης και ο περιορισµός που εφαρµόζεται στην περιοχή ακριβώς ανάντη και κατάντη από το πρόσωπο το µετρητικού δίσκου φαίνονται στο σχήµα 6.11 και έχουν ως εξής: 1. Η προεξοχή της συσκευής στεγανοποίησης ή του παρεµβύσµατος στην εσωτερική διατοµή της σωλήνωσης δεν επιτρέπεται. 2. Το βάθος της εσοχής είναι χωρίς περιορισµό δεδοµένου ότι το διάκενο µεταξύ του δίσκου και της σωλήνωσης είναι 0.25 της ίντσας ή λιγότερο. 3. Για εσοχές της τάξης του 0.25 της ίντσας αλλά λιγότερο από 0.5 της ί- ντσας µε βάθος εσοχής λιγότερο ή ίσο µε το 0.25% της διαµέτρου της σωλήνας δεν έχει όριο διαµετρικής αναλογίας ή επιπρόσθετη αβεβαιότητα στην µέτρηση. Για όλες τις άλλες εσοχές µε µεγαλύτερα πλάτη ή µεγαλύτερα βάθη έχουν ως αποτέλεσµα την επιπρόσθετη αβεβαιότητα. Λεπτοµερή αποτελέσµατα παρουσιάζονται σε σχετική µελέτη. [ Zedan, M. F. and Teyssandier, R. G., "The Effects of Recesses and Protrusions on the Discharge Coefficient of a Flange Tapped Orifice Plate,"Gas Processors Association Technical Publication: TP- 13, Experimental Orifice Meter Studies, ].

93 P a g e 88 Σχήµα 6.9 : Εσοχές και Προεξοχές Μετρητή ιαφράγµατος Φορεία Μετρητικών ίσκων Το είδος των υποδοχέων των µετρητικών δίσκων που χρησιµοποιούνται ευρέως στην βιοµηχανία και παρέχουν εύκολη αντικατάσταση του δίσκου είναι το φορείο του µετρητικού δίσκου. Με αυτές τις συσκευές, γίνεται δυνατή η α- ναπαραγωγή του συντελεστή του µετρητικού δίσκου, εντός των ορίων αβεβαιότητας που θα είχαµε στην περίπτωση που ο µετρητικός δίσκος θα υποστηριζότανε µε την βοήθεια φλαντζών. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, το φορείο του µετρητικού δίσκου πρέπει να ικανοποιεί όλες τις κατασκευαστικές ανοχές που περιγράφονται στα σχετικά πρότυπα. Είναι σαφές ότι πρέπει να πραγµατοποιούνται ειδικοί έλεγχοι στα φορεία αυτά για την συµµόρφωση τους µε τις επιτρεπτές ανοχές. Όλες οι ανοχές αυτές πρέπει να αξιολογηθούν κατάλληλα διότι οι συνολικές κατασκευαστικές ανοχές όλων των συνεργαζόµενων µερών, προστιθέµενες µπορεί να υπερβαίνουν τα επιτρεπόµενα όρια. Στο σχήµα 6.10 φαίνεται ένα φορείο µετρητικού δίσκου του οίκου Daniel, του τύπου που είναι εγκατεστηµένα στον Μετρητικό Σταθµό Συνόρων Φυσικού Αερίου στο Σιδηρόκαστρο.

94 P a g e 89 Σχήµα 6.10: Φορείο Μετρητικού ίσκου [Αρχείο ΕΣΦΑ ΑΕ] Οι απαιτήσεις οµοκεντρίας της ανάντη και της κατάντη διατοµή της σωλήνωσης µε το φορείο του µετρητικού δίσκου αλλά και µεταξύ τους µειώνουν την αβεβαιότητα της µέτρησης. Η καµπυλότητα και η κατάσταση της επιφάνειας της σωλήνας στο σηµείο συγκόλλησης στην ελάχιστη απόσταση των δύο δια- µέτρων ανάντη από το πρόσωπο του διαφράγµατος πρέπει να συµµορφώνεται µε όλες τις οριζόµενες ανοχές.

95 P a g e 90 Είναι πολύ σηµαντικό να εξασφαλίζεται η πολύ καλή στεγανοποίηση µεταξύ του µετρητικού δίσκου και του φορείου στο εσωτερικό του. Οποιαδήποτε διαρροή ρευστού µεταξύ του στεγανοποιητικού µέσου και της έδρας µπορεί να εισάγει σφάλµα και την απώλεια εσόδων κατά την διαδικασία της µέτρησης για την κοστολόγηση. Η θέση των σηµείων λήψης της πίεσης από το πρόσωπο του δίσκου είναι πολύ σηµαντική. Η απόκλιση της θέσης αυτής πέρα από τα επιτρεπτά όρια θα έχει ως αποτέλεσµα την εισαγωγή επιπρόσθετης αβεβαιότητας. Τα φορεία του µετρητικού δίσκου θα πρέπει να συµµορφώνονται µε τις επιτρεπτές ανοχές ώστε να διατηρούν σταθερή την ακρίβεια της µέτρησης. Πειραµατικά αποτελέσµατα δίνονται σε σχετική µελέτη [Zedan, M. F. and Teyssandier, R. G., "Effect of Errors in Pressure Tap Locations on the Discharge Coefficient of a Flange-Tapped Office Plate," Flow Measurement and Instrumentation, Volume 1 Number 3, April 1990]. Άλλα στοιχεία όπως η διάµετρος του σηµείου λήψης της πίεσης, τα τελειώµατα του σηµείου αυτού, οι ευθυγραµµιστές ροής κλπ, έχουν επίσης κατασκευαστικές ανοχές οι οποίες µε κατάλληλη επιθεώρηση και ποιοτικό έλεγχο είναι δυνατό να εξαλειφθούν τα συσχετιζόµενα σφάλµατα. Εκκεντρότητα Μετρητικού ίσκου Η οµοκεντρία της οπής του µετρητικού δίσκου σε σχέση µε τον αγωγό είναι σηµαντικός παράγοντας για την ακρίβεια της µέτρησης. Η εκκεντρότητα του δίσκου ορίζεται όπως φαίνεται στο σχήµα Λεπτοµέρειες των σφαλµάτων που οφείλονται στην εκκεντρότητα του δίσκου παρουσιάζονται σε σχετική µελέτη. [Husain, Z. D. and Teyssandier, R. G., "Orifice Eccentricity Effects for Flange, Pipe and Radius (D-D/2) Taps," presented at ASME Winter Annual Meeting, Anaheim, California - December 7-12, 1986]. Η εκκεντρότητα του δίσκου σε κάθε κατεύθυνση από τα σηµεία λήψης της πίεσης, έχει ως αποτέλεσµα σφάλµα στην µέτρηση, αλλά όταν η εκκεντρότητα αυτή είναι εντός των ανεκτών ορίων τότε το σφάλµα αυτό είναι αµελητέο. Το

96 P a g e 91 σφάλµα στην µέτρηση για την εκκεντρότητα άµεσα µε το σηµείο λήψης της πίεσης είναι περίπου το σφάλµα που εισάγεται από την ίδια εκκεντρότητα προς κάθε άλλη κατεύθυνση. Υπάρχει η µέγιστη επιτρεπόµενη ανοχή η οποία δίνεται ως συνάρτηση της αναλογίας των διαµέτρων και του µεγέθους του αγωγού. Στην περίπτωση που για µία µετρητική γραµµή η εκκεντρότητα σε σχέση µε το σηµείο λήψης πίεσης είναι γνωστή, το σφάλµα αυτό µπορεί να προβλεφθεί για συγκεκριµένα µεγέθη µετρητικών γραµµών. Η επιτρεπόµενη εκκεντρότητα της οπής µετρητικού δίσκου, µετρούµενη παράλληλα µε τον άξονα του σηµείου λήψης της πίεσης για το οποίο το σφάλµα της µέτρησης είναι αµελητέο δίνεται από τον τύπο: D ε = (Σ6.22) β Όπου ε είναι η εκκεντρότητα της οπής του µετρητικού δίσκου. Το διαστασιολογικό αυτό όριο είναι σηµαντικό για κάθε µετρητή διαφράγµατος. Σχήµα 6.11: Μέτρηση εκκεντρότητας Το όριο της επιτρεπόµενης εκκεντρότητας µπορεί να «χαλαρώσει» στην περίπτωση που δύο χρησιµοποιούνται δύο αντιδιαµετρικά σηµεία λήψης πίεσης

97 P a g e 92 και η διαφορική πίεση είναι η τιµή του µέσου όρου των δύο σηµείων αυτών. Στην περίπτωση αυτή το επιτρεπόµενο όριο µπορεί να διπλασιαστεί. Πρέπει να σηµειωθεί στο σηµείο αυτό ότι η αναλογία των διαµέτρων είναι στον παρονοµαστή µε αποτέλεσµα η χαµηλότερη τιµή της αναλογίας των διαµέτρων να έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση του ορίου της επιτρεπόµενης εκκεντρότητας για το ίδιο µέγεθος της µετρητικής γραµµής. Ο υποδοχέας του µετρητικού δίσκου θα πρέπει να διατηρεί το επίπεδο του µετρητικού δίσκου σε γωνία 90 ο σε σχέση µε τον άξονα της µετρητικής γραµ- µής. Μετρητική Γραµµή Η µετρητική γραµµή ορίζεται ως το ευθύγραµµο τµήµα της σωλήνωσης ίδιας διαµέτρου ανάντη και κατάντη του µετρητικού δίσκου το οποίο περιλαµβάνει το φορείο του µετρητικού δίσκου και τον ευθυγραµµιστή της ροής αν αυτός χρησιµοποιείται. Έχουν τεθεί επιτρεπόµενα όρια αναφορικά µε την τραχύτητα και την καµπυλότητα της εσωτερικής επιφάνειας της µετρητικής γραµµής. Τα όρια αυτά επιβάλλονται γενικά διότι οι µετρητικές γραµµές που χρησιµοποιούνται για την δηµιουργία της βάσης δεδοµένων, είναι εντός των ορίων αυτών και ως εκ τούτου ο εµπειρικός συντελεστής εκτόνωσης δεν θα ήταν σε ι- σχύ στην περίπτωση που θα συνέβαινε παραβίαση των ορίων αυτών. «Για την διασφάλιση της µέτρησης της ροής µε την επιθυµητή ακρίβεια, το ρευστό θα πρέπει να εισέρχεται στον µετρητικό δίσκο µε πλήρως ανεπτυγµένο προφίλ ροής, ελεύθερο από δίνες ή στροβιλισµούς. Έπειτα από µελέτες σε συνήθεις µετρητικές εγκαταστάσεις ως προς το την επίδραση της γεωµετρίας της εγκατάστασης στην ακρίβεια του µετρητικού συστήµατος όλα τα πρότυπα που αφορούν τον µετρητή orifice περιλαµβάνουν συστάσεις σχετικά µε τα ε- λάχιστα ευθύγραµµα µήκη ανάντη και κατάντη του µετρητικού δίσκου µε ή χωρίς την χρήση ευθυγραµµιστή ροής για την επίτευξη της επιθυµητής αδιατάρακτης συνθήκης ροής στον µετρητικό δίσκο (σχήµα 6.8). Η καµπυλότητα της µετρητικής γραµµής ανάντη και κατάντη του µετρητικού δίσκου είναι επίσης σηµαντική. Στο τµήµα της µετρητικής σωλήνας σε απόσταση µιας διαµέτρου ανάντη από τον µετρητικό δίσκο κάθε µετρούµενη διά-

98 P a g e 93 µετρος του αγωγού θα πρέπει να είναι εντός του ορίου του ± 0.25% της µέσης διαµέτρου του αγωγού. Για την µετρητική σωλήνα κατάντη του µετρητικού δίσκου το όριο αυτό είναι πιο «χαλαρό» µια και κάθε µετρούµενη διάµετρος θα πρέπει να µην υπερβαίνει το όριο του ± 0.50% της µέσης διαµέτρου του αγωγού.» [Zaki D. Husain, Daniel Flow Products, Inc. Theoritical Uncertainty of Orifice Flow Measurement σελ. 4] Απότοµες µεταβολές στην εσωτερική επιφάνεια της µετρητικής σωλήνας λόγω συγκολλήσεων, ραφών σωλήνα, εσωτερικών πτυχώσεων κλπ θα πρέπει να αποφεύγονται µε µοναδικές εξαιρέσεις τις επιτρεπόµενες εσοχές σε κάθε πλευρά του µετρητικού δίσκου οι οποίες σε κάθε περίπτωση είναι εντός των ορίων που καθορίζουν τα σχετικά πρότυπα ευτερεύουσες Συσκευές Οι δευτερεύουσες συσκευές είναι τα όργανα που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο και την καταγραφή της θερµοκρασίας, της πίεσης του ρευστού σε συνθήκες ροής όπως επίσης και της διαφορικής πίεσης που αναπτύσσεται στον µετρητικό δίσκο. Σε συνήθης εφαρµογές, τα σφάλµατα της µέτρησης σε πίεση και θερµοκρασία γραµµής έχουν µικρή επίδραση στην µέτρηση της ροής. Α- ντιθέτως οι συσκευές µέτρησης διαφορικής πίεσης έχουν σηµαντική ε- πίδραση στην µέτρηση της ροής. Μεταξύ των παραµέτρων που επηρεάζουν την ακρίβεια των οργάνων µέτρησης της διαφορικής πίεσης περιλαµβάνονται η θερµοκρασία περιβάλλοντος, ή στατική πίεση, το φαινόµενο της υ- στέρησης, η γραµµικότητα, η επαναληψιµότητα, η σταθερότητα που παρουσιάζει το όργανο όπως επίσης και η αβεβαιότητα του προτύπου βαθµονόµησης του οργάνου. Η ακρίβεια του οργάνου στις περισσότερες συσκευές µέτρησης διαφορικής πίεσης εκφράζεται ως ποσοστό του συνόλου της κλίµακας ανάγνωσης του οργάνου. Έτσι λοιπόν το εύρος του σφάλµατος της διαφορικής πίεσης εκφραζόµενο ως ποσοστό της πραγµατικής τιµής της ανάγνωσης, αυξάνεται όσο µειώνεται η διαφορική πίεση.

99 P a g e 94 Σε µερικές εφαρµογές όπως και στην εφαρµογή που έχει υλοποιηθεί στον Μετρητικό Σταθµό Συνόρων Φυσικού Αερίου στο Σιδηρόκαστρο, εγκαθίστανται παράλληλες µετρητικές γραµµές για την ικανοποίηση των απαιτήσεων του χρήστη ως προς την αβεβαιότητα και το διαθέσιµο εύρος της µέτρησης. Επίσης συνηθίζεται η επιλογή της εγκατάστασης περισσότερων συσκευών διαφορικής πίεσης οι οποίες είναι βαθµονοµηµένες σε διαφορετικό εύρος µέτρησης και όλες µαζί καλύπτουν ένα µεγαλύτερο εύρος µέτρησης για συγκεκριµένο µετρητικό δίσκο, µειώνοντας µε τον τρόπο αυτό την αβεβαιότητα της µέτρησης Συλλογή στοιχείων και υπολογισµός. Το σφάλµα στον υπολογισµό της παροχής εξαρτάται από την ακρίβεια µε την οποία ορίζονται οι φυσικές ιδιότητες της ροής του ρευστού η οποία συχνά υ- πολογίζεται µε την βοήθεια επεξεργαστών των υπολογιστών ροής. Ο υπολογισµός των φυσικών ιδιοτήτων, ειδικά σε ροή αερίων όπως το φυσικό αέριο, εξαρτάται από τις συνιστώσες των συστατικών του αερίου. Θα πρέπει να διασφαλίζεται η εισαγωγή όλων των σταθερών και των κρίσιµων παραµέτρων που επηρεάζουν τον υπολογισµό της παροχής ώστε να µειώνονται τα συστη- µατικά σφάλµατα στην µέτρηση της παροχής Καθορισµός της αβεβαιότητας Παραπάνω αναπτύχθηκαν οι σηµαντικότεροι συντελεστές οι οποίοι επηρεάζουν την ακρίβεια της µέτρησης όπως επίσης και τα πιθανά βήµατα θεραπείας για την ελαχιστοποίηση της αβεβαιότητας της µέτρησης. Όταν η ακρίβεια των µετρητικών συσκευών της κάθε παραµέτρου, όπως για παράδειγµα διάµετρος, διαφορική πίεση, θερµοκρασία, στατική πίεση κλπ, είναι γνωστή τότε είναι δυνατός ο προσδιορισµός της αβεβαιότητας της µέτρησης η οποία συσχετίζεται µε κάθε µία από τις παραπάνω παραµέτρους. Η µέθοδος του προσδιορισµού βασίζεται στην θεωρητική σχέση της κάθε παρα- µέτρου µε την παροχή.

100 P a g e 95 Υπάρχουν αρκετά πρότυπα για την αξιολόγηση και την εκτίµηση της συνεισφοράς στην αβεβαιότητα κάθε µετρούµενης παραµέτρου. Κάθε όρος και εκθέτης της εξίσωσης υπολογισµού της ροής καθορίζει το µέγεθος της αβεβαιότητας. Η µέθοδος της εκτίµησης καθορίζεται µαθηµατικά και βασίζεται στην στατιστική ανάλυση και θεωρία. Χωρίς να εµβαθύνουµε σε θεωρητικές λεπτο- µέρειες στο σχήµα 6.12 φαίνεται η επίδραση της αναλογίας των διαµέτρων στον εµπειρικό συντελεστή εκτόνωσης µε τον αριθµό Reynolds να τείνει στο άπειρο. Παρόµοια πρόβλεψη είναι δυνατή για κάθε άλλη παράµετρο. Σχήµα Αβεβαιότητα εµπειρικού συντελεστή εκτόνωσης µε τον αριθµό Reynolds να τείνει στο άπειρο. [Zaki D. Husain, Daniel Flow Products, Inc. Theoritical Uncertainty of Orifice Flow Measurement σελ. 5]

101 P a g e 96 Γενικά, οι συντελεστές που συσχετίζονται µε την εγκατάσταση του µετρητή Orifice επηρεάζουν τα συνολικά σφάλµατα στην µέτρηση της ροής. Τα σφάλ- µατα προέρχονται από αβεβαιότητες α) στην εξίσωση της ροής β) στις πραγ- µατικές φυσικές ιδιότητες της ροής του ρευστού και γ) στις διαστάσεις του µετρητή. Η πιο σηµαντική υπόθεση στην εξίσωση του συντελεστή εκτόνωσης του µετρητή Orifice, είναι ότι οι συστηµατικές αποκλίσεις που παρουσιάζει ο εξοπλισµός έχουν τυχαία κατανοµή στην βάση δεδοµένων. Αυτό επιτρέπει την χρήση του εµπειρικού συντελεστή εκτόνωσης σε δυναµικά παρόµοιους µετρητές ροής χωρίς να απαιτείται ο µετρητικός εξοπλισµός να είναι ταυτόσηµος. Σχετικά µε τον συντελεστή εκτόνωσης µπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε η εµπειρική εξίσωση είτε η βαθµονόµηση µε πραγµατική ροή για την εξακρίβωση του σχετικού σφάλµατος. Η παροχή υπολογίζεται µέσα από ένα πλήθος µεταβλητών όπως ο συντελεστής εκτόνωσης, ο συντελεστής διαστολής, η διαφορική πίεση, η διάµετρος της οπής του µετρητικού δίσκου, η διάµετρος του µετρητικού σωλήνα, όπως επίσης και η πυκνότητα και το ιξώδες του ρευστού τα οποία εξαρτώνται από τις τιµές θερµοκρασίας και πίεσης της ροής του ρευστού. Έτσι λοιπόν οι πραγµατικές ιδιότητες του ρευστού θα πρέπει να ελέγχονται και να µετρούνται µε την καλύτερη δυνατή ακρίβεια. Οι µηχανικές ανοχές είναι επίσης κρίσιµες για την ακρίβεια της µέτρησης. Το διάκενο της έδρας, οι διαστάσεις και το υλικό της στεγανοποίησης, οι εσοχές και οι εξοχές, η επιπεδότητα και η εκκεντρότητα του δίσκου, η θέση των ση- µείων λήψης της πίεσης όπως επίσης και οι ανοχές της µηχανικής κατεργασίας των διαφόρων µερών θα πρέπει να συµµορφώνονται µε το πρότυπο για την επίτευξη της µέτρησης της παροχής εντός της δηλούµενης αβεβαιότητας από το πρότυπο αυτό. Υποθέτοντας ότι οι µηχανικές ανοχές της εγκατάστασης του µετρητή ροής συµµορφώνονται µε τα πρότυπα και ότι όλες οι µετρούµενες παράµετροι ε- λέγχονται και µετρούνται µε τις απαραίτητες προφυλάξεις για την ελαχιστοποίηση του σφάλµατος µέτρησης, τότε η εκτίµηση της αβεβαιότητας της µέτρησης για ένα µετρητή orifice φαίνεται στο σχήµα 6.13.

102 P a g e 97 Σχήµα 6.13: Πρακτικά επίπεδα αβεβαιότητας [Zaki D. Husain, Daniel Flow Products, Inc. Theoritical Uncertainty of Orifice Flow Measurement σελ. 6] Οι µετρητικοί δίσκοι οι οποίοι έχουν λόγο διαµέτρων µικρότερο από 0.45 της ίντσας µπορεί να έχουν αβεβαιότητες στον συντελεστή εκτόνωσης της τάξης του 3% λόγω των προβληµάτων µε τον βαθµό οξύτητας της ορθής τους κόψης. Το εύρος των αβεβαιοτήτων που φαίνεται στο σχήµα 6.12 υποθέτει επίσης ότι το προφίλ των ταχυτήτων ροής στην είσοδο του είναι πλήρως ανεπτυγµένο και ότι το µοτίβο ροής δεν έχει διαταραχές. Το εύρος του σφάλµατος για έναν µετρητή orifice συνήθως εκτιµάται από την αβεβαιότητα που έχει προσδιοριστεί για την συσκευή ελέγχου και µέτρησης της διαφορικής πίεσης και αυτή η τιµή εξαρτάται από την προδιαγραφή που ισχύει για την απόδοση ικανότητα του οργάνου διαφορικής πίεσης. Γενικά, οι περισσότεροι περιορισµού που τίθενται από τα πρότυπα βασίζονται στις ανοχές του εξοπλισµού και των οργάνων που χρησιµοποιούνται για τις δοκιµές υλοποίησης των βάσεων δεδοµένων. Μερικές από αυτές προσδιορίζονται από πολύ καλά ελεγχόµενες εργαστηριακές δοκιµές. Στην περίπτωση παραβίασης οποιουδήποτε ορίου ανοχής του προτύπου, έχει ως συνέπεια η δηλούµενη αβεβαιότητα του προτύπου να µην είναι εφαρµόσιµη και να οδηγεί σε επιπρόσθετη αβεβαιότητα της µέτρησης. Ωστόσο πρέπει να σηµειωθεί ότι

103 P a g e 98 σε µερικές περιπτώσεις δεν υπάρχουν πειραµατικά δεδοµένα για τον προσδιορισµό αυτής της επιπρόσθετης αβεβαιότητας. Ένας µετρητής Orifice ο οποίος συµµορφώνεται µε τις µηχανικές ανοχές και τις προδιαγραφές της εγκατάστασης που ορίζονται από το πρότυπο που ε- φαρµόζεται, έχει κατάλληλα επιλεγµένα όργανα ή άλλο δευτερεύοντα εξοπλισµό ο οποίος συντηρείται και βαθµονοµείται κατάλληλα, θα πρέπει να έχει α- βεβαιότητα καλύτερη από το όριο του ± 1%. Αποκλίσεις από τις πρότυπες πρακτικές και τα επιτρεπόµενα όρια µπορεί να οδηγήσουν σε λανθασµένες µετρήσεις. Οι επιδράσεις ορισµένων αποκλίσεων από µηχανικές επιτρεπόµενες ανοχές, έχουν διερευνηθεί πειραµατικά και σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα αυτά υπάρχει η δυνατότητα να προβλεφτεί το σφάλµα µε λογική ακρίβεια. Για την αποφυγή κάθε αµφισβήτησης και περιορισµό της αβεβαιότητας της µέτρησης είναι προτιµότερο να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή ώστε η εγκατάσταση των µετρητών orifice να γίνεται σύµφωνα µε τα ισχύοντα πρότυπα Αβεβαιότητα Μετρητικού Συστήµατος Orifice ΜΣΣ Η µέτρηση Φυσικού Αερίου στον Μετρητικό Σταθµό Συνόρων (ΜΣΣ) στο Σιδηρόκαστρο υλοποιείται όπως έχει ήδη αναφερθεί σε πέντε παράλληλες µετρητικές γραµµές διαµέτρου 16 µε µετρητή Orifice. Για τον υπολογισµό της αβεβαιότητας του Μετρητικού Συστήµατος του ΜΣΣ έχει πραγµατοποιηθεί σχετική µελέτη από τον κατασκευαστικό οίκο Daniel [Gas Uncertainty Calculations, Document Number I. Campbell, Daniel Europe Ltd]. Στην µελέτη αυτή ο προσδιορισµός της αβεβαιότητας γίνεται µέσα από αναλυτικούς υπολογισµούς των επιµέρους πηγών αβεβαιότητας του συστή- µατος σε επίπεδο εµπιστοσύνης 95%. Χωρίς εµβάθυνση στην θεωρία κρίνεται σκόπιµο στο πλαίσιο της εργασίας αυτής, να δοθούν οι βασικές εξισώσεις υπολογισµού όπως χρησιµοποιήθηκαν στην µελέτη, ώστε να αναδειχθούν οι πηγές αβεβαιότητας που λήφθηκαν υ- πόψη όπως επίσης και η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισµό της αβεβαιότητας της µέτρησης για το µετρητικό σύστηµα του ΜΣΣ. Οι υπολογισµοί που πραγµατοποιήθηκαν βασίζονται σε απλές µαθηµατικές εξισώσεις υπολογισµού αβεβαιότητας που δίνονται στο πρότυπα:

104 P a g e ISO :1991 Measurement of fluid by means of pressure differential device Part 1 2. ISO 5168 Measurement of Fluid Flow: Estimation of Uncertainty of a Flow rate Measurement 3. AGA 8 Natural Gas Density and Compressibility Factor Executable Program and FORTRAN Code. Οι υπολογισµοί αφορούν κάθε πηγή αβεβαιότητας ξεχωριστά και τα αποτελέσµατα του συσχετισµού τους για διαφορετικά σενάρια συνθηκών ροής στο µετρητικό σύστηµα. Βασικές Παραδοχές Υπολογισµών Για την διενέργεια των υπολογισµών επιλέχθηκε µια τυπική σύσταση Ρώσικου Φυσικού Αερίου (πίνακας 6.2). Επιπρόσθετα στον πίνακα 6.1 περιγράφονται συνοπτικά οι διάφορες συνθήκες της διεργασίας. Πίνακας 6.2: Συνθήκες ιεργασίας Μέτρησης ΜΣΣ Περιγραφή Ελάχιστη Μέγιστη Κανονική τιµή τιµή τιµή (normal) (min) (max) Πίεση Λειτουργίας (Bar g) Θερµοκρασία Λειτουργίας ( C) Βασικές Εξισώσεις Όπως έχουµε δει, η βασική εξίσωση υπολογισµού παροχής µάζας δίνεται από το πρότυπο ISO 5167 και είναι q C π d 4 2 m = ε 4 1 ρ1 (Σ6.24) 1-β όπου: C = Συντελεστής εκτόνωσης d = ιάµετρος οπής Μετρητικού ίσκου σε συνθήκες Λειτουργίας ρ 1 = Πυκνότητα Αερίου στην λήψη ανάντη του µετρητικού δίσκου β = Λόγος ιαµέτρων σε συνθήκες λειτουργίας 2 p

105 P a g e 100 p = ιαφορική Πίεση εκατέρωθεν του Μετρητικού ίσκου ε 1 = Συντελεστής ιαστολής Αβεβαιότητα Η αβεβαιότητα στην εξίσωση (Σ6.24) ορίζεται ως το διάστηµα µέσα στο οποίο η πραγµατική τιµή της µετρούµενης (υπολογιζόµενης) παροχής αναµένεται να βρίσκεται, στον βαθµό µιας εκφρασµένης πιθανότητας. Η µελέτη αβεβαιότητας που έχει πραγµατοποιηθεί είναι εντός του διαστήµατος εµπιστοσύνης 95%. Το διάστηµα εµπιστοσύνης είναι ισοδύναµο µε 2 τυπικές αποκλίσεις (2σ). Εξισώσεις Αβεβαιότητας «Έχουν χρησιµοποιηθεί τρείς εξισώσεις για τον υπολογισµό της αβεβαιότητας της παροχής 1 Εξίσωση Αβεβαιότητας της παροχής Μάζας Αερίου (Σ6.25) E qm =[(E c ) 2 +(E ε1 ) 2 +((2β 4 /1-β 4 ) 2 x (E D ) 2 )+((2/1-β 4 ) 2 x (E d ) 2 ) +1/4(E p ) 2 +1/4(Ε ρ1 ) 2 +(E cp ) 2 ] 1/2 2 Εξίσωση Αβεβαιότητας της παροχής Κανονικού Όγκου Αερίου (Σ6.26) E qv =[(E c ) 2 +(E ε1 ) 2 +((2β 4 /1-β 4 ) 2 x (E D ) 2 )+((2/1-β 4 ) 2 x (E d ) 2 ) +1/4(E p ) 2 +1/4(Ε ρ1 ) 2 +(E ρb ) 2 +(E cp ) 2 ] 1/2 (Σ6.26) 3 Εξίσωση Αβεβαιότητας της παροχής Eνέργειας (Σ6.27) E qe =[(E c ) 2 +(E ε1 ) 2 +((2β 4 /1-β 4 ) 2 x (E D ) 2 )+((2/1-β 4 ) 2 x (E d ) 2 ) +1/4(E p ) 2 +1/4(Ε ρ1 ) 2 +(E ρb ) 2 +(E cp ) 2 +(E hs ) 2 ] 1/2 (Σ6.27) Όπου: β = ο λόγος των διαµέτρων (d o /D o ) (D o = Η διορθωµένη εσωτερική διάµετρος του αγωγού ανάντη του µετρητικού δίσκου σε θερµοκρασία λειτουργίας)

106 P a g e 101 (d o = Η διορθωµένη διάµετρος του µετρητικού δίσκου σε θερµοκρασία λειτουργίας) E d = % αβεβαιότητα στην διάµετρο του µετρητικού δίσκου E D = % αβεβαιότητα στην διάµετρο του αγωγού E qm = % αβεβαιότητα στην παροχή µάζας αερίου E qv = % αβεβαιότητα στην παροχή κανονικού όγκου αερίου E qe = % αβεβαιότητα στην παροχή ενέργειας E c = % αβεβαιότητα στον συντελεστή εκτόνωσης E ε1 = % αβεβαιότητα στον συντελεστή διαστολής E p = % αβεβαιότητα στην µετρούµενη διαφορική πίεση στους υπολογιστές ροής Ε ρ1 = % αβεβαιότητα στην µετρούµενη πυκνότητα στους υπολογιστές ροής E ρb = % αβεβαιότητα στην πυκνότητα στις συνθήκες αναφοράς E cp = % αβεβαιότητα στο σφάλµα υπολογισµού των υπολογιστών. E hs = % αβεβαιότητα στην τιµή της ανωτέρα θερµογόνου δύναµης» [Iain T. Campbell, 2009, Strymonochori Border Station Upgrade Gas Uncertainty Calculations Document number , σελ.3] ιόρθωση ιαµέτρου Μετρητικής Γραµµής ως προς την θερµοκρασία Σύµφωνα µε το ISO 5168 παρ αναφορά 2 η διόρθωση της διαµέτρου της µετρητικής γραµµής ως προς την θερµοκρασία δίνεται από την σχέση ( 1+α ( t - ) D= D (Σ6.28) b D 1 t cd όπου: D b = ιάµετρος Μετρητικής Γραµµής σε θερµοκρασία βαθµονόµησης (mm) α D = Συντελεστής διαστολής για την µετρητική γραµµή (1/DegC) t 1 = Θερµοκρασία στην λήψη πίεσης ανάντη του µετρητικού δίσκου (DegC) t cd = Θερµοκρασία βαθµονόµησης Μετρητικής Γραµµής (DegC) [EN ISO 5168 παρ αναφ.2] ιόρθωση ιαµέτρου Μετρητικού ίσκου ως προς την θερµοκρασία

107 P a g e 102 Αντίστοιχα η διόρθωση της διαµέτρου του µετρητικού δίσκου ως προς την θερµοκρασία δίνεται από την σχέση: ( 1+ α ( t - ) d= d (Σ6.29) b d 1 tcd όπου: d b = Η ιάµετρος του Μετρητικού ίσκου στη θερµοκρασία βαθµονόµησης (mm) α d = Συντελεστής διαστολής για τον µετρητικό δίσκο (mm/degc) t 1 = Θερµοκρασία στην λήψη πίεσης ανάντη του µετρητικού δίσκου (DegC) t cd = Θερµοκρασία βαθµονόµησης Μετρητικού ίσκου (DegC) Λόγος ιαµέτρων σε συνθήκες λειτουργίας Από το πρότυπο EN ISO (E) Εξίσωση έχουµε για τον λόγο των διαµέτρων ότι: d β = (Σ6.30) D όπου: d = Η διάµετρος του µετρητικού δίσκου σε συνθήκες λειτουργίας (mm) D = Η διάµετρος της Μετρητικής γραµµής σε συνθήκες λειτουργίας (mm) [EN ISO (E) Εξίσωση 3.2.5] Τιµές Αβεβαιότητας % αβεβαιότητα στον συντελεστή εκτόνωσης (E c ) Από το ISO 5167 παράγραφος έχουµε ότι: E c = 0.6% για β 0.6 E c = β% για 0.6 β 0.75 [ΕΝ ISO παράγραφος ] % αβεβαιότητα στον συντελεστή διαστολής (E ε1 ) Από το ISO 5167 παράγραφος έχουµε ότι: E ε1 = ±4 p / P 1 % για β 0.75 p = Η διαφορική πίεση λειτουργίας P 1 = Η στατική πίεση λειτουργίας [ΕΝ ISO παράγραφος ] % αβεβαιότητα στην διάµετρο του αγωγού (E D )

108 P a g e 103 Σύµφωνα µε το πρότυπο ISO 5167 παρ η µέγιστη επιτρεπόµενη α- βεβαιότητα είναι 0.4% είναι δηλαδή E D 0.4% [ΕΝ ISO παράγραφος ] % αβεβαιότητα στην διάµετρο του µετρητικού δίσκου ( E d ) Σύµφωνα µε το πρότυπο ISO 5167 παρ η µέγιστη επιτρεπόµενη α- βεβαιότητα είναι 0.07% είναι δηλαδή E d 0.07% % αβεβαιότητα στην µετρούµενη διαφορική πίεση στους υπολογιστές ροής (E p ) Στο σύστηµα είναι εγκατεστηµένοι δύο µεταδότες διαφορικής πίεσης του οίκου Fisher Rosemount του τύπου 3051PD, για την µέτρηση της διαφορικής πίεσης στην µετρητική γραµµή. Οι αβεβαιότητες των µεταδοτών διαφορικής πίεσης λαµβάνονται σύµφωνα µε το παράρτηµα Α του εγχειριδίου του κατασκευαστή για το µοντέλο 3051 PD Rev EA. Οι µεταδότες βαθµονοµούνται σε εύρος λειτουργίας 0-500mbar και 0-350mbar. Η αβεβαιότητα E p καθορίζεται από την σχέση: E p = (Ε 2 dptx + Ε 2 dpat + Ε 2 dpp + Ε 2 dpstab + Ε 2 comp ) 1/2 (Σ6.31) Όπου: Ε dptx = η % αβεβαιότητα του σήµατος διαφορικής πίεσης από τον µεταδότη. (Συµπεριλαµβανοµένου των επιδράσεων της γραµµικότητας, της υστέρησης και της επαναληψιµότητας µεταξύ των βαθµονοµήσεων του µεταδότη) = 0.05% του εύρους βαθµονόµησης. Ε dpat = η % αβεβαιότητα λόγο της επίδρασης της θερµοκρασίας στον µεταδότη (max Τ=14 C) = 0.006% URL % SPAN για κάθε 28 C. Σηµείωση: URL (Upper Range Limit): Ανώτατο άνω όριο εύρους λειτουργίας οργάνου SPAN: Μέγιστη τιµή Εύρους Βαθµονόµησης Οργάνου

109 P a g e 104 Ε dpp = η % αβεβαιότητα λόγο της επίδρασης της πίεσης στον µεταδότη = 0.1% της τιµής ανάγνωσης για κάθε 1000psi (69bar) µεταβολή στην πίεση λειτουργίας Ε dpstab = η % αβεβαιότητα λόγο της σταθερότητας του µεταδότη = 0.125% του URL για διάρκεια 5 έτη. Ε comp = η % αβεβαιότητα λόγο του σφάλµατος στον υπολογισµό του υπολογιστή ροής η οποία λαµβάνεται σύµφωνα µε τον κατασκευαστή Daniels είναι = 0.001% της τιµής ανάγνωσης % αβεβαιότητα στην µετρούµενη πυκνότητα ( Ε ρ1 ) Η πυκνότητα του αερίου υπολογίζεται από τον Αναλυτή ειδικής µάζας του οίκου Peek Sarasota. Η αβεβαιότητα στην µέτρηση της πυκνότητας µπορεί να υπολογιστεί από την σχέση Ε ρ1 = (Ε 2 p1 + Ε 2 T1 + Ε 2 ρsg + Ε 2 Zc + Ε 2 Zl ) 1/2 (Σ6.32) Όπου: Ε p1 = η % αβεβαιότητα στην µέτρηση της πίεσης Ε T1 = η % αβεβαιότητα στην µέτρηση της θερµοκρασίας Ε ρsg = η % αβεβαιότητα του αναλυτή ειδικής µάζας Ε Zc = η % αβεβαιότητα στην συµπιεστότητα του αερίου σε συνθήκες συµβολαίου Ε Zl = η % αβεβαιότητα στην συµπιεστότητα του αερίου σε συνθήκες γραµµής % αβεβαιότητα στην µετρούµενη στατική πίεση (E p1 ) Στο σύστηµα είναι εγκατεστηµένος ανάντη του µετρητικού δίσκου ένας µεταδότης στατικής πίεσης του οίκου Fisher Rosemount του τύπου 3051PG, για την µέτρηση της στατικής πίεσης στην µετρητική γραµµή. Οι αβεβαιότητες των µεταδότη διαφορικής πίεσης λαµβάνονται σύµφωνα µε το παράρτηµα Α του εγχειριδίου του κατασκευαστή για το µοντέλο 3051 PG Rev EA. Ο µεταδότης βαθµονοµείται σε εύρος λειτουργίας 0-80barg.

110 P a g e 105 Η αβεβαιότητα E p καθορίζεται από την σχέση: E p1 = (Ε 2 PTX + Ε 2 PAT + Ε 2 STAB + Ε 2 comp ) 1/2 (Σ6.33) Όπου: Ε PTX = η % αβεβαιότητα του σήµατος πίεσης από τον µεταδότη. (Συµπεριλαµβανοµένου των επιδράσεων της γραµµικότητας, της υστέρησης και της επαναληψιµότητας µεταξύ των βαθµονοµήσεων του µεταδότη) = 0.05% Span (0-80barg). Ε PAT = η % αβεβαιότητα λόγο της επίδρασης της θερµοκρασίας στον µεταδότη (max Τ=14 C) = 0.006% URL % SPAN για κάθε 28 C Ε STAB = η % αβεβαιότητα λόγο της σταθερότητας του µεταδότη = 0.125% του URL για διάρκεια 5 έτη. Ε comp = η % αβεβαιότητα λόγο του σφάλµατος στον υπολογισµό του υπολογιστή ροής η οποία λαµβάνεται σύµφωνα µε τον κατασκευαστή Daniels είναι = 0.001% της τιµής ανάγνωσης % αβεβαιότητα στην µετρούµενη θερµοκρασία (E Τ1 ) Η αβεβαιότητα στην µέτρηση της θερµοκρασίας οφείλεται στο σφάλµα του θερµοστοιχείου RTD και στο σφάλµα του εξοπλισµού µεταφοράς του σήµατος στο µετρητικό πάνελ. Η ακρίβεια στην είσοδο του υπολογιστή ροής είναι ως εξής: Ακρίβεια εξοπλισµού εισόδου σήµατος στο µετρητικό πάνελ Ε temp =+/- 0.1 C Από τον πίνακα 1 του προτύπου BS έχουµε για την σχέση θερµοκρασίας αντίστασης ότι ή µέγιστη µεταβολή της αντίστασης που αντιστοιχεί σε µεταβολή θερµοκρασίας 1 C είναι 0.39Ω. Συνεπώς η µεταβολή της αντίστασης για µεταβολή στην θερµοκρασία 0.1 C θα είναι: 0.39 * 0.1 = 0.039Ω Λαµβάνοντας υπόψη ότι η τιµή της αντίστασης είναι 34 C = Ω Τότε ακρίβεια εξοπλισµού εισόδου σήµατος στο µετρητικό πάνελ στην µέγιστη θερµοκρασία λειτουργίας εκφρασµένη ως ποσοστό θα είναι ίση µε:

111 P a g e = 0,0345% (Σ6.34) Σύµφωνα µε το πρότυπο IEC 751 / BS1904 η ανοχή ενός θερµοστοιχείου RTD θα είναι ίση µε: E rtd = 0.15 C t C ( σε βαθµούς Κελσίου στην θερµοκρασία λειτουργίας) (Σ6.35) Ισχύει ότι E Τ1 = (Ε temp 2 + E rtd 2 ) 1/2 (Σ6.36) Σε θερµοκρασία λειτουργίας 34 C θα έχουµε για το θερµοστοιχείο από την (Σ6.35) ότι E rtd = * 34 = (Σ6.37) Το αποτέλεσµα (Σ6.34) εκφραζόµενο σε ohms θα είναι: o C 0.39Ω= Ω o 1 C (Σ6.38) Έτσι από την (Σ6.38) η ακρίβεια του θερµοστοιχείου RTD στην θερµοκρασία λειτουργίας εκφρασµένη ως ποσοστό θα είναι ίση µε: = 0,0710% (Σ6.39) Έτσι λοιπόν από τις (Σ6.34), (Σ6.39) και (Σ6.36) έχουµε ότι το µέγιστο σφάλµα στην µέτρηση της θερµοκρασίας θα είναι E Τ1 = ( , ) 1/2 =0.0789% (Σ6.40) % αβεβαιότητα του αναλυτή ειδικής µάζας (Ε ρsg ) Η αβεβαιότητα Ε ρsg αφορά το σήµα ειδικής µάζας από τον Αναλυτή. Από τα εγχειρίδια του κατασκευαστή έχουµε ότι η αβεβαιότητα αυτή είναι ίση µε 0.1% του Span. Είναι δηλαδή Ε ρsg = 0.1% Span % αβεβαιότητα του στην πυκνότητα σε συνθήκες αναφοράς (Ε ρb ) Η αβεβαιότητα αυτή αναφέρεται στην πυκνότητα σε συνθήκες συµβολαίου. Η πυκνότητα υπολογίζεται από την σχετική πυκνότητα που µετρά ο αναλυτής και την πυκνότητα του αέρα σε συνθήκες συµβολαίου. Έτσι λοιπόν η αβεβαιό-

112 P a g e 107 τητα στον υπολογισµό αυτό θα είναι ίση µε την αβεβαιότητα του αναλυτή που σύµφωνα µε τον κατασκευαστή θα είναι 0.1%. Ισχύει λοιπόν ότι: Ε ρb = (Ε ρsg )= 0.1% % αβεβαιότητα στην τιµή της θερµογόνου δύναµης (Ε hs ) Η θερµογόνος δύναµη υπολογίζεται από την µετρούµενη σύσταση του αερίου. Οι θερµογόνες δυνάµεις των επιµέρους συστατικών όπως περιγράφεται αναλυτικά στον πίνακα 5 του προτύπου ISO 6976 (σε ογκοµετρική βάση) διορθώνονται στην συνέχεια ως προς τον συντελεστή συµπιεστότητας του αερίου. Για τον χρωµατογράφο σειράς GC700 του οίκου Daniel σύµφωνα µε τον κατασκευαστή για τον κύκλο ανάλυσης C6+ η αβεβαιότητα στον υπολογισµό της θερµογόνου δύναµης είναι 0.104% µε διάστηµα εµπιστοσύνης 95%. Ε hs = 0.104% Συνοπτική Παρουσίαση των αποτελεσµάτων της Μελέτης «Σύµφωνα µε το πρότυπο ISO 5158:2005 όταν είναι σε λειτουργία δύο ή περισσότερες παράλληλες µετρητικές γραµµές σε ένα µετρητικό σύστηµα, η συνολική τιµή της παροχής υπολογίζεται από την άθροιση των επιµέρους παροχών από κάθε µετρητική γραµµή που είναι σε λειτουργία. Στην περίπτωση αυτή για την αβεβαιότητα της συνολικής παροχής διακρίνουµε τις πηγές αβεβαιότητας σε δύο κατηγορίες: Σε αυτές που θα έχουν τις ίδιες επιδράσεις σε κάθε µετρητική γραµµή και κατά συνέπεια υπάρχει συσχετισµός µεταξύ των µετρητικών γραµ- µών Σε αυτές που θα έχουν διαφορετικές επιδράσεις σε κάθε µετρητική γραµµή και κατά συνέπεια είναι ανεξάρτητες σε κάθε µετρητική γραµµή (δεν υπάρχει συσχετισµός). Οι επιµέρους αβεβαιότητες σε κάθε περίπτωση συνδυάζονται για τον υπολογισµό της συνδυασµένης αβεβαιότητας για τις πηγές εκείνες που είναι συσχετιζόµενες µεταξύ των µετρητικών γραµµών και αυτών που είναι ανεξάρτητες.

113 P a g e 108 Η συνεισφορά στην αβεβαιότητα της κάθε µετρητικής γραµµής εξαρτάται από την παροχή που περνά από κάθε γραµµή και η ανάλυση απλοποιείται µε την θεώρηση απολύτων αβεβαιοτήτων. Στην περίπτωση αυτή όπου η µέτρηση πραγµατοποιείται σε παράλληλες µετρητικές γραµµές µε µετρητή orifice οι πηγές που συσχετίζονται µεταξύ των µετρητικών γραµµών είναι οι: Συντελεστής Εκτόνωσης Συντελεστής ιαστολής Οι ανεξάρτητες πηγές αβεβαιότητας σε κάθε µετρητική γραµµή είναι: Η ιάµετρος του αγωγού Η διάµετρος του µετρητικού δίσκου Η διαφορική πίεση Η στατική πίεση Η θερµοκρασία Η πυκνότητα Ο υπολογισµός στον υπολογιστή ροής. Έτσι λοιπόν ο υπολογισµός της συνολικής αβεβαιότητας στην περίπτωση λειτουργίας παράλληλων µετρητικών γραµµών θα δίνεται από την σχέση: Q = [(E συσχτιζόµενων ) 2 + (E ανεξάρτητων ) 2 / Ν] 1/2 (Σ6.41) Όπου Ν ο αριθµός των µετρητικών γραµµών σε λειτουργία.» [Iain T. Campbell, 2009, Strymonochori Border Station Upgrade Gas Uncertainty Calculations Document number , σελ.12] Οι υπολογισµοί έχουν γίνει για εννέα διαφορετικά σενάρια τα οποία έχουν ως εξής: Σενάριο 1: Μέγιστη παροχή Nm 3 /hr, 1 µετρητική γραµµή σε λειτουργία και 500mbar διαφορική πίεση Σενάριο 2: Μέγιστη παροχή Nm 3 /hr για κάθε µετρητική γραµµή, παράλληλη λειτουργία µετρητικών γραµµών και 500mbar διαφορική πίεση σε κάθε µετρητική γραµµή

114 P a g e 109 Σενάριο 3: Ελάχιστη παροχή Nm 3 /hr, 1 µετρητική γραµµή σε λειτουργία και 60mbar διαφορική πίεση Σενάριο 4: Ελάχιστη παροχή Nm 3 /hr για κάθε µετρητική γραµµή, παράλληλη λειτουργία µετρητικών γραµµών και 60mbar διαφορική πίεση σε κάθε µετρητική γραµµή Σενάριο 5: Μέγιστη παροχή Nm 3 /hr, 1 µετρητική γραµµή σε λειτουργία και 450mbar διαφορική πίεση Σενάριο 6: Μέγιστη παροχή Nm 3 /hr για κάθε µετρητική γραµµή, παράλληλη λειτουργία µετρητικών γραµµών και 450mbar διαφορική πίεση σε κάθε µετρητική γραµµή Σενάριο 7: Ελάχιστη παροχή Nm 3 /hr, 1 µετρητική γραµµή σε λειτουργία και 150mbar διαφορική πίεση Σενάριο 8: Ελάχιστη παροχή Nm 3 /hr για κάθε µετρητική γραµµή, παράλληλη λειτουργία µετρητικών γραµµών και 150mbar διαφορική πίεση σε κάθε µετρητική γραµµή Σενάριο 9: Μέγιστη παροχή Nm 3 /hr για κάθε µετρητική γραµµή, παράλληλη λειτουργία 2 µετρητικών γραµµών και 350mbar διαφορική πίεση σε κάθε µετρητική γραµµή. Τα αποτελέσµατα των υπολογισµών φαίνονται συνοπτικά στον πίνακα 6.3

115 P a g e 110 Πίνακας 6.3 Αποτελέσµατα Μελέτης Αβεβαιότητας Μετρητικού Συστήµατος ΜΣΣ % αβεβαιότητα Υπολογισµός (mbar) ιαµέτρων Γραµµές σε Μάζας Όγκου Ενέργειας DP Λόγος Μετρητικές Παροχή Παροχή Παροχή Σεναρίου (Beta) Λειτουργία Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Όπως φαίνεται από τα αποτελέσµατα του πίνακα 6.3 για το χειρότερο από τα επιλεγόµενα σενάρια η αβεβαιότητα της µέτρησης για το πρωτογενές µέγεθος µέτρησης που είναι η παροχή µάζας είναι % ενώ για την παροχή διορθωµένου όγκου σε κανονικές συνθήκες και για την παροχή ενέργειας είναι % και % αντίστοιχα. Για όλα τα υπόλοιπα σενάρια η αβεβαιότητα του µετρητικού συστήµατος είναι καλύτερη από 0.5% Συµπεράσµατα Ο µετρητής orifice αποτελεί τον πιο ευρέως χρησιµοποιούµενο µετρητή στην µέτρηση φυσικού αερίου. Είναι ικανός για µετρήσεις µε µεγάλη ακρίβεια δεδο- µένου ότι έχουν τηρηθεί όλοι οι κανόνες όσο αφορά την επιλογή, τον σχεδιασµό και την εφαρµογή του.

116 P a g e 111 Για πιο ακριβείς µετρήσεις ο µετρητής orifice θα πρέπει να εφαρµόζεται στην περίπτωση παροχής αερίου η οποία είναι σταθερή ή µεταβάλλεται σε σχέση µε τον χρόνο. Επιπρόσθετα το προφίλ της ροής είναι στην στροβιλώδη περιοχή και είναι αρκετά χαµηλότερα από την ταχύτητα του ήχου. Το αέριο θα πρέπει να είναι σε µία φάση και δεν θα πρέπει να περιέχει αιωρούµενα σωµατίδια. Εάν η θερµοκρασία του αερίου είναι µεγαλύτερη ή µικρότερη από την θερµοκρασία περιβάλλοντος θα πρέπει να µελετηθεί η ανάγκη για µόνωση των σωληνώσεων πριν και µετά από την µέτρηση, όπως επίσης και του συστήµατος µέτρησης της πίεσης θερµοκρασίας και του υπόλοιπου εξοπλισµού. Στην περίπτωση που η παροχή µεταβάλλεται σηµαντικά (5 προς 1) αλλά πολύ αργά στον χρόνο (πχ εποχιακή µεταβολή φορτίου) θα πρέπει να υπάρχει πρόληψη για την δυνατότητα αλλαγής των µετρητικών δίσκων µε άλλους κατάλληλης διαµέτρου οπής για την διασφάλιση µέτρησης εντός του επιθυµητού εύρους διαφορικών πιέσεων. Η σταθερά εκτόνωσης ενός µετρητή orifice προσδιορίζεται εµπειρικά. Συνεπώς ο σχεδιασµός της εγκατάστασης ενός συγκεκριµένου µετρητή orifice θα πρέπει να είναι κατά το µέγιστο δυνατό κοντά στην εγκατάσταση στην οποία πραγµατοποιήθηκαν οι δοκιµές προσδιορισµού της σταθεράς εκτόνωσης του µετρητή, ανεξάρτητα αυτό ειδικές δοκιµές στον συγκεκριµένο µετρητή ή γενικές δοκιµές που διενεργούν διάφοροι εξουσιοδοτηµένοι οργανισµοί τυποποίησης και προτύπων. Οι οργανισµοί αυτοί έχουν αναλυτικές προδιαγραφές της εγκατάστασης οι οποίες έχουν καθοριστεί έπειτα από την διαδικασία πολλών βαθµονοµήσεων στην διάρκεια των χρόνων. Σε κάθε περίπτωση απόκλιση στον σχεδιασµό της εγκατάστασης από τις παραπάνω προδιαγραφές µπορεί να εισάγει λάθη στην µέτρηση. Έτσι λοιπόν πρέπει να υπάρχει πλήρης κατανόηση των απαιτήσεων πριν την οποιαδήποτε απόφαση για διαφοροποίηση από τις προδιαγραφές των πρότυπων εγκαταστάσεων. Για την επίτευξη µετρήσεων µε υψηλή ακρίβεια θα πρέπει να δοθεί µεγάλη προσοχή στην εγκατάσταση και λειτουργία του εξοπλισµού ανάγνωσης διαφορικής πίεσης εκατέρωθεν του µετρητικού δίσκου όπως επίσης και άλλων µεταβλητών όπως πυκνότητα, στατική πίεση, θερµοκρασία, σύσταση, θερµο-

117 P a g e 112 γόνο δύναµη. Σε κάθε περίπτωση η εγκατάσταση και λειτουργία του ανωτέρω εξοπλισµού θα πρέπει να είναι σύµφωνα µε τα ισχύοντα πρότυπα και τις α- ντίστοιχες ισχύουσες προδιαγραφές. Το ίδιο ισχύει για τα σηµεία σύνδεσης των οργάνων µέτρησης (πίεσης, θερµοκρασίας κλπ) µε την µετρητική γραµµή, όπως επίσης και µε τις σωληνώσεις δειγµατοληψίας που συνδέονται µε τα α- ντίστοιχα όργανα µέτρησης. «Τα πλεονεκτήµατα των Orifice συνοψίζονται στα εξής: χαµηλό κόστος κατασκευής ιδιαίτερα σε µεγάλες διαµέτρους αγωγών. Απλός στην κατασκευή του και δεν περιλαµβάνει κινούµενα µέρη Εύκολος στην τοποθέτηση. ιεθνής εµπιστοσύνη (αν και τα τελευταία χρόνια τείνει να υπερκεραστεί από άλλα είδη µετρητών όπως οι Ultrasonic). Υπάρχει εκτεταµένη βιβλιογραφία που περιγράφει τη λειτουργία του. Είναι ο µοναδικός µετρητής η λειτουργία του οποίου στηρίζεται σε διεθνώς αποδεκτές εµπειρικές εξισώσεις και δεν απαιτείται η βαθµονόµηση του. Τα µειονεκτήµατα των µετρητών Orifice είναι: Περιορισµένο εύρος λειτουργίας (3 προς 1) λόγω τις µη γραµµικής σχέσης παροχής και διαφορικής πίεσης. Έστω και ελάχιστη διάβρωση στην πλευρά του µετρητή που έχει µέτωπο στη ροή επηρεάζει τη λειτουργία του. Επηρεάζεται αρκετά από οποιαδήποτε παρέκκλιση της ροής από τις ιδανικές συνθήκες (ασύµµετρη ροή, στροβιλισµό, δονήσεις κτλ). Εµφανίζει σηµαντικές απώλειες πίεσης. Το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του είναι σχετικά χαµηλό και εξαρτάται κυρίως από τον δευτερεύοντα εξοπλισµό που χρησιµοποιείται.» [Miller R.W, 1996, Flow Measurement Engineering Handbook, 3 rd ed. M1c-Graw Hill, New York] Ο ΕΣΦΑ Α.Ε έχει εγκαταστήσει µετρητές Orifice στην Βασική είσοδο του Φυσικού Αερίου στο Εθνικό Σύστηµα Μεταφοράς Αερίου στον Μετρητικό

118 P a g e 113 Σταθµό Συνόρων στο Σιδηρόκαστρο Σερρών. Ένα σταθµό ο οποίος λειτουργεί απρόσκοπτα από το 1996 κοστολογώντας το µεγαλύτερο µέρος από τις ποσότητες Φυσικού Αερίου που εισάγονται συνολικά στην Χώρα µας καθιστώντας την εγκατάσταση ιδιαιτέρως σηµαντική. Όπως είδαµε παραπάνω το µετρητικό σύστηµα του Μετρητικού Σταθµού Συνόρων έχει αβεβαιότητα µέτρησης καλύτερη από 0.55%. Για την διατήρηση του επιπέδου της µέτρησης σε υψηλό επίπεδο στον Μετρητικό Σταθµό συνόρων µεταξύ των άλλων εργασιών εφαρµόζεται προληπτικό πρόγραµµα συντήρησης η τήρηση του οποίου διασφαλίζει την καλή λειτουργία του συστήµατος. Οι εργασίες που αφορούν το µετρητικό σύστηµα περιλαµβάνουν µεταξύ των άλλων: Μηνιαία Βαθµονόµηση των οργάνων κοστολόγησης του φυσικού αερίου όπως είναι οι µεταδότες, Μέτρησης Στατικής Πίεσης, ιαφορικής Πίεσης και Θερµοκρασίας σε όλες τις Μετρητικές Γραµµές. Μηνιαία Βαθµονόµηση του Μηχανικού συστήµατος µέτρησης φυσικού αερίου. Μηνιαία Βαθµονόµηση των αναλυτών ειδικής µάζας (Sarasota) που µετρούν την πυκνότητα του αερίου µέγεθος που όπως είδαµε είναι ιδιαιτέρως σηµαντικό µια που υπεισέρχεται απευθείας στους υπολογισµούς της παροχής του Φυσικού Αερίου. Καθηµερινή Βαθµονόµηση των Χρωµατογράφων του Μετρητικού Συστήµατος οι οποίοι αναλύουν την σύσταση του φυσικού αερίου από την οποία υπολογίζεται η θερµογόνος δύναµη και όλα τα παράγωγα µεγέθη του φυσικού αερίου. Σηµαντικός υπολογισµός είναι επίσης αυτός της πυκνότητας του αερίου ως δευτερογενής υπολογισµός από την σύσταση του αερίου τα αποτελέσµατα του οποίου συγκρίνονται συνεχώς µε αυτά των αναλυτών ειδικής µάζας. Πιθανές αποκλίσεις εγείρουν συναγερµούς για ενέργειες θεραπείας από το προσωπικό του ΜΣΣ. Μηνιαία επιθεώρηση των µετρητικών δίσκων σχετικά µε την φυσική τους κατάσταση όπως επίσης και ενδεικτικές µετρήσεις των διαστά-

119 P a g e 114 σεων τους µε εξοπλισµό που διαθέτει ο Σταθµός. Ετήσιος ιαστατικός έλεγχος των Μετρητικών ίσκων σε διαπιστευµένο εργαστήριο σχετικά µε την διατήρηση της συµβατότητας των µετρητικών δίσκων µε τα εφαρµοζόµενα πρότυπα. Όλοι οι παραπάνω έλεγχοι γίνονται ανεξάρτητα των πιθανών προβληµάτων που µπορούν να ανιχνευθούν από το εποπτικό σύστηµα υπολογιστών του µετρητικού συστήµατος. Σε περίπτωση έκτακτων προβληµάτων είναι αυτονόητο ότι αυτά αποµονώνονται αυτόµατα και ακολουθούν όλες οι απαραίτητες ενέργειες για την επίλυση του προβλήµατος. Πρέπει να σηµειωθεί ότι στον µετρητικό σταθµό διατηρούνται µετρητικοί δίσκοι µε διαφορετική διάµετρο οπής, ώστε µε τον κατάλληλο συνδυασµό τους να επιτυγχάνεται η µέτρηση της α- παιτούµενης ποσότητας εντός των προδιαγραφών που ορίζουν τα εφαρµοζό- µενα πρότυπα. Η επιµελής τήρηση των ανωτέρω διασφαλίζει την διατήρηση του συστήµατος µέτρησης εντός των προδιαγραφών και τις απαιτήσεις του αρχικού σχεδιασµού. Οι αναθεωρήσεις των προτύπων µέτρησης σε µια εγκατάσταση που είναι σε λειτουργία εκτός από τις αλλαγές στο λογισµικό για την ενσωµάτωση του νέου προτύπου επιφέρει και µεταβολές στον εξοπλισµό της εγκατάστασης ώστε αυτή να είναι πλέον συµβατή µε τα νέα πρότυπα για να µπορεί να τα εφαρµόσει. Όπως γίνεται αντιληπτό τέτοιες προσπάθειες γίνονται στο πλαίσιο ολοκληρωµένης µελέτης ώστε να λαµβάνονται προσεκτικά υπόψη όλες οι παρά- µετροι. Στην περίπτωση της µέτρησης για την κοστολόγηση του Φυσικού Αερίου ιδιαίτερα σε ιασυνοριακούς Σταθµούς όπως ο ΜΣΣ, το ζήτηµα της ακρίβειας της µέτρησης όπως γίνεται αντιληπτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό. Από την πλευρά του αγοραστή όσο και από τη πλευρά του πωλητή του Φυσικού Αερίου µπορεί εύκολα να συµφωνηθεί ότι η ακρίβεια στην µέτρηση αποτελεί η επίτευξη του καλύτερου δυνατού για την τήρηση των συνθηκών και των απαιτήσεων που απορρέουν από τις συµβατικές υποχρεώσεις.

120 P a g e 115 Κάθε συζήτηση για µέτρηση ροής µε ακρίβεια θα πρέπει να περιλαµβάνει ε- κείνο το κοµµάτι που θα αναφέρεται στα αποτελέσµατα που µπορούν να επιτευχθούν εάν ληφθούν όλα τα προληπτικά µέτρα. Χωρίς την πλήρη πιστοποίηση των πηγών των πληροφοριών οι αριθµοί δεν έχουν καµία αξία. Ωστόσο η εµπειρία µας λέει ότι ο µόνος τρόπος για την επίτευξη των αποτελεσµάτων αυτών είναι η εφαρµογή όλων των κανόνων της καλής πρακτικής όσο αφορά τον σχεδιασµό την εγκατάσταση, την λειτουργία και την συντήρηση των αντίστοιχων συστηµάτων µέτρησης.

121 P a g e Οι µετρητές της ροής µε υπέρηχους Εισαγωγή Η χρήση του υπέρηχου στις µετρήσεις της ροής αναφέρεται σε ένα γερµανικό δίπλωµα ευρεσιτεχνίας που αρχειοθετήθηκε το Η ανάπτυξη των µετρητών ροής µε υπέρηχους έχει προχωρήσει σηµαντικά από τη στιγµή που έγινε η εµπορική εισαγωγή των πρώτων µετρητών ροής µε υπέρηχους στη δεκαετία του '50. Οι σηµερινοί µετρητές µε υπέρηχους που βασίζονται στην αρχή της "χρονικής-διαφοράς" είναι τώρα ικανοί για υψηλή απόδοση, µε µερικούς κατασκευαστές να παράγουν σήµερα προϊόντα 4 ης και 5 ης γενιάς. Μια µεγάλη ποικιλία τεχνικών µε υπέρηχους είναι διαθέσιµη για χρήση στη µέτρηση της ροής. Αυτή κυµαίνεται από τις απλές τεχνικές µέτρησης της ροής ως τις περίπλοκες τεχνικές απεικόνισης που χρησιµοποιούνται στους ιατρικούς τοµείς. Οι παρακάτω σηµειώσεις παρέχουν µια εισαγωγή σε αυτό που είναι τώρα ένα πολύ ενδιαφέρον θέµα στη θεωρία και στην πράξη Μετρητές της ροής του φυσικου αεριου µε υπέρηχους (ultrasonic flow meters) Οι µετρητές ροής µε υπέρηχους χρησιµοποιούν τα υπερηχητικά κύµατα για να µετρήσουν το ποσό της ροής στους κλειστούς σωλήνες και τα ανοικτά κανάλια. Τα υπερηχητικά κύµατα είναι ηχητικά κύµατα πέρα από τις συχνότητες που οι άνθρωποι µπορούν να ακούσουν. Οι περισσότεροι άνθρωποι µπορούν να ακούσουν τα ηχητικά κύµατα µεταξύ 20 και κύκλων ανά δευτερόλεπτο. Τα υπερηχητικά κύµατα είναι πάνω από κύκλους ανά δευτερόλεπτο, που τους καθιστούν µη ακουόµενους στα ανθρώπινα όντα. Οι µετρητές ροής µε υπέρηχους περιέχουν τους µετατροπείς που στέλνουν και λαµβάνουν αυτά τα υπερηχητικά κύµατα. Οι µετρητές ροής µε υπέρηχους στηρίζονται στο γεγονός ότι τα υπερηχητικά κύµατα ταξιδεύουν γρηγορότερα όταν ταξιδεύουν παράλληλα µε την κατεύθυνση του ρεύµατος της ροής από όταν ταξιδεύουν ενάντια σε αυτό. Οι συγκεκριµένοι µετρητές στέλνουν υπερηχητικά κύµατα διαµέσου του ρεύµατος ροής και µετρούν το χρόνο που κάνει το κύµα διασχίζοντας τη διαδροµή από τη µια πλευρά του σωλήνα στην άλλη. Χρησιµοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, ο µετρητής ροής µπορεί να υπολογίσει το ποσό της ροής. Οι µετρητές ροής µε υπέρηχους χρησιµοποιούνται για να µετρήσουν και τη ροή ενός υ- γρού και τη ροή ενός αερίου. Οι µετρητές ροής µε υπέρηχους µπορούν να ταξινοµηθούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε τη µέθοδο εγκατάστασής τους: στους στερεωµένους µετρητές (clamped-on) και στους ευθύγραµµους µετρητές (inline).

122 P a g e 117 Ο clamped-on τύπος βρίσκεται έξω από το σωλήνα. Μπορεί εύκολα να εγκατασταθεί στα υπάρχοντα συστήµατα σωληνώσεων χωρίς ανησυχία για προβλήµατα διάβρωσης. Τα clamped-on σχέδια βοηθούν, επίσης, στη φορητότητα (στη µεταφορά δηλαδή) του µετρητή. Ο ευθύγραµµος τύπος, από την άλλη, απαιτεί φλάντζες ή γκοφρέτες για την εγκατάστασή του. Εντούτοις, προσφέρει συνήθως καλύτερη ακρίβεια και οι διαδικασίες βαθµονόµησής του είναι απλούστερες. Οι µετρητές ροής µε υπέρηχους είναι σχεδιασµένοι για να λειτουργούν και στους κλειστούς σωλήνες και στα ανοικτά κανάλια. Στους κλειστούς σωλήνες, λειτουργούν και στις εφαρµογές υγρού και στις εφαρµογές αερίου. Η υπερηχητική εργασία, περιλαµβάνει την αποστολή ενός υπερηχητικού σήµατος υπό µορφή κύµατος από τη µια πλευρά του σωλήνα στην άλλη και τη µέτρηση του χρόνου που παίρνει για το σήµα να διασχίσει τη διαδροµή αυτή. Το ρεύµα του υγρού ή του αερίου έχει επιπτώσεις στο σήµα και η ταχύτητα του ρεύµατος είναι ανάλογη προς το χρόνο-ταξιδιού του υπερηχητικού σήµατος από τη µια πλευρά του σωλήνα στην άλλη. Οι µετρητές ροής µε υπέρηχους λειτουργούν µε βάση τη µέτρηση του χρόνου-ταξιδιού του υπερηχητικού κύµατος και τον υπολογισµό της ταχύτητας της ροής µε βάση τη συγκεκριµένη µέτρηση. Υπάρχουν δύο τύποι µετρητών ροής µε υπέρηχους: χρονικής-διαφοράς και doppler. Και οι δύο τύποι εξαρτώνται από το γεγονός ότι το ρεύµα έχει επιπτώσεις στο χρόνο-ταξιδιού του υπερηχητικού κύµατος. Και οι µετρητές χρονικής-διαφοράς και οι µετρητές ροής doppler περιλαµβάνουν µετατροπείς για την αποστολή και τη λήψη των σηµάτων. Και οι δύο προαναφερθέντες τύποι µετρητών ροής περιγράφονται αναλυτικά στο επόµενο κεφάλαιο. Ενώ οι µετρητές ροής µε υπέρηχους υπάρχουν και σε στερεωµένη µορφή και σε ευθύγραµµη, οι µετρητές µε σφιγκτήρα (clamp-on) έχουν περιοριστεί µέχρι τώρα στις εφαρµογές των υγρών. Τα clamp-on πρότυπα (µοντέλα µετρητών) µπορούν να εγκατασταθούν χωρίς να αναταράξουν το ρεύµα ροής και στερεώνονται απλά επάνω και έξω από το σωλήνα. Τα πρότυπα κοµµατιούστροφίων (spool piece) εγκαθίστανται από µια κοπή µέσα στο σωλήνα και είναι συνήθως συνηµµένα µε φλάντζες. Οι clamp-on µετρητές χρησιµοποιούνται συνήθως στη βιοµηχανία ύδατος ως µέσα επαλήθευσης της ροής. Εντούτοις, λόγω των πρόσφατων βελτιώσεων στην απόδοσή τους, η χρήση τους ως αρχική συσκευή µέτρησης αυξάνεται και ενεργούν τώρα ως µια αξιόπιστη εναλλακτική λύση στους εισβάλλοντες και ηλεκτροµαγνητικούς µετρητές ροής για µεγάλης-αντοχής εφαρµογές. Ένα πλεονέκτηµα των clamp-on µετρητών είναι ότι µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε ποικίλα µεγέθη σωλήνων, ενώ τα

123 P a g e 118 πρότυπα κοµµατιού-στροφίων πρέπει να κοπούν για να προσαρµοστούν στο µέγεθος του σωλήνα που εγκαθίστανται. Μια άλλη µορφή µετρητών, είναι οι µετρητές ζεστής-βρύσης (hot-tap). Στους µετρητές ζεστής-βρύσης, µια τρύπα τρυπιέται µε τρυπάνι στο σωλήνα και ο µετατροπέας παρεµβάλλεται σε αυτό το άνοιγµα. Εικόνα 4: Αυτός ο πολλαπλών-διαδροµών µετρητής ροής µε υπέρηχους µε τη µέθοδο της χρονικής-διαφοράς, χρησιµοποιεί τέσσερα ζευγάρια µετατροπέων για να στείλει και να λάβει ένα υπερηχητικό σήµα πάνω στο ίδιο µήκος πορειών. Οι τιµές που δίνονται από τις διαφορετικές πορείες υπολογίζονται κατά µέσο όρο για να ληφθούν οι µετρήσεις του ρυθµού της ροής του αερίου ακριβέστερα από εκείνες που παρέχονται από τους µετρητές ενιαίαςδιαδροµής.

124 P a g e 119 Εικόνα 5: Ένα παράδειγµα ενός φορητού (clamp-on) µετρητή µε υπέρηχους, οποίος βρίσκεται έξω από το σωλήνα και µπορεί άνετα να µεταφέρεται Βασικές αρχές µετρητών µε υπερήχους Το σχήµα 6.14 παρουσιάζει ένα σχηµατικό διάγραµµα ενός υπερηχητικού (ultrasonic) µετατροπέα (transducer). Στην υποδοχή, οι δυνάµεις που ασκούνται στο µετατροπέα προκαλούν µια τάση στα ηλεκτρόδια. Στη µετάδοση, εµφανίζεται η αντίστροφη επίδραση. Σχήµα 6.14: Ένα σχηµατικό διάγραµµα ενός πιεζοηλεκτρικού υπερηχητικού µετατροπέα.

125 P a g e 120 Οι περισσότεροι υπερηχητικοί µετατροπείς χρησιµοποιούν τις πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες των κρυστάλλινων υλικών, των κεραµικών ή των πολυµερών ταινιών. Οι µετατροπείς είναι κρίσιµα στοιχεία σε οποιοδήποτε σύστηµα ενοργάνωσης µε τα κριτήρια απόδοσης να εξαρτώνται από τη µεµονωµένη ζήτηση των συστηµάτων. Γενικά, η απόδοση καθορίζεται από τις πιεζοηλεκτρικές, µηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του µετατροπέα και του περιβάλλοντός του. Η δύναµη που παράγεται στο πρόσωπο του µετατροπέα προκαλεί τα κύµατα πίεσης (ήχος) στο ρεύµα. Εάν η συχνότητα αυτών των ακουστικών κυµάτων είναι µεγαλύτερη από ~16 khz, αυτά είναι ταξινοµηµένα όπως στο σχήµα Τα συστατικά µέρη ενός γενικευµένου συστήµατος µε υπέρηχους είναι τα στοιχεία των µετατροπέων, η ηλεκτρονική διέγερση και ανίχνευση, ο έλεγχος των συστηµάτων, η επεξεργασία του σήµατος, η επεξεργασία των δεδοµένων και τα στοιχεία της παρουσίασης των στοιχείων όπως αποτυπώνονται στο σχήµα Σχήµα 6.15: Ένα γενικευµένο σύστηµα µέτρησης µε υπέρηχους. Ποικίλες µορφές ηλεκτρικής διέγερσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν (π.χ. το συνεχές κύµα, η τονική έκρηξη, η παλλόµενη έκρηξη κλπ.), όπως παρουσιάζονται στο σχήµα και επιπλέον η ανίχνευση των σηµάτων και η επεξεργασία που χρησιµοποιείται για να µετρηθεί το σχετικό µε τη ροή σήµα µπορούν να ποικίλλουν και στη µεθοδολογία και στην εφαρµογή.

126 P a g e 121 Τεχνικές Μετρητές ροής µε υπέρηχους διάφορων τύπων έχουν αναπτυχθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών και νέες έννοιες και υβριδικές εξελίξεις προκύπτουν συνέχεια. Επιλεγµένες τεχνικές µέτρησης παρουσιάζονται στο σχήµα Παθητική ακουστική Σκόρπισµα δίνης Εκτροπή ακτινών Σχήµα 6.16: Μια απεικόνιση των τεχνικών µέτρησης της ροής µε υπέρηχους Σηµειώσεις Είναι ουσιαστικό να ακολουθηθούν προσεκτικά οι οδηγίες λειτουργίας του κατασκευαστή. Τα πρώτα προβλήµατα µε τους µετρητές ροής µε υπέρηχους οφείλονταν ίσως, τουλάχιστον εν µέρει, στους χρήστες που δεν καταλάβαιναν τη σηµασία ορισµένων βασικών αρχών όπως το κατάλληλο µοντάρισµα των µετατροπέων στο σωλήνα. Η ακουστική σύζευξη στο σωλήνα και η σχετική ευθυγράµµιση των µετατροπέων πρέπει να διατηρηθούν παρά την ύπαρξη τυχόν προβληµάτων όπως µια µεγάλη αλλαγή στη θερµοκρασία των σωλήνων ή µια ασυνήθιστη δόνηση. Οι µετρητές doppler και οι µετρητές χρονικής-διαφοράς για να δείξουν το αληθινό ογκοµετρικό ποσοστό της ροής, θα πρέπει ο σωλήνας να είναι πάντα πλήρης. Ένας µετρητής doppler σε έναν µερικώς πλήρη σωλήνα, ε- ντούτοις, θα συνεχίσει να δείχνει την ταχύτητα της ροής εφ' όσον τοποθετούνται και οι δύο µετατροπείς κάτω από το επίπεδο του υγρού ή του αερίου στο σωλήνα.

127 P a g e 122 Οι περισσότεροι κατασκευαστές διευκρινίζουν την ελάχιστη απόσταση που θα πρέπει να έχει ο µετρητής από τις βαλβίδες, τους αγκώνες, τις αντλίες-και από την πάνω πλευρά και από την κάτω. Αυτό εκφράζεται συνήθως στις δια- µέτρους των σωλήνων και πρέπει χαρακτηριστικά να είναι 10,20 διάµετροι προς τα πάνω και 5 διάµετροι προς τα κάτω. Οι µετρητές χρονικής-διαφοράς στηρίζονται σ ένα υπερηχητικό σήµα που διαπερνά εντελώς το σωλήνα, έτσι ώστε η πορεία να είναι σχετικά χωρίς στερεά και φυσαλίδες αέρα ή αερίου. Οι φυσαλίδες ιδιαίτερα τείνουν να µειώσουν τα ακουστικά σήµατα. Τα ηλεκτρονικά στοιχεία του κυκλώµατος της µονάδας χρησιµοποιούν µια τεχνική µετασχηµατισµού κατά Fourier για να εξασφαλιστεί µια προηγµένη αντι-φυσαλιδική µέτρηση. Οι µετρητές doppler, αφ' ετέρου, στηρίζονται στους ανακλαστήρες στο ρέον υγρό ή αέριο. Για να ληφθούν αξιόπιστες µετρήσεις, εποµένως, η προσοχή πρέπει να δοθεί στα χαµηλότερα όρια για τις συγκεντρώσεις και τα µεγέθη των στερεών ή των φυσαλίδων. Η ροή πρέπει επίσης να είναι αρκετά γρήγορη για να κρατήσει αυτά τα υλικά στην αναστολή. Οι κατασκευαστές δίνουν ως χαρακτηριστικές τις τιµές 6 ft/s (1,8 m/s) για τα στερεά και 2,5 ft/s (0,75 m/s) για τις µικρές φυσαλίδες. Τα τελευταία χρόνια, µερικοί προµηθευτές των µετρητών doppler έχουν εισάγει πρότυπα που λειτουργούν σε συχνότητες µικρότερες του 1 MHz. Η αξίωση για τέτοιες µονάδες είναι ότι θα λειτουργήσουν σε ουσιαστικά καθαρά ρεύµατα επειδή οι αντανακλάσεις θα εµφανιστούν από τους στροβίλους. Συνιστάται, εντούτοις, στους ενδεχόµενους χρήστες να περιορίσουν την τεχνική σε χαµηλές συγκεντρώσεις φυσαλίδων και µορίων. Επειδή στη λειτουργία των µετρητών ροής µε υπέρηχους η ενέργεια για τη µέτρηση περνά µέσω µέρους µόνο του µετρούµενου υγρού ή αερίου, ο αριθµός Reynolds, ο οποίος µπορεί να θεωρηθεί ως αναλογία µεταξύ των αδρανών δυνάµεων και των ιξωδών δυνάµεων σε ένα ρεύµα ροής, έχει επιπτώσεις στην απόδοση του µετρητή. Παραδείγµατος χάριν, για να αποδώσουν µέσα στις δηλωµένες προδιαγραφές τους, µερικοί µετρητές doppler και χρονικήςδιαφοράς, απαιτούν ελάχιστους αριθµούς Reynolds και , αντίστοιχα. Για τέτοιους περιορισµούς, ο κατασκευαστής πρέπει να καθοδηγήσει το χρήστη. Στους µετρητές µε σφιγκτήρα, χαρακτηριστικά, απαιτείται το πάχος του τοίχου των σωλήνων να είναι σχετικά µικρό σε σχέση µε την απόσταση που η υπερηχητική ενέργεια πρέπει να περάσει µέσω του µετρούµενου υγρού ή αερίου. Κατά γενικό κανόνα, η αναλογία της διαµέτρου των σωλήνων µε το πάχος των τοίχων πρέπει να είναι µεγαλύτερη από 10:1, π.χ. ένας σωλήνας 10 µέτρων δεν πρέπει να έχει πάχος τοίχων µικρότερο του ενός µέτρου. Παρά τη βιοµη-

128 P a g e 123 χανική επιτυχία των µετρητών ροής µε σφιγκτήρα, έχουν γίνει αποδεκτοί από καιρό σαν να υπήρχε ένα θεµελιώδες όριο που επιβλήθηκε από τη φύση, ότι αυτή η τεχνολογία δεν θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί για να µετρήσει τη ροή των αερίων στους µεταλλικούς σωλήνες. Όσον αφορά την ακρίβεια των µετρητών ροής µε υπέρηχους, δεν υπάρχουν ακόµα πολλά στοιχεία δοκιµής για να επιβεβαιώσουν ή να αντικρούσουν τις εκτιµήσεις που γίνονται από τους διάφορους κατασκευαστές. εδοµένου ότι η χρήση αυτών των µετρητών γίνεται πιο διαδεδοµένη, κάποιος µπορεί να ελπίσει ότι η διαθεσιµότητα των στοιχείων θα είναι περίπου ίση µε αυτήν που υπάρχει στους µετρητές στοµίων, που υποστηρίζονται από έναν πλούτο στοιχείων και προτύπων δοκιµής. Και οι δύο τύποι υπερηχητικών µετρητών (Doppler και χρονικής-διαφοράς) βρίσκουν νέες εφαρµογές. Μια οργάνωση έρευνας αγοράς έχει καθορίσει ότι οι εφαρµογές των διέλευσης-χρόνου µετρητών αυξάνονται µε γρηγορότερο ποσοστό από αυτό των µετρητών doppler. Αυτή τη στιγµή, οι εγκαταστάσεις είναι περίπου 60/40 υπέρ των τύπων διέλευσης-χρόνου. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία, εντούτοις, µπορούν να έχουν πολλές επιπτώσεις σε αυτήν την εικόνα και µόνο ο χρόνος θα δείξει τι µέλλει γενέσθαι Πειραµατικές συσκευές Για να καθοριστεί η ισχύς των ενιαίας και των πολλαπλής-διαδροµής σχεδίων στους µετρητές µε υπέρηχους, πραγµατοποιήθηκαν διάφορα πειράµατα- µε χρησιµοποιούµενο µέσο το φυσικό αέριο-από το Ερευνητικό Ίδρυµα Αερίου (GRI) και υπό την αιγίδα του ερευνητικού ιδρύµατος Southwest Research Institute. Η έρευνα αυτή πραγµατοποιήθηκε εκτενώς σε µετρητές 200mm και µε ενιαίας-πορείας σχεδίαση, αλλά και σε µετρητές µε πολλαπλήςδιαδροµής σχεδίαση. Η ταχύτητα των σωλήνων κυµαινόταν από 1,5 έως 21,3 m/s (5 έως 70 f/s) µε συνέπεια να παρθούν αριθµοί Reynolds από περίπου έως Οι δοκιµές έγιναν στους ακόλουθους δυναµικούς όρους (συνθήκες): o πλήρως αναπτυγµένη ροή o στροβιλισµένη ροή o µη-συµµετρική, µη-στροβιλισµένη ροή Η πλήρως αναπτυγµένη ροή επιτεύχθηκε µε χρήση της τεχνικής αποµόνωσης και εφαρµόστηκε σε έναν ευθύγραµµο σωλήνα µε 80 διαµέτρους (80D).

129 P a g e 124 Η µη-συµµετρική, µη-στροβιλισµένη ροή επιτεύχθηκε µε χρήση της τεχνικής αποµόνωσης και εφαρµόστηκε σε έναν ευθύγραµµο σωλήνα µε 40 διαµέτρους (40D) και µε έναν αγκώνα γωνίας 90. Η στροβιλισµένη ροή επιτεύχθηκε επίσης µε την τεχνική της αποµόνωσης και εφαρµόστηκε σε έναν ευθύγραµµο σωλήνα µε 40 διαµέτρους (40D) και µε έ- ναν αγκώνα γωνίας 90. Αυτός ο συνδυασµός έγινε για να παραχθούν γωνίες στροβίλου από 15 έως 20. Τα πειράµατα κατέδειξαν την ισχύ της νέας τεχνικής. Η σχεδίαση ενιαίαςπορείας έδειξε ένα σφάλµα µε απόκλιση περίπου ±0.50 τοις εκατό του πραγ- µατικού ποσού της ροής και στους "διαταραγµένους" και στους "καλούς" ό- ρους ροής για ταχύτητες µεγαλύτερες από 3 mps (10 fps). Ενώ αυτή η απόδοση είναι ίση µε την αντίστοιχη της σχεδίασης των πέντε-πορειών, αυτή επιτυγχάνεται µε το ένα πέµπτο των µετατροπέων και των χορδικών πορειών. Για να καθοριστεί η ισχύς της διπλής-πορείας, στα πειράµατα που πραγµατοποιήθηκαν µε χρήση του φυσικού αερίου, έγινε χρήση ενός σχεδίου διπλήςπορείας και ενός σχεδίου τριπλής-πορείας. Και πάλι όµως, τα πειράµατα κατέδειξαν την ισχύ της νέας τεχνικής. Η σχεδίαση της διπλής-πορείας έδειξε ένα σφάλµα µε απόκλιση περίπου ±0.25 τοις εκατό του πραγµατικού ποσού της ροής και στους "διαταραγµένους" και στους "καλούς" όρους ροής για ταχύτητες µεγαλύτερες από 3 mps (10 fps). Ενώ αυτή η απόδοση υπερβαίνει την αντίστοιχη της σχεδίαση των πέντε-πορειών ή της σχεδίασης Gaussian τεσσάρων-πορειών κατά δύο έως έξι φορές, αυτή επιτυγχάνεται µε τουλάχιστον τους µισούς µετατροπείς και τις χορδικές πορείες. Η σχεδίαση τριπλής-πορείας έδειξε ένα σφάλµα µε απόκλιση περίπου ±0.15 τοις εκατό του πραγµατικού ποσού της ροής και στους "διαταραγµένους" και στους "καλούς" όρους ροής για ταχύτητες µεγαλύτερες από 3 mps (10 fps). Αυτή η απόδοση υπερβαίνει την αντίστοιχη της σχεδίασης των πέντεπορειών ή της σχεδίασης Gaussian τεσσάρων-πορειών κατά τέσσερις έως δώδεκα φορές. Αυτή η απόδοση δεν έχει επιτευχθεί από οποιοδήποτε εµπορικό ή επιστηµονικό σχέδιο µέχρι σήµερα. Η νέα τεχνική ολοκληρώνει αυτήν την απόδοση µε λιγότερους µετατροπείς και χορδικές πορείες µε συνέπεια µια σηµαντική αποταµίευση στο κόστος παραγωγής. Μια σχεδίαση τετραπλής και άνω-πορείας προβλέπεται να έχει ένα σφάλµα µε απόκλιση περίπου ±0.10 τοις εκατό ή και λιγότερο του πραγµατικού ποσού της ροής και στους "διαταραγµένους" και στους "πλήρως αναπτυγµένους" ό- ρους ροής για ταχύτητες µεγαλύτερες από 3 mps (10 fps). Φυσικά, είναι ση- µαντικό να σηµειωθεί ότι η συγκεκριµένη απόκλιση για τα παγκόσµιας κατη-

130 P a g e 125 γορίας εργαστήρια ροής είναι περίπου το ένα τέταρτο του ποσοστού (±0.25%) που χρησιµοποιεί το φυσικό αέριο ή τον αέρα ως µέσο ροής. Παρακάτω, στο σχήµα 6.17, παρατίθενται σχηµατικά (σφάλµα e σε συνάρτηση µε την ταχύτητα-velocity) τα αποτελέσµατα των συγκεκριµένων πειραµάτων για τα σχέδια ενιαίας-single, διπλής-2 Path και τριπλής-3 Path-πορείας.

131 P a g e 126 Σχήµα 6.17: Γραφικές παραστάσεις των αποτελεσµάτων των πειραµάτων που πραγµατοποιήθηκαν από το Ερευνητικό Ίδρυµα Αερίου (GRI) και υπό την αιγίδα του ερευνητικού ιδρύµατος Southwest Research Institute για να καταδειχθεί η ισχύς των µετρητών µε σχεδιάσεις [1] ενιαίας-single, Στατιστική Ανάλυση [2] διπλής-2 Path και [3] τριπλής-3 Path-πορείας. Τα ακόλουθα στατιστικά αποτελέσµατα δείχνουν το επίπεδο εµπιστοσύνης στην απόδοση για τα διάφορα σχέδια των µετρητών. Τα στατιστικά αποτελέσµατα ως λειτουργία της µέσης ταχύτητας (σε fps) των σωλήνων για τα διάφορα σχέδια των µετρητών είναι (όπου ReD-ο αριθµός Reynolds):

132 P a g e 127 Τα στατιστικά αποτελέσµατα ως λειτουργία της "πλήρως αναπτυγµένης" ροής ή της "διαταραγµένης ροής" για τα διάφορα σχέδια των µετρητών είναι τα ακόλουθα: Σηµείωση: Τα στατιστικά αναφέρονται σε ταχύτητες µεγαλύτερες από 6 fps. Γραφικές παραστάσεις για τα σχέδια διπλής-πορείας Χαρακτηριστικά, στην επόµενη σελίδα, παρουσιάζεται το σύνολο των γραφικών παραστάσεων (σφάλµα e σε συνάρτηση µε την ταχύτητα-velocity) µόνο για τα σχέδια διπλής-πορείας.

133 P a g e 128 Σχήµα 6.18: Γραφικές παραστάσεις για τα σχέδια διπλής-πορείας. Συµπεράσµατα Ο νέος µετρητής ροής µε υπέρηχους σε "πραγµατικές" συνθήκες, αλλά και σε "εργαστηριακές" συνθήκες παρέχει τα εξής: Ελαχιστοποιεί το σφάλµα λόγω των προκληθείσων διαταραχών στη ροή στους σωλήνες.

134 P a g e 129 Εξασφαλίζει ότι η εργαστηριακή βαθµονόµηση είναι µεταβιβάσιµη στον τοµέα. Παρέχει προηγµένο έλεγχο της "υγείας" του µετρητή της ροής. Μειώνει σηµαντικά το κόστος. Τα αποτελέσµατα των πειραµάτων καταδεικνύουν την ισχύ της τεχνικής και την απόδοσή της. τα σχέδια ενιαίας-πορείας κατέδειξαν µια απόκλιση σφάλµατος της τάξης του ±0.50%. τα σχέδια διπλής-πορείας κατέδειξαν µια απόκλιση σφάλµατος της τάξης του ±0.25%. τα σχέδια τριπλής-πορείας κατέδειξαν µια απόκλιση σφάλµατος της τάξης του ±0.15%. τα σχέδια τετραπλής-πορείας κατέδειξαν µια προσδοκώµενη απόκλιση σφάλµατος της τάξης του ±0.10%. Η παρούσα εφεύρεση αφορά µια µέθοδο για την ένδειξη των χαρακτηριστικών της ροής ενός µέσου (αερίου ή υγρού) σε ένα κανάλι-αγωγό µε την εγκατάσταση ενός διαµορφωτή-ρυθµιστή των συνθηκών της ροής (flow conditioner) µε την τεχνική της αποµόνωσης, χρησιµοποιώντας έπειτα τους χρονικές διαφορές των ακουστικών σφυγµών, για να µετρηθεί ακριβώς η ταχύτητα κατά µήκος της ακουστικής πορείας. Τα ερευνητικά αποτελέσµατα καταδεικνύουν δυνατότητες οι οποίες ξεπερνούν σηµαντικά αυτές των τρεχόντων εµπορικών συσκευών και µε πολύ χαµηλότερο κόστος. Επιπλέον, η παρούσα εφεύρεση παρέχει τη δυνατότητα να µετρηθεί η "πραγµατικού υγεία" του µετρητή της ροής. Με βάση τα αποτελέσµατα που επιτυγχάνονται από αυτά τα πρότυπα- µοντέλα, υπάρχουν ενδείξεις ότι η τεχνική αυτή µπορεί να ισοσταθµίσει ή να υπερβεί τα επίπεδα σφάλµατος που απαιτούνται από τα εργαστήρια ροής του αερίου. Εντούτοις, απαιτείται µια εκτενής έρευνα προτού να µπορέσουν να τεκµηριωθούν αυτές οι αξιώσεις σφάλµατος µέσω της αξιόπιστης έρευνας και των πληρέστατων εξεταστικών προγραµµάτων.

135 P a g e Βασικοί τύποι και εφαρµογές των µετρητών της ροής µε υπέρηχους Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά στους βασικότερους και δηµοφιλέστερους µετρητές της ροής που χρησιµοποιούνται σήµερα στις εφαρµογές του φυσικού αερίου. Οι κυριότεροι τύποι των συγκεκριµένων µετρητών περιλαµβάνουν: Τους µετρητές της "χρονικής-διαφοράς" (transit-time flow meters). Τους µετρητές Doppler. Τους µετρητές "πολλαπλών-πορειών" (multi-path flow meters). Τους µετρητές "συσχέτισης" (cross-correlation flow meters). Τους µετρητές µε σφιγκτήρα (clamp-on flow meters). Κάποιους ειδικούς µετρητές, οι οποίοι δεν εντάσσονται σε καµία από τις παραπάνω κατηγορίες Βασικές αρχές του µετρητή χρονικής διαφοράς Οι µετρητές της "χρονικής-διαφοράς" βασίζονται στη µέτρηση του χρόνου διάδοσης των ακουστικών κυµάτων δια µέσω του αερίου. Αυτοί οι χρόνοι διέλευσης (χρονικές διαφορές) καθορίζονται και στην κατεύθυνση της ροής και ενάντια σε αυτήν. Εξετάζοντας τη γενική γεωµετρία των ακτίνων που παρουσιάζεται στο σχήµα 6.19, ο προς τα πάνω χρόνος διέλευσης και ο προς τα κάτω χρόνος διέλευσης δίνονται από τις σχέσεις: όπου C= velocity of sound in the gas in still condition t up L = και ( Cf u *cosθ ) t down L =, ( Cf + u *cosθ ) ū =1/L vdx Σχήµα 6.19: Γενική γεωµετρία των ακτίνων για τη µέτρηση της ταχύτητας της ροής στους µετρητές "χρονικήςδιαφοράς".

136 P a g e 131 Μέτρηση της ταχύτητας Υπάρχουν τέσσερις µέθοδοι µε τις οποίες εκτελείται η µέτρηση της ταχύτητας: η µέθοδος της άµεσης χρονικής διαφοράς, της διαφοράς φάσης, του ε- λέγχου της φάσης και της διαφοράς στη συχνότητα. Στους σύγχρονους µετρητές ροής η µέθοδος της άµεσης χρονικής διαφοράς είναι η πιο κοινή. Οι σφυγµοί διαδίδονται προς τα πάνω και προς τα κάτω και το χρονικό διάστηµα για κάθε διέγερση /ανίχνευση µετριέται µε ένα ακριβές ρολόι υψηλήςσυχνότητας. Οι εκφράσεις για τους προς τα πάνω και προς τα κάτω χρόνους διέλευσης επιλύονται έπειτα για το ū ως εξής: t t t C C 1 1 ( u *cosθ ) u *cos ) f ( θ f = L down up up * t t t up down down 2* u *cosθ = L 2 L t L u= * = * 2*cosθ 2* d t up t down t up t t down Πολλαπλασιάζοντας το ū µε τη διατοµή του τοµέα της ροής, Α, λαµβάνεται το ογκοµετρικό ποσό της ροής: q v 2 L = A* * 2 * d t up t t down [Σ 6.42] Η θεωρία, µε αυτήν την µορφή, παραµελεί το γεγονός ότι λόγω της ανοµοιό- µορφης διανοµής της ταχύτητας στη διατοµή, η ταχύτητα που µετριέται σχετικά µε µια πεπερασµένη πορεία µπορεί να µην είναι µια ακριβής αντιπροσώπευση της µέσης ταχύτητας στη διατοµή. Παρακάτω παρουσιάζεται ένα σχηµατικό διάγραµµα των µεθόδων µέτρησης της ταχύτητας (α) της διαφοράς στη συχνότητα, (β) της διαφοράς φάσης και (γ) του έλεγχου της φάσης. (α) ιαφορά στη συχνότητα

137 P a g e 132 (β) ιαφορά φάσης (γ) Έλεγχος της φάσης Σχήµα 6.20: Σχηµατικές αναπαραστάσεις των συστηµάτων µέτρησης µε την αρχή της "χρονικής-διαφοράς". Οι άµεσες µέθοδοι, αν και σχετικά απλές σε γενικές γραµµές, µπορούν να παρουσιάσουν δυσκολίες στην ακριβή µέτρηση του χρόνου-διέλευσης των σηµάτων. Μια σχετικά απλή άµεση µέθοδος ανιχνεύει τον πρώτο χρόνο του κυµατοειδούς σφυγµού αφότου έχει υπερβεί ένα δεδοµένο επίπεδο κατώτατων ορίων. Αυτή η τεχνική είναι, εντούτοις, επιρρεπής σε λάθη λόγω της διαστρέβλωσης του θορύβου και του κυµατοειδούς. Σε µία προσπάθεια να εξαλειφθούν τα προβλήµατα που συνδέονται µε το θόρυβο, τη διαστρέβλωση και τη µείωση, υιοθετούνται από µερικούς κατασκευαστές σύνθετες µέθοδοι επεξεργασίας του ψηφιακού σήµατος, όπως η ανίχνευση συσχετισµού. Αυτές οι τεχνικές έχουν αποδειχθεί πιο γερές και έχουν επεκτείνει τις δυνατότητες εφαρµογής των µετρητών "χρονικής-διαφοράς". Η απόδοση των µετρητών Η απόδοση των µετρητών "χρονικής-διαφοράς" εξαρτάται από διάφορους παράγοντες συµπεριλαµβανοµένων: Της ακρίβειας µε την οποία είναι γνωστές οι διαστάσεις του αγωγού και της ακουστικής πορείας. Της ακρίβειας της µέτρησης της χρονικής-διαφοράς. Της ευαισθησίας της διαµόρφωσης των µετρητών στις εξαρτώµενες παραλλαγές του αριθµού Reynolds στο σχεδιάγραµµα της ταχύτητας της ροής. Υποθέτοντας ότι η µέτρηση της χρονικής διαφοράς είναι ανεξάρτητη από τη µέτρηση των προς τα πάνω και των προς τα κάτω χρόνων-διέλευσης και ότι το προϊόν αυτών των χρόνων µπορεί να προσεγγιστεί από το τετράγωνο του µέσου όρου τους, t, η εξίσωση [Σ 6.42] µπορεί να ξαναγραφεί ως: q v = k h πd * 4 2 * L 2 t * 2xt 2

138 P a g e 133 όπου D η διάµετρος του σωλήνα των µετρητών, L το µήκος της ακουστικής πορείας στο ρεύµα, x η αξονική προβολή της πορείας και k h, ο υδραυλικός παράγοντας ή παράγοντας διανοµής της ταχύτητας που δίνεται από: k h = u u actual measured Η αναµενόµενη απόδοση µπορεί τώρα να υπολογιστεί µε τον καθορισµό των συντελεστών ευαισθησίας της εξίσωσης [Σ 6.42] και τον υπολογισµό των αβεβαιοτήτων σε κάθε µια από τις παραµέτρους.

139 P a g e 134 Πίνακας Oι συντελεστές ευαισθησίας δ kh = q v / k h (x) k h /q v δ D = qv/ D (x) D/qv δ L = qv/ L (x) L/qv δ t = qv/ t (x) t/qv δ x = qv/ x (x) x/qv δ i = qv/ i (x) i/qv Παραδείγµατος χάριν, για ένα λάθος ενός τοις εκατό στο σωλήνα θα οδηγήσει σε ένα λάθος δύο τοις εκατό q v. Τέτοιες εκτιµήσεις είναι ιδιαίτερα σηµαντικές ιδιαίτερα στους µετρητές clamp-on δεδοµένου ότι οι διαστάσεις του αγωγού δεν µπορούν να είναι γνωστές µε µεγάλη βεβαιότητα. Τα παραπάνω εξηγούν επίσης µια δεδοµένη αβεβαιότητα σε t, καθώς η ταχύτητα µειώνεται και η µέτρηση της χρονικής διαφοράς τείνει προς µηδέν, ενώ η αβεβαιότητα στη µέτρηση του ποσού της ροής αυξάνεται. Το σχήµα 6.21 παρακάτω παρουσιάζει τις "τυπικές" προδιαγραφές των κατασκευαστών για την ακρίβεια στους όρους καλής εφαρµογής. Αβεβαιότητα (%) Ταχύτητα (m/s) Σχήµα 6.21: Ένα "τυπικό" χαρακτηριστικό απόδοσης των µετρητών "χρονικής-διαφοράς". ιανοµή της ταχύτητας Η διανοµή της ταχύτητας έχει µεγάλη σηµασία για τους µετρητές της "χρονικής-διαφοράς" στον τοµέα της δοσολογίας. Ακόµη και στις πλήρως αναπτυγ- µένες ροές η µετρηµένη ταχύτητα δεν είναι ένα µέτρο της µέσης ταχύτητας στο διαγώνιο τµήµα. Οι διαµορφώσεις διάµετρος-πορειών είναι οι πιο ευαί-

140 P a g e 135 σθητες στη διανοµή της ταχύτητας δεδοµένου ότι η έµφυτη ολοκλήρωση της ταχύτητας κατά µήκος της πορείας µέτρησης υπερεκτιµά την ταχύτητα της ροής λόγω των υψηλών κεντρικών ταχυτήτων όπως παρουσιάζεται στα σχή- µατα 6.22α και 6.22β για τα ελασµατικά και τα τυρβώδη σχεδιαγράµµατα α- ντίστοιχα (α) β) Σχήµα 6.22: Μια σύγκριση των διαµετρικών και των µέσων ταχυτήτων για τις ελασµατικές και τις τυρβώδεις ροές. Στις πλήρως αναπτυγµένες τυρβώδεις ροές ο παράγοντας της διανοµής της ταχύτητας, k h, µπορεί να υπολογιστεί ως λειτουργία του αριθµού Reynolds και της σχετικής τραχύτητας, k/r. Το σχήµα 6.23 παρουσιάζει τον παράγοντα k h της ροής για µετρητές που χρησιµοποιούν διαµετρικές πορείες (π.χ. τυπικοί clamp-on µετρητές).

141 P a g e 136 0,97 Παράγοντας kh 0,96 0, E E E E E+06 Αριθµός Reynolds Σχήµα 6.23: ιαµετρικό σχεδιάγραµµα του παράγοντα k h ως λειτουργία του αριθµού Reynolds Η Εφαρµογη ΤΟΥ µετρητή ροής της "χρονικής-διαφοράς" Επισκόπηση του σχεδίου: Οι µετρητές "χρονικής-διαφοράς" χρησιµοποιούν έναν υπερηχητικό σφυγµό που διαβιβάζεται µέσα και κατά µήκος του σωλήνα. Η βασική λειτουργία του µετρητή είναι να µετρήσει τη χρονική διαφορά (ή τη µετατόπιση της συχνότητας) µεταξύ του προς τα κάτω χρόνου-πτήσης (ή χρόνου-διέλευσης) και του προς τα πάνω χρόνου-πτήσης. Αυτή η χρονική διαφορά µπορεί έπειτα να συσχετιστεί µε το ποσό της ροής του ρεύµατος µέσα στο σωλήνα. Για να βοηθήσει στην εξήγηση του σχεδιασµού του µετρητή "χρονικής-διαφοράς", το σχήµα 6.24α παρουσιάζει δύο µετατροπείς που συνδέονται στις αντίθετες πλευρές ενός σωλήνα.

142 P a g e 137 Σε αυτό το σχήµα, το ū είναι η µέση ταχύτητα του ρεύµατος (υγρού ή αερίου), το Ζ (αναφέρεται και ως L επίσης) είναι η απόσταση από τον πάνω µετατροπέα προς τον κάτω µετατροπέα, και το θ είναι η γωνία µεταξύ της γραµµής των υπερηχητικών ση- µάτων και της οριζόντιας ροής του ρεύµατος. Ο χρόνος που παίρνει για το υπερηχητικό σήµα να πάει από τον πάνω µετατροπέα στον κάτω µετατροπέα µπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο: t down L =, ( Cf + u *cosθ ) Σχήµα 6.24α: Αυτό το διάγραµµα ενός µετρητή ροής "χρονικής-διαφοράς" παρουσιάζει το προς τα κάτω σήµα που διαβιβάζεται µεταξύ των δύο αισθητήρων-µετατροπέων. όπου το C f (αναφέρεται και ως V s ) είναι η ταχύτητα του ήχου µέσω του ρεύ- µατος και cosθ, το συνηµίτονο της γωνίας που σχηµατίζεται από την κατεύθυνση του υπερηχητικού σήµατος και την κατεύθυνση της ταχύτητας του ρεύ- µατος. Ο προς τα πάνω χρόνος µπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο (Σχήµα 6.24β): t up = L ( Cf u *cosθ ) Επειδή οι προς τα πάνω και οι προς τα κάτω συχνότητες µπορούν να παραχθούν ανάλογα µε τις αντίστοιχες χρονικές διαφορές τους, έχουµε: f down = t 1 down και f up = t 1 up όπου f down and f up οι προς τα κάτω και οι προς τα πάνω συχνότητες αντίστοιχα. Η αλλαγή στη συχνότητα µπορεί έπειτα να δοθεί από: 1 f = f down - f up = t down 1 - tup

143 P a g e 138 Με αντικατάσταση, έχουµε f = ( Cf + u * cosθ ) ( Cf L u *cosθ ) L Καθώς το (2 cosθ/l) είναι µια σταθερά, η τελική εξίσωση µπορεί να γραφτεί: f = kū Με k 2cosθ = L Αυτή, έπειτα, είναι η βασική σχέση που χρησιµοποιείται για να καθορίσει την ταχύτητα της ροής από τη µετρηµένη µετατόπιση της συχνότητας. Το ποσό της ροής µπορεί να υπολογιστεί χρησιµοποιώντας µια διόρθωση του αριθµού Reynolds για το σχεδιάγραµµα της ταχύτητας και µε τον προγραµµατισµό στην εσωτερική διάµετρο των σωλήνων. Η διόρθωση του αριθµού Reynolds λαµβάνει υπόψη τη συµπεριφορά του ρεύµατος ως ελασµατική, µεταβατική ή τυρβώδης. Αυτοί οι υπολογισµοί γίνονται ηλεκτρονικά και το ποσό της ροής ή το σύνολο της ροής µπορεί έπειτα να επιδειχθεί Σχήµα 6.24β: Αυτό το διάγραµµα παρουσιάζει την προς τα πάνω διαβίβαση των σηµάτων. Η διαφορά µεταξύ των προς τα πάνω και των προς τα κάτω χρόνων είναι ανάλογη προς την ταχύτητα της ροής. στις µονάδες εφαρµοσµένης µηχανικής. Κατά τρόπο αρκετά ενδιαφέροντα σε αυτό το όργανο, η µετατόπιση της συχνότητας µετριέται ανεξάρτητα από το C f. Αυτό είναι ένα πλεονέκτηµα, δεδοµένου ότι δεν θα είναι απαραίτητο να γίνουν διορθώσεις για τη διαφορά του C f λόγω των διακυµάνσεων της γραµ- µής-πίεσης και της θερµοκρασίας. Λαµβάνοντας υπόψη το σχέδιο ενιαίας πορείας που αναλύεται παραπάνω, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι ένας ενιαίος υπερηχητικός σφυγµός θα καθορίσει το σχεδιάγραµµα της ταχύτητας κατά µήκος της πορείας διέλευσης (δηλ. της πορείας του ακουστικού σήµατος) και όχι κατά µήκος της διατοµής των σωλήνων, όπου θα λαµβανόταν καλύτερη ακρίβεια.

144 P a g e 139 ιαγώνιος τρόπος Τρόπος αντανάκλασης Σχήµα 6.25: Τρόποι τοποθέτησης των µετατροπέων στους µετρητές της "χρονικής-διαφοράς". Οι υπερηχητικοί µετατροπείς µπορούν να τοποθετηθούν µε έναν από τους δύο παραπάνω τρόπους. Οι πάνω και οι κάτω υπερηχητικοί µετατροπείς µπορούν να εγκατασταθούν στις αντίθετες πλευρές του σωλήνα (διαγώνιος τρόπος) ή στην ίδια πλευρά (τρόπος αντανάκλασης). Μια ηλεκτρονική µονάδα µετράει εσωτερικά το χρόνο που παίρνει για τα σή- µατα να διαβιβαστούν από τον έναν µετατροπέα στον άλλο. Σε οποιαδήποτε ροή, δεν παρατηρείται καµία διαφορά εγκαίρως, αλλά όταν εισάγεται το ρεύ- µα, ο χρόνος για τη µετάδοση του σήµατος από τον κάτω µετατροπέα προς τον πάνω µετατροπέα θα πάρει περισσότερο από ότι αυτόν από πάνω προς τα κάτω. Ως εκ τούτου θα υπάρξει µια διαφορά χρόνου που έχει σχέση µε την ταχύτητα του ρευστού που µετριέται. Γνωρίζοντας την εσωτερική διάµετρο του σωλήνα, µπορεί να υπολογιστεί η ογκοµετρική ροή του ρεύµατος. Τα υπερηχητικά σήµατα διαβιβάζονται αρχικά στην κατεύθυνση του ρεύµατος (1) και έ- πειτα ενάντια στη ροή (2). εδοµένου ότι η ηχητική ενέργεια σε ένα υγρό ή αέριο κινείται γρηγορότερα όταν ταξιδεύει στην κατεύθυνση της ροής απ' ό,τι ενάντια σε αυτήν, θα εµφανιστεί µια χρονική διαφορά (3) µεταξύ του χρόνου πτήσης των σηµάτων. Ο χρόνοςπτήσης (ή χρόνος-διέλευσης) των σηµάτων µετριέται ακριβώς και στις κατευθύνσεις ροής και στη διαφορά που υπολογίζεται εγκαίρως. Η χρονική διαφορά των υπερηχητικών σηµάτων είναι ανάλογη προς την ταχύτητα της ροής στο σωλήνα. Η µετρηµένη ταχύτητα ροής πολλαπλασιάζεται µε τη διατοµή του σωλήνα για να υπολογιστεί το ποσό της ροής του ρεύµατος.

145 P a g e 140 Πλεονεκτήµατα: Το κύριο πλεονέκτηµα του µετρητή της "χρονικής-διαφοράς" είναι ότι λειτουργεί εξαιρετικά µε τα καθαρά ρεύµατα. Αυτό επιτρέπει στο χρήστη να διατηρήσει την ακεραιότητα του ρεύµατος ακόµα και µετρώντας παράλληλα τη ροή. Άλλα πλεονεκτήµατα παρατίθενται παρακάτω. Εύκολη εγκατάσταση των µετατροπέων επάνω στο σωλήνα. Κανένα κινούµενο µέρος που φθείρεται. Καµία πτώση πίεσης. Μπορεί να ανιχνεύσει µια µηδενική ροή. Καµία µόλυνση της διαδικασίας. Λειτουργεί καλά µε τα καθαρά και εξαιρετικά καθαρά ρεύµατα. Λειτουργεί µε µεγέθη σωλήνων που κυµαίνονται από 1in. έως 200in. Καµία δυνατότητα διαρροής. Λειτουργούν µε ελασµατικά, τυρβώδη, ή µεταβατικά χαρακτηριστικά ροής. Τροφοδοτούνται µε µπαταρία για µακρινές ή εφαρµογές τοµέων. ιαθέσιµοι αισθητήρες για τις κυµαινόµενες ροές. ιαθέσιµα προηγµένα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα αναγραφών λογισµικού και στοιχείων. Αναίσθητος στις παραλλαγές της θερµοκρασίας, του ιξώδους, της πυκνότητας ή της πίεσης. Μειονεκτήµατα: Η απόδοση των συγκεκριµένων µετρητών µπορεί να επηρεαστεί από το υλικό του τοίχου του σωλήνα και προβλήµατα ακρίβειας και επαναληψιµότητας µπορούν να δηµιουργηθούν εάν υπάρχουν οποιαδήποτε διάκενα µεταξύ του ρεύµατος και του τοίχου των σωλήνων. Το σκυρόδεµα, το fibreglass (υαλοβάµβακας) και οι σωλήνες από πλαστικό µπορούν να µειώσουν αρκετά το σήµα και να καταστήσουν το µετρητή ροής ακατάλληλο προς χρήση. Επειδή αυτοί οι παράγοντες µπορούν να ποικίλουν από το ένα σχέδιο στο άλλο, θα πρέπει να ελεγχθούν από τον κατασκευαστή για να εξασφαλιστεί ότι το υλικό των σωλήνων είναι το κατάλληλο. Οι µετρητές της "χρονικής-διαφοράς" δεν λειτουργούν µε βρώµικα, αφρώδη, ή µοριακά-φορτωµένα ρεύµατα. Μερικές φορές, η ποιότητα ενός ρεύµατος µπορεί να κυµανθεί έτσι ώστε να επηρεαστεί η ακρίβεια της µέτρησης της ροής.

146 P a g e 141 Εφαρµογές: Οι µετρητές της "χρονικής-διαφοράς" έχουν µια ευρεία δυνατότητα εφαρµογών για τη µέτρηση της ροής των καθαρών ή εξαιρετικά καθαρών ρευµάτων. Μερικές από αυτές τις εφαρµογές παρατίθενται παρακάτω: Καθαρό ποσό της ροής του νερού στις εγκαταστάσεις κατεργασίας ύδατος. Καυτό ή κρύο νερό στις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, στους αερολι- µένες, στα πανεπιστήµια, στα νοσοκοµεία και άλλα εµπορικά κτήρια. Καθαρά και εξαιρετικά-καθαρά ρευστά στον ηµιαγωγό, στις φαρµακευτικές και στις βιοµηχανίες τροφίµων & ποτών. Οξέα και υγροποιηµένα αέρια στη χηµική βιοµηχανία. Φως στα ακατέργαστα πετρέλαια στη βιοµηχανία καθαρισµού του πετρελαίου. Συστήµατα διανοµής ύδατος που χρησιµοποιούνται στη γεωργία και την άρδευση. Κρυογόνα υγρά. Μέτρηση της ροής του αέριου-σωρών στους τρίφτες των εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας Φορητός µετρητής ροής της "χρονικής-διαφοράς" εδοµένου ότι τα υπερηχητικά σήµατα µπορούν να διαπεράσουν και τα στερεά υλικά, οι µετατροπείς µπορούν να τοποθετηθούν επάνω και έξω από το σωλήνα. Οι γρήγοροι επεξεργαστές ψηφιακών σηµάτων και η αξιόπιστη µέτρηση της ανάλυσης των σηµάτων ακόµη και υπό δύσκολες συνθήκες, είναι το κύριο χαρακτηριστικό των µετρητών αυτού του είδους. Εικόνα 6: Φορητός µετρητής ροής της "χρονικής-διαφοράς". Η φορητή συσκευή αποστολής σηµάτων µπορεί να διαµορφωθεί µέσω ενός αριθµητικού πληκτρολογίου χωρίς οποιεσδήποτε πρόσθετες συσκευές προγραµµατισµού και είναι διαθέσιµη για µονάδες ενιαίων καναλιών.

147 P a g e 142 Οι υπερηχητικοί αισθητήρες-µετατροπείς στερεώνονται επάνω και έξω από το σωλήνα, εξαλείφοντας κατά συνέπεια την ανάγκη να αποσυναρµολογηθεί η δοµή των σωλήνων και να διακοπεί κατ αυτόν τον τρόπο η διαδικασία. Πλεονεκτήµατα: o Χαµηλή προσπάθεια και δαπάνες εγκαταστάσεων. o Η µέτρηση είναι ανεξάρτητη από την αγωγιµότητα και την πίεση. o Καµία απώλεια πίεσης, καµία δυνατότητα διαρροής. o εν απαιτείται κοπή των σωλήνων, καµία διακοπή της διαδικασίας, κανένα κλείσιµο των εγκαταστάσεων. o Υγιής µέτρηση, κανένας κίνδυνος µόλυνσης, κατάλληλος για τα εξαιρετικά καθαρά υγρά. o Καµία επαφή µε το µέσο-ρεύµα, κανένας κίνδυνος διάβρωσης όταν χρησιµοποιείται µε επιθετικά-διαβρωτικά µέσα. o Πλεονεκτήµατα στις δαπάνες όταν χρησιµοποιείται µε σωλήνες µεγάλων διαµέτρων, µε υψηλής-πίεσης συστήµατα, κλπ Ενα παράδειγµα ενός ιδανικού µετρητή ροής της "χρονικής-διαφοράς" Στις χαµηλές ροές το µετρητικό σύστηµα του συγκεκριµένου παραδείγµατος έχει µια σταθερή απόκλιση τµηµάτων θορύβου ακριβώς 6 δευτερολέπτων Pico ( s). Η καµπύλη στην επόµενη σελίδα είναι ένα πολύ καλό µέτρο της ποιότητας της ηλεκτρονικής. Η χρονική διαφορά της είναι η διαφορά του χρόνου-πτήσης µεταξύ ενός προς τα πάνω κινούµενου υπερηχητικού κύµατος και ενός προς τα κάτω κινούµενου κύµατος. Η γραφική παράσταση παρουσιάζει µερικές αναγνώσεις αποστάσεων µήκους 200-µέτρων κατά τη διάρκεια περίπου δύο λεπτών. Η ροή άρχισε σε 0 litres/min και µεταπήδησε σε περίπου 0,009 litres/min (96E-12s,δηλ s ή 96 Pico seconds). Αυτό είναι µια αργή ροή.

148 P a g e 143 Χαµηλή ευαισθησία. Σχήµα 6.26: Καµπύλη των χρονικών διαφορών για µια ενιαία συγκεκριµένη απόσταση σε έναν ιδανικό µετρητή ροής "χρονικής-διαφοράς". Τα πράγµατα που πρέπει να σηµειωθούν είναι: Η πολύ χαµηλή ροή (96 x sec) διακρίνεται σαφώς επάνω από το θόρυβο (δηλ. επάνω από την οδοντωτή παραλλαγή στην ανάγνωση). Αυτές είναι αναγνώσεις µιας ενιαίας συγκεκριµένης απόστασης. Υπάρχει έ- νας υπερηχητικός σφυγµός που κινείται προς κάθε κατεύθυνση (προς και ε- νάντια στη ροή) ανά ανάγνωση. εν υπάρχει κανένας υπολογισµός του µέσου όρου ή πολλαπλάσιοι σφυγµοί για να µειώσουν τον προφανή θόρυβο. Το τµήµα θορύβου έχει µια σταθερή απόκλιση = 6 δευτερόλεπτα Pico (6Χ10-12 sec). Αυτή η ανάγνωση λήφθηκε µε έναν µετρητή ροής που έχει 16 χιλ. άνοιγµα και 144 χιλ. απόσταση µεταξύ των µετατροπέων του. Με αυτήν την γεωµετρία η χρονική διαφορά 96 δευτερολέπτων Pico αντιστοιχεί σε ακριβώς 0,7 mm/s ταχύτητα ροής µέσα στο µετρητή ή περίπου 0,009 litre/minute (ή 0,54 litre/hr). Γιατί είναι σηµαντικό το συγκεκριµένο παράδειγµα; Η δυνατότητα να µετρηθούν οι χαµηλές ροές είναι το πιο ευαίσθητο σηµείο σχεδόν όλων των σχεδίων των µετρητών ροής. Η υψηλή ευαισθησία και η υψηλή σταθερότητα σε χαµηλούς και µηδενικούς όρους ροής είναι ο καλύτερος δείκτης της ποιότητας της ηλεκτρονικής των µετρητών ροής. Αυτό σηµαίνει ότι έχουµε τον καλύτερο µετρητή ροής µε υπέρηχους;

149 P a g e 144 Όχι απαραιτήτως. Η καλή ηλεκτρονική είναι µόνο ένα (ουσιαστικό) συστατικό ενός καλού µετρητή ροής. Η µορφή των µετρητών και η σχεδίαση των µετατροπέων είναι επίσης βασικά συστατικά. Είναι πλήρες το έργο ανάπτυξης στην ηλεκτρονική; Όχι, υπάρχουν µερικές εµφανείς δυσκολίες στις υψηλότερες ροές, οι οποίες πρέπει να δουλευτούν και να βελτιωθούν. Πώς είναι δυνατό να χειριστεί η ηλεκτρονική τα εξαιρετικά µικρά χρονικά διαστήµατα; Παραδείγµατος χάριν για ταξίδια 3 χιλ. σε 10 δευτερόλεπτα Pico, πώς είναι δυνατό η ηλεκτρονική να είναι και ευαίσθητη και αρκετά σταθερή για τέτοια µικρά χρονικά διαστήµατα; Αυτό επιτυγχάνεται αποτελεσµατικά µε το να εξαλειφθούν οι παράγοντες (π.χ. διακυµάνσεις της θερµοκρασίας) που επηρεάζουν το αποτέλεσµα. Αυτό απαιτεί µια κατάλληλη κατανόηση της σχετικής φυσικής και µια κατάλληλη-έξυπνη σχεδίαση της ηλεκτρονικής. Πώς επιδρά η σχεδίαση στην ακρίβεια των µετρητών; Τα λάθη ή οι αβεβαιότητες αναφέρονται συνήθως σε 2 σταθερές αποκλίσεις (για εµπιστοσύνη 95%). Έτσι το λάθος λόγω του θορύβου είναι 2 x 6 = ±12 δευτερόλεπτα Pico όταν προκαλείται στη ροή µια χρονική διαφορά 96 δευτερολέπτων Pico, (δηλ. ±12/96 = ±13%). Κατά συνέπεια, µε αυτό το σχέδιο µετρητών το λάθος είναι ±13% για ροή 0,009 litres/min. Η συµβολή του θορύβου της ηλεκτρονικής πρέπει να µείνει κατά προσέγγιση σταθερή µε το ποσό της ροής: για 0,9 litres/min το λάθος είναι αναλογικά 100 φορές λιγότερο κι έτσι αναµένεται ένα λάθος ±0.13% και ούτω καθεξής. Σηµείωση: Ο κοινός τρόπος να υπάρξει περαιτέρω βελτίωση σε µια δεδοµένη ικανότητα ακρίβειας είναι µε τον υπολογισµό του µέσου όρου. Εάν µετράται µια σταθερή ροή για 5 δευτερόλεπτα µε έναν µετρητή που κάνει 20 αναγνώσεις µιας ενιαίας συγκεκριµένης απόστασης ανά δευτερόλεπτο, τότε η µέση ανάγνωση για ένα διάστηµα 5 second θα περιέχει Ν = 5 x 20 = 100 αναγνώσεις και θα υπάρξει ένα λάθος 0,1 φορές λιγότερο (ένα προς τετραγωνική ρίζα του N 1/ Ν) από ότι το λάθος της ανάγνωσης µιας ενιαίας συγκεκριµένης απόστασης. Κατά συνέπεια το λάθος ±0.13% για ροή 0,09 litres/min µειώνεται περαιτέρω σε ±0.013%. Τέτοιες βελτιώσεις περιορίζονται από άλλες πηγές λάθους που καταποντίζουν το όφελος, π.χ. θόρυβος της ροής. Αυτό είναι εµφανές στην καµπύλη βαθµονόµησης παρακάτω.

150 P a g e 145 Τι γίνεται µε τη µακροπρόθεσµη σταθερότητα; Αυτά τα εντυπωσιακά αποτελέσµατα είναι χωρίς νόηµα εάν η απόδοση της ηλεκτρονικής αλλάζει σηµαντικά µε τη θερµοκρασία ή το χρόνο, ώστε να προκαλεί µια λανθασµένη κλίση στις αναγνώσεις. Οι εκπρόθεσµες δοκιµές δείχνουν εάν η ηλεκτρονική είναι ιδιαίτερα σταθερή. Καµπύλη βαθµονόµησης Παρακάτω παρουσιάζεται η καµπύλη βαθµονόµησης για ένα από τα συγκεκριµένα σχέδια µετρητών. Η "Αναλογία της Ανάγνωσης των Μετρητών" είναι η ανάγνωση των µετρητών ροής που διαιρείται µε το πραγµατικό ποσό της ροής. Μια "Αναλογία Ανάγνωσης των Μετρητών" 1,06 σηµαίνει ότι ο µετρητής υπερ-διαβάζει κατά 6%. Κανονικά αυτή η απόκλιση αντισταθµίζεται εσωτερικά στο µετρητή. Εντούτοις, σε αυτήν την περίπτωση παρουσιάζεται η καµπύλη προκειµένου να καταδειχθούν µερικά ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα. Οµαλότητα Σχήµα 6.27: Καµπύλη βαθµονόµησης ενός ιδανικού µετρητή. Η καµπύλη είναι σχετικά επίπεδη πέρα από µια ευρεία σειρά ροής - ποικίλει κατά µόνο περίπου 12%. Μια τέτοια επίπεδη καµπύλη βαθµονόµησης είναι επιθυµητή αλλά µη ουσιαστική. Εάν οι υπερηχητικοί σφυγµοί των µετρητών της ροής "φωτίζουν" οµοιόµορφα το συνολικό περιεχόµενο του τµήµατος που µετράται (δηλ. ο υπέρηχος "βλέπει" όλο το ρεύµα), τότε θα οδηγούµασταν σε µια επίπεδη καµπύλη βαθµονόµησης. Ένας τέτοιος µετρητής θα είχε µια πολύ υψηλή αναισθησία στα χαρακτηριστικά των εγκαταστάσεων (δηλ. ανεπηρέαστος από τις πάνω βαλβίδες και τις κάµψεις του σωλήνα που δηµιουργούν τις

151 P a g e 146 διαταραχές στη ροή και που ανατρέπουν τις αναγνώσεις πολλών σχεδίων µετρητών). Κυρτότητα Η καµπύλη βαθµονόµησης δείχνει ότι ο µετρητής υπερ-διαβάζει στα χαµηλά ποσά ροής. Μια τέτοια υπέρ- ή υπό-ανάγνωση είναι χαρακτηριστική των περισσότερων µετρητών ροής. Επαναληψιµότητα Είναι ζωτικής σηµασίας θέµα για ένα µετρητή ροής να δίνει πάντα την ίδια "Αναλογία Ανάγνωσης" για ένα δεδοµένο ποσό ροής. Οποιαδήποτε παραλλαγή (έλλειψη επανάληψης) είναι λάθος ανάγνωση του µετρητή που δεν µπορεί να αντισταθµιστεί. Η παραπάνω καµπύλη καταδεικνύει µια άριστη επαναληψιµότητα του µετρητή της ροής. Για κάθε ποσό ροής στην καµπύλη υπάρχουν 20 χωριστές µετρήσεις. Θερµοκρασία Η καµπύλη βαθµονόµησης µετρήθηκε σε µια σταθερή θερµοκρασία. Θα υ- πάρξει κάποια διαφορά λόγω των παραλλαγών της θερµοκρασίας (π.χ. από την επέκταση µετρητών) αλλά αυτή µπορεί εύκολα να αντισταθµιστεί Ο µετρητής ροής Doppler Βασικές αρχές του µετρητή ροής Doppler Η λειτουργία αυτών των µετρητών βασίζεται στο φαινόµενο Doppler. Για να γίνει κατανοητό αυτό το φαινόµενο, υποτίθεται ότι µια ηχητική πηγή κινείται σε σχέση µε έναν στάσιµο παρατηρητή. Όπως διευκρινίζεται στο σχήµα 6.28 αυτή η µετακίνηση παράγει µια προφανή αλλαγή στη συχνότητα και αυτό είναι η αιτία της παραλλαγής του τόνου που παρατηρείται, παραδείγµατος χάριν, ό- ταν περνά ένα όχηµα έκτακτης ανάγκης µε τον ήχο των σειρήνων του. Όταν εφαρµόζεται στη µέτρηση της ροής, ο υπέρηχος συχνότητας ft διαβιβάζεται στο µέσο-ρεύµα και οι ασυνέχειες της ροής όπως οι παρασυρµένες φυσαλίδες του αερίου ή τα στερεά µόρια "διασκορπίζουν" ή αναµεταδίδουν τον υπέρηχο. Ως εκ τούτου η λαµβανόµενη υπερηχητική ενέργεια είναι µια συχνότητα Doppler που µετατοπίζεται από κατά ένα ποσό δf και δίνεται από τη σχέση:

152 P a g e 147 δf v * cosθr v *cosθt = f f = f *( + ) [Σ 6.43] t r t c c Σχήµα 6.28 όπου fr είναι η λαµβανόµενη υπερηχητική συχνότητα, το v είναι η ταχύτητα του διασκορπισµένου µορίου όσον αφορά τον άξονα των αγωγών, θ t και θ r είναι οι γωνίες µετάδοσης και υποδοχής και το c είναι η ταχύτητα του ήχου στο µέσο ροής. Οι γωνίες θ t και θ r στο σχήµα 6.44 εξαρτώνται από τη διαµόρφωση των µετατροπέων που χρησιµοποιούνται στο µετρητή. Χαρακτηριστικά, οι µετρητές Doppler σχεδιάζονται όπως οι εξωτερικά τοποθετούµενες ή "clamped-on" συσκευές. Εποµένως, ο υπέρηχος διαθλάται σε κάθε ηχητικά ασυνεχή επιφάνεια µεταξύ των µετατροπέων και του µέσου ροής όπως στο σχήµα Σχήµα 6.44: Ένα σχηµατικό διάγραµµα που επεξηγεί τη µέτρηση ροής Doppler.

153 P a g e 148 Τοίχος του σωλήνα Μετατροπέας Αέριο Σχήµα 6.45: Μια απεικόνιση της διάθλασης των ακτίνων στους µετατροπείς clamp-on (µε σφιγκτήρα και τοποθετούµενοι εξωτερικά του α- γωγού-σωλήνα µέτρησης). Αυτό το φαινόµενο, καθώς παρουσιάζει προβλήµατα στους µετρητές ροής "χρονικής-διαφοράς", χρησιµοποιείται ως πλεονέκτηµα στους µετρητές Doppler για να µειώσει σηµαντικά την εξάρτηση από την ταχύτητα του ηχητικής ως εξής: Η διάθλαση του υπερήχου καθορίζεται από το νόµο του Snell, ο οποίος είναι ο εξής: cos a C t = cosθ C f Εάν οι µετατροπείς διαµορφώνονται έτσι ώστε θ t = θ r, τότε από την εξίσωση [Σ 6.44] έχουµε: δf = S f t ( v *cosθ ) * Cf Αντικαθιστώντας cosα/c 1 µε cosθ/c f και εκ νέου ρύθµιση για τις παραγωγές v, έχουµε: ν = 2 δf f f c f cos a δηλ. η µετρηµένη ταχύτητα είναι ανάλογη προς το δf και ανεξάρτητη των α- κουστικών ιδιοτήτων του ρεύµατος και του τοίχου του σωλήνα, υποθέτοντας ότι η γωνία α και η ταχύτητα του ήχου c 1 είναι σταθερά. Πάλι, πολλαπλασιάζοντας το v µε τη διατοµή του τοµέα της ροής, Α, λαµβάνεται ο ογκοµετρικός ρυθµός της ροής.

154 P a g e 149 Μέτρηση Doppler Μια απλή και συχνά χρησιµοποιούµενη µέθοδος µέτρησης της µετατόπισης Doppler είναι µε τη βοήθεια ενός κυκλώµατος ανίχνευσης. Το λαµβανόµενο σήµα αναµιγνύεται µε τη συχνότητα των ταλαντωτών για να παράγει ένα δια- µορφωµένο εύρος σηµάτων υψηλής συχνότητας που µπορεί να διαµορφωθεί για να εξάγει το ακατέργαστο και µετατοπισµένο σήµα Doppler χαµηλής συχνότητας. εδοµένου ότι αυτό το διαµορφωµένο σήµα περιέχει µια ευρεία ζώνη συχνοτήτων που διασχίζουν την ανάλυση, αυτό τείνει να παράγει µια φτωχή εκτίµηση της µέσης συχνότητας (και ως εκ τούτου της ταχύτητας) του φάσµατος Doppler. Για να επιτευχθεί µια ακριβέστερη εκτίµηση της µέσης ταχύτητας µπορούν να χρησιµοποιηθούν περιπλοκότερες µέθοδοι όπως η ανάλυση Fourier. Με τη χρησιµοποίηση του παλλόµενου υπέρηχου, προκύπτουν διάφορες επιλογές για την επεξεργασία του σήµατος. Η ψηφιακά αναλογική µεταλλαγή και η επεξεργασία των κυµατοειδών στην περιοχή-χρόνου έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη τεχνικών που δεν µπορούν να ταξινοµηθούν αυστηρά ως τεχνικές Doppler. Το κύριο πλεονέκτηµα αυτών των τεχνικών πέρα από τους παραδοσιακούς µετρητές Doppler είναι ότι µπορούν να µετρήσουν τις χαµηλότερες ταχύτητες. Ένα άλλο πλεονέκτηµα της εκµετάλλευσης των σύντοµων υπερηχητικών σφυγµών είναι ότι έπειτα είναι δυνατό να διαµορφωθεί η υποδοχή-η είσοδος του µετρητή προκειµένου να εισαχθούν καταστατικές πληροφορίες στη µέτρηση. Εικόνα 7: Ακτίνες λέιζερ που χρησιµοποιούνται στο µετρητή Doppler Η εφαρµογή του µετρητή Doppler Το φαινόµενο Doppler, πήρε την ονοµασία του από τον Αυστριακό επιστήµονα Christian Doppler που έζησε και έδρασε το 19ο αιώνα. Αυτή η εφαρµογή µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να µετρήσει τη ροή σε έναν σωλήνα. θ

155 P a g e 150 Επισκόπηση του σχεδίου: Η εφαρµογή Doppler είναι η µετατόπιση της συχνότητας που εµφανίζεται όταν είναι µια ηχητική πηγή (συσκευή αποστολής ση- µάτων) βρίσκεται σε κίνηση σχετικά µε έναν δέκτη αυτής της ηχητικής πηγής. Στην περίπτωση του µετρητή Doppler, υπάρχουν δύο αισθητήρες-µετατροπείς που τοποθετούνται εξωτερικά και στην ίδια πλευρά ενός σωλήνα. Ένας από τους αισθητήρες είναι η συσκευή αποστολής των σηµάτων και διαβιβάζει ένα υπερηχητικό (ultrasonic) σήµα στο σωλήνα. Αυτό το σήµα αντανακλάται από τα µόρια ή τις παρασυρµένες φυσαλίδες του αερίου στο ρεύµα. Το ανακλασµένο σήµα παραλαµβάνεται έπειτα από τον αισθητήρα-δέκτη και η διαφορά της συχνότητας µεταξύ των διαβιβασθέντων και ανακλασµένων σηµάτων µετριέται και συσχετίζεται µε ένα στιγµιαίο ρυθµό ροής ή σύνολο ροής (Σχήµα 6.46). Η συχνότητα υπόκειται σε δύο αλλαγές ταχύτητας, µία προς τα πάνω και µία προς τα κάτω. ιακινούµενη προς τα πάνω, η ταχύτητα του κύµατος δίνεται από τη σχέση C f + ū cosθ. Σχήµα 6.46: Αυτή η απεικόνιση παρουσιάζει το σήµα Doppler που διαπερνά το σωλήνα και έπειτα που αντανακλάται από τα µόρια του ρεύµατος. Η µετατόπιση της φάσης των σηµάτων µετριέται και συσχετίζεται µε µια ταχύτητα ροής. Οµοίως, η προς τα κάτω ταχύτητα δίνεται από τη σχέση (C f - ū cosθ). Η σχέση Doppler µεταξύ των διαβιβασθείσων συχνοτήτων µπορεί να εκφραστεί ως: f r = f t ( C f + u * cosθ) *[ ] (C u *cosθ) f Εδώ, το cosθ είναι το συνηµίτονο της γωνίας που σχηµατίζει κατά την αντανάκλασή του το υπερηχητικό σήµα, f r είναι η λαµβανόµενη συχνότητα και το f t είναι η διαβιβασθείσα συχνότητα. Για να απλοποιηθεί περαιτέρω αυτήν η εξίσωση, µπορεί να υποτεθεί ότι η ταχύτητα του ρεύµατος στο σωλήνα είναι πολύ χαµηλότερη από την ταχύτητα του ήχου στο σωλήνα, δηλ. είναι ū << C f. Με αυτήν την υπόθεση, έχουµε: f r = f t ( C *[ f + u *cosθ) ( C + C f f + u * cosθ) ] C f Που γίνεται τελικά:

156 P a g e 151 f r = f t *[1+ (2u *cosθ) ] C Η µετατόπιση της συχνότητας είναι f = f r -f t, έτσι ώστε: cosθ f = [2( f t ) * ]* u C Επειδή το µέγεθος (2f t cosθ/ū) είναι µια σταθερά, η τελική εξίσωση µπορεί να γραφτεί ως: f = k * u όπου k = 2( f t ) * cosθ C f Αυτό δείχνει ότι η ταχύτητα στο σωλήνα είναι άµεσα ανάλογη προς την αλλαγή στη συχνότητα µεταξύ των διαβιβασθέντων υπερηχητικών σηµάτων. Με τη γνώση του µεγέθους των σωλήνων, η ηλεκτρονική των µετρητών συσχετίζει τη ταχύτητα σε έναν ρυθµό ροής στη µονάδα εφαρµοσµένης µηχανικής. Οι διορθώσεις του λογισµικού µπορεί να πρέπει να γίνουν για το C f, δεδοµένου ότι η ηχητική ταχύτητα µέσω του ρεύµατος θα αλλάξει µε τις διακυµάνσεις της πίεσης και της θερµοκρασίας. Ένα άλλο σχέδιο αισθητήρων που ελαχιστοποιεί τον εξωτερικό θόρυβο χρησιµοποιεί την τεχνολογία Doppler διπλής-συχνότητας για να στείλει δύο ανεξάρτητα σήµατα στο σωλήνα µε διαφορετικές συχνότητες. εδοµένου ότι και τα δύο σήµατα υπόκεινται στην ίδια µετατόπιση Doppler, αλλά τα σήµατα θορύβου είναι τυχαία, τα σήµατα µπορούν να συνδυαστούν για να υπολογίσουν µια ταχύτητα ροής αφαιρώντας το θόρυβο. Οι υπερηχητικοί αισθητήρες-µετατροπείς µπορούν να χρησιµοποιηθούν µε µια ευρεία ποικιλία υλικών των σωλήνων, αλλά µερικά δεν θα επιτρέψουν στο σήµα να περάσει. Αν και οι υλικές συστάσεις των σωλήνων ποικίλουν, δεν υπάρχουν προβλήµατα µε το χάλυβα, τον ανοξείδωτο χάλυβα, άνθρακα, το PVC και το χαλκό. Εντούτοις, οι σωλήνες από σκυρόδεµα, fibreglass (υαλοβάµβακα), σίδηρο και πλαστικό θα µπορούσαν να δηµιουργήσουν προβλήµατα µετάδοσης. Μερικά σχέδια Doppler χρησιµοποιούν ένα τµήµα του σωλήνα µε ενσωµατωµένους µετατροπείς που έχουν άµεση επαφή µε το ρεύµα. Αυτό το σχέδιο εκµηδενίζει τα προβλήµατα που θα µπορούσε να προκαλέσει η υλική σύσταση των σωλήνων στη µετάδοση των υπερηχητικών σηµάτων. f f

157 P a g e 152 Η ακρίβεια του µετρητή Doppler είναι χαρακτηριστικά περίπου ±2% της πλήρους κλίµακας. Η ελάχιστη συγκέντρωση και το µοριακό µέγεθος που απαιτούνται είναι κατά προσέγγιση 25 ppm σε 30 microns. εδοµένου ότι µερικοί µετρητές µπορούν να απαιτήσουν ελαφρώς µεγαλύτερες συγκεντρώσεις, αυτοί θα πρέπει να ελεγχθούν από τον κατασκευαστή. Η µεγάλη πλειοψηφία των µετρητών Doppler χρησιµοποιείται για τα υγρά (κατά προσέγγιση 88%) ενώ το υπόλοιπο χρησιµοποιείται για το αέριο (11%) και τις εφαρµογές του ατµού (1%). Πλεονεκτήµατα: Το κύριο πλεονέκτηµα του µετρητή Doppler είναι το µηπαρεισφρητικό σχέδιό του. Μερικοί κατασκευαστές προσφέρουν έναν ειδικό clamp-on σχέδιο που επιτρέπει τη σύνδεσή του στα µικρότερα µεγέθη των σωλήνων (µε διάµετρο κάτω των1/4 in.). Άλλα πλεονεκτήµατα περιλαµβάνουν: o Την εύκολη εγκατάσταση και αφαίρεση. o Κανένα κινούµενο µέρος που φθείρεται. o Καµία πτώση πίεσης. o Καµία µόλυνση της διαδικασίας. o Λειτουργεί καλά µε τα βρώµικα ή διαβρωτικά ρευστά. o Λειτουργεί µε µεγέθη σωλήνων που κυµαίνονται από το 1/2in. έως 200in. o Καµία δυνατότητα διαρροής. o Οι µετρητές είναι διαθέσιµοι για εργασία µε ελασµατικά, τυρβώδη, ή µεταβατικά χαρακτηριστικά ροής. o Την τροφοδότηση µε µπαταρία για µακρινές ή εφαρµογές τοµέων. o Τη διάθεση µετατροπέων για κυµαινόµενες ροές. o Τη διάθεση προηγµένου λογισµικού και datalogging χαρακτηριστικών γνωρισµάτων. o Την αναισθησία στις παραλλαγές της θερµοκρασίας, του ιξώδους, της πυκνότητας ή της πίεσης. Μειονεκτήµατα: Το κύριο µειονέκτηµα είναι το γεγονός ότι το ρεύµα πρέπει να έχει µόρια, φυσαλίδες, ή άλλους τύπους στερεών προκειµένου να ανακλαστεί το υπερηχητικό σήµα. Αυτό σηµαίνει ότι ο µετρητής Doppler δεν είναι µια καλή επιλογή για τα πολύ καθαρά ρευστά ή αέρια.

158 P a g e 153 Να σηµειωθεί ότι εάν η περιεκτικότητα σε στερεά είναι πάρα πολύ υψηλή (περίπου 50% και υψηλότερη), το υπερηχητικό σήµα µπορεί να µειωθεί πέρα από τα όρια της ικανότητας της µέτρησης. Αυτή η δυνατότητα πρέπει επίσης να ελεγχθεί µε τον κατασκευαστή. Ένα άλλο µειονέκτηµα είναι ότι η ακρίβεια µπορεί να εξαρτηθεί από το µέγεθος και τη συγκέντρωση των µορίων και επίσης από οποιαδήποτε σχετική ταχύτητα που µπορεί να υπάρξει µεταξύ των µορίων και του ρεύµατος. Επίσης, εάν δεν υπάρχουν αρκετά µόρια, η επαναληψιµότητα θα υποβιβαστεί. Τέλος, το µόνο άλλο πιθανό πρόβληµα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι µπορεί να έχει πρόβληµα όταν λειτουργεί σε πολύ χαµηλές ταχύτητες ροής. Εφαρµογές: Οι µετρητές Doppler, που είναι µη-εισαγωγικοί, έχουν µια ευρεία ποικιλία εφαρµογών στο νερό, στα υγρά απόβλητα, στη θέρµανση, στον εξαερισµό, στον κλιµατισµό και στο πετρέλαιο. Παρακάτω παρατίθεται ένας κατάλογος βιώσιµων εφαρµογών: Ροή του νερού των παραπόταµων και των αποβλήτων αποχέτευσης. Έλεγχος καθαριστήρων. Έλεγχος αυτό-καυστων τροφών. Υγρά απόβλητα. Πόσιµο νερό. Καυτό και κατεψυγµένο νερό. Επιτήρηση της µεταφοράς. Ροή ακατέργαστου-λαδιού. Οξέα. Καυστικές ουσίες. Υγροποιηµένα αέρια.

159 P a g e 154 Εικόνα 8: Ένα µοντέλο-πρότυπο φορητού µετρητή ροής Doppler Μετρητής ροής Doppler - υποκατηγορίες Α) Ο µετρητής ροής Doppler συνεχών κυµάτων (Continuous Waves) Οι µετρητές Doppler συνεχών κυµάτων (CW) εκπέµπουν ένα σήµα µετάδοσης που είναι µακρύ όταν συγκρίνεται σε µια χωρική κλίµακα βάθους της ροής. Κατά συνέπεια, τα όργανα CW λαµβάνουν την ηχώ Doppler ταυτόχρονα, καθώς το όργανο εκπέµπει το σήµα µετάδοσης. Σε αυτήν την περίπτωση, η λαµβανόµενη ηχώ Doppler είναι ένα πρόσθετο σήµα που αποτελείται από φάσεις και scatterers (διασκορπισµένα στερεά σωµατίδια και φυσαλίδες) µέσα στον όγκο. Οποιεσδήποτε χωρικές πληροφορίες στο σήµα Doppler χάνονται επειδή µια ιδιαίτερη ηχώ σε έναν ιδιαίτερο χρόνο δεν µπορεί να συνδεθεί σε µια ιδιαίτερη θέση κατά µήκος της ακουστικής ακτίνας. Αυτό είναι ένα βασικό πρόβληµα των µετρητών CW Doppler. Ένα επιστρεφόµενο φάσµα ηχούς Doppler από έναν CW Doppler περιέχει τις ηχούς από όλα τα scatterers. Η ακουστική ακτίνα εκπέµπεται συνεχώς, από την οποία τα όποια διασκορπισµένα στερεά και οι φυσαλίδες διασκορπίζουν µια ηχώ στο πρόσωπο του µετατροπέα, που περιέχει τις ηχούς από όλα τα scatterers και τις σειρές. Πλεονεκτήµατα του µετρητή ροής Doppler CW: Χρήση σε συγκεκριµένες συνθήκες ροής Επειδή τα όργανα CW Doppler εκπέµπουν ένα συνεχές σήµα µετάδοσης, αυτοί οι τύποι οργάνων δεν υποφέρουν από τα προβλήµατα αποκατάστασης των δεκτών (βλ. µειονεκτήµατα παλλόµενων µετρητών Doppler για περισσότερες πληροφορίες). Σε οποιαδήποτε στιγµή, το σήµα της ηχούς περιέχει την ηχώ Doppler σε ολόκληρο το εύρος του τοµέα, το οποίο είναι από το µετατροπέα έως την ελεύθερη επιφάνεια της ροής. Καθώς το επίπεδο της ροής

160 P a g e 155 έρχεται πλησίον του προσώπου του µετατροπέα, είναι δυνατό το πρόβληµα να γίνει λιγότερο σηµαντικό. Ως εκ τούτου, τα όργανα CW Doppler είναι σχεδιασµένα για όρους ροής όπου το επίπεδο της ροής είναι κοντά στο πρόσωπο του µετατροπέα και εφ' όσον εγγυάται µια ελάχιστη ταχύτητα ροής. Χαµηλή τιµή αγοράς Το υλικό των µετρητών CW Doppler, όπως ο αισθητήρας (µετατροπέας) και η ηλεκτρονική, είναι σε γενικές γραµµές απλούστερο από το υλικό που απαιτείται στους παλλόµενους µετρητές ροής Doppler (βλ. παρακάτω, κεφάλαιο 4.2.3β). Αυτό συµβαίνει επειδή τα όργανα CW Doppler δεν απαιτούν µεγάλη ακρίβεια συγχρονισµού. Περαιτέρω, το ποσό των πληροφοριών που υποβάλλεται σε επεξεργασία και που µπορεί να ληφθεί από ένα όργανο CW Doppler είναι πολύ λιγότερο απ' ό,τι σε ένα παλλόµενο όργανο Doppler που καταγράφει ένα σχεδιάγραµµα της ταχύτητας της ροής. Κατά συνέπεια, οι µετρητές CW Doppler είναι κάπως χαµηλότερου κόστους από τους παλλόµενους µετρητές ροής Doppler, όπως θα δούµε παρακάτω. Εντούτοις, καθώς η τεχνολογία προωθείται, αυτή η απόκλιση των δαπανών αναµφισβήτητα θα µικραίνει. Μειονεκτήµατα του µετρητή ροής Doppler CW: Προκατάληψη της Σειράς Επειδή οποιαδήποτε πρακτική ακουστική ακτίνα έχει πλάτος, η διαβιβασθείσα ηχητική ενέργεια διαδίδεται γεωµετρικά και έξω από τη συσκευή αποστολής των σηµάτων. Επιπλέον, ο ήχος απορροφάται από το ρεύµα. Αυτές οι απώλειες καλούνται απώλειες µετάδοσης. Επειδή το διαβιβασθέν σήµα χάνει την έντασή του κατά µήκος της πορείας, τα scatterers κοντά στο πρόσωπο του αισθητήρα (του µετατροπέα) θα συνεισφέρουν περισσότερη ένταση ηχούς από τα scatterers που είναι µακριά. Εάν η ταχύτητα έχει µια οµοιόµορφη διανοµή, δηλ. αυτή η ταχύτητα είναι η ί- δια σε οποιοδήποτε σηµείο στη ροή, δεν θα πείραζε το γεγονός ότι µια στενή σειρά Doppler ηχούς συµβάλλει περισσότερο στη συνολική ένταση της ηχούς από µια ηχώ που παράγεται µακριά. Εντούτοις, από µετρήσεις γίνεται κατανοητό ότι οι ταχύτητες κοντά σε ένα στρώµα ορίου, όπως κοντά σε έναν τοίχο καναλιών, έχουν µια σηµαντικά πιο αργή ταχύτητα από τις ταχύτητες κοντά στην ελεύθερη επιφάνεια παραδείγµατος χάριν. Λόγω αυτής της εξαρτώµενης συµβολής στην ένταση της ηχούς Doppler και το γεγονός ότι οποιοδήποτε πραγµατικό κανάλι έχει µια διανοµή ταχύτητας που ποικίλλει από θέση σε θέση στο κανάλι, το φάσµα της δύναµης της ηχούς ενός µετρητή Doppler CW θα

161 P a g e 156 είναι προκατειληµµένη προς την ηχώ Doppler που παράγεται πιο κοντά στο πρόσωπο του µετατροπέα. Μια πρόσθετη περιπλοκή είναι ότι τα scatterers δεν διανέµονται οµοιογενώς στη ροή και η διανοµή τους ποικίλλει στο χρόνο. εν µπορεί να προβλεφθεί εάν ένα σύννεφο scatterers είναι σε στενή εγγύτητα ή σε κάποια άλλη απόσταση από το πρόσωπο του µετατροπέα. Επειδή η προκατάληψη εξαρτάται από τη σχετική δύναµη διασποράς, δεν είναι σταθερή µε τη µεταβαλλόµενη διανοµή των scatterers. Αυτό το φαινόµενο είναι γνωστό ως Προκατάληψη της Σειράς. Το προκατειληµµένο φάσµα δύναµης είναι το προϊόν της αµερόληπτης ηχούς και της ε- ξαρτώµενης έντασης της ηχούς. Μη δυνατότητα µέτρησης ελάχιστων ορίων ροής Επειδή τα όργανα Doppler συνεχών κυµάτων στέλνουν ταυτόχρονα ένα σήµα µετάδοσης και λαµβάνουν την ηχώ του, µια µετατόπιση Doppler σε 0 (µηδέν) Hertz δεν µπορεί να ανιχνευθεί. Ως εκ τούτου, µηδενικές ή χαµηλές ταχύτητες δεν µπορούν να µετρηθούν καθόλου. Ο λόγος είναι ότι το σήµα µετάδοσης αντανακλά µια µηδενική µετατόπιση Doppler ή τα Doppler σήµατα είναι πλησίον του µηδενός (σχεδόν µηδενικά). Β) Ο παλλόµενος µετρητής ροής Doppler Το σηµαντικότερο χαρακτηριστικό γνώρισµα έναντι των µετρητών ροής CW είναι ότι οι παλλόµενοι µετρητές ροής Doppler είναι σε θέση να καταγράψουν ένα σχεδιάγραµµα της ταχύτητας της ροής. Το όργανο διαιρεί το βάθος της ροής σε οµοιόµορφα τµήµατα, αποκαλούµενα κύτταρα βάθους (κύτταρα βάθους καλούνται συχνά τα κύτταρα ή τα δοχεία σειράς). Κάθε τέτοιο κύτταρο βάθους είναι συγκρίσιµο µε µια στιγµιαία ταχύτητα ενός σηµείου. Αναλογικά, το µέγεθος των κυττάρων βάθους συγκρίνεται µε την απόσταση µεταξύ των µετρηµένων ταχυτήτων των σηµείων και ο αριθµός των κυττάρων βάθους καθορίζει πόσες στιγµιαίες ταχύτητες σηµείων µετριούνται. Στην πράξη, η µετρηµένη ταχύτητα δεν είναι µια ταχύτητα σηµείου αλλά µάλλον η µέση ταχύτητα ενός κυλινδρικού όγκου µιας ιδιαίτερης σειράς. Χαρακτηριστικά, ένας παλλόµενος µετρητής ροής Doppler έχει ένα πολύ στενό πλάτος ακτίνων σε σύγκριση µε έναν µετρητή ροής CW Doppler. Κατά συνέπεια, ο µικρός κυλινδρικός όγκος που ένα δεδοµένο κύτταρο σειράς καταλαµβάνει καθορίζεται από το ακουστικό πλάτος των ακτίνων και το µέγεθος της σειράς των κυττάρων. Μπορεί να είναι τόσο µικρό όσο 50 cm 3 (3 in. 3 ).

162 P a g e 157 Λόγω αυτού του γεγονότος δεν υπάρχει η Προκατάληψη της Σειράς στα όργανα των παλλόµενων µετρητών Doppler. Όπως το όνοµα υπονοεί, τα παλλόµενα όργανα Doppler διαβιβάζουν έναν ακουστικό σφυγµό, παρά ένα σήµα συνεχών κυµάτων. Συγκρινόµενος σε µια χωρική κλίµακα, αυτός ο σφυγµός είναι σύντοµος όσον αφορά το βάθος της ροής, παραδείγµατος χάριν οι σφυγµοί µπορούν να είναι τόσο σύντοµοι όσο 5 εκατοστόµετρα (»2 in.). Το λαµβανόµενο σήµα διαχωρίζεται σε διαδοχικά τµήµατα για ανεξάρτητη επεξεργασία. Η ηχώ από τις µακρινές σειρές παίρνει πιο πολύ χρόνο να επιστρέψει στο µετατροπέα από την ηχώ στις στενές σειρές. Πλεονεκτήµατα του παλλόµενου µετρητή ροής Doppler: Ακρίβεια Λόγω της δυνατότητας του παλλόµενου µετρητή ροής Doppler να διαχωρίζει την ηχώ, µπορεί να κατασκευαστεί ένα σχεδιάγραµµα ταχύτητας από τα παρακείµενα κύτταρα σειράς. Επιπλέον, η χρήση των πολλαπλάσιων ακουστικών ακτίνων επιτρέπει την παρεµβολή µεταξύ των οριζόντιων κυττάρων σειράς. Μπορούν να χρησιµοποιηθούν διάφοροι αλγόριθµοι για να αναδηµιουργήσουν δύο διαστατικά σχεδιαγράµµατα της ταχύτητας. Οι παλλόµενοι µετρητές ροής Doppler δεν εξαρτώνται από τους υδραυλικούς όρους, ούτε αυτοί πρέπει να είναι σταθεροί. Οι καταστάσεις που είναι προβληµατικές για σχεδόν όλους τους άλλους τύπους µετρητών ροής, όπως οι κάµψεις στους σωλήνες, η κοντινή εισροή, οι όροι τελµάτων ή η αλλαγή της κατεύθυνσης της ροής, γενικά δηµιουργούν ένα πρόβληµα στον παλλόµενο µετρητή Doppler. Η µακροπρόθεσµη ακρίβεια µέτρησης της ταχύτητας αυτών των µετρητών ροής είναι χαρακτηριστικά 1 τοις εκατό ± 1 cm/s (1percent ± 0,4 in./sec) της ανάγνωσης υπό σχεδόν όλους τους όρους και εφ' όσον επιτρέπεται αρκετός χρόνος δειγ- µατοληψίας και το επίπεδο της ροής είναι επαρκές. Αυτή η ακρίβεια επιτυγχάνεται χωρίς οποιονδήποτε τύπο βαθµονόµησης. Πρέπει να σηµειωθεί ότι αυτός ο τύπος ακρίβειας κινεί την τεχνολογία Doppler για πρώτη φορά στον ίδιο χώρο µαζί µε τους µαγνητικούς-επαγωγικούς και τους venturi µετρητές ροής. Καµία ανάγκη για βαθµονόµηση της ταχύτητας Η ταχύτητα V υπολογίζεται κατευθείαν από το νόµο του Doppler:

163 P a g e 158 όπου f D είναι η Doppler-µετατοπισµένη ηχώ, f S η συχνότητα την οποία διαβιβάζει ο µετατροπέας, V η σχετική ταχύτητα µεταξύ της ηχητικής πηγής (µετατροπέα) και των scatterers και c η ταχύτητα του ήχου. Λόγω αυτού του θεµελιώδους νόµου της φυσικής και του γεγονότος ότι η παλλόµενη Doppler τεχνολογία επιτρέπει την καταγραφή ενός σχεδιαγράµµατος της ταχύτητας που κατασκευάζεται από τα µεµονωµένα κύτταρα σειράς, οποιεσδήποτε ανάγκες βαθµονόµησης εξαλείφονται. Περαιτέρω, οι πολλαπλάσιες ακτίνες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να µετρήσουν µια οριζόντια διανοµή της ταχύτητας. Για καλύτερη ακρίβεια εντούτοις, πρέπει να σηµειωθεί ότι πρέπει να ληφθεί η σχετική προσοχή για την κατάλληλη εγκατάσταση του µετατροπέα ή ότι τουλάχιστον η θέση του µετατροπέα είναι γνωστή (περιστροφική, επίπεδη, κλπ.). Το αποτέλεσµα είναι ότι δεν απαιτούνται οι εµπειρικοί παράγοντες κλίµακας που αφορούν κάποια µετρηµένη µετατόπιση Doppler για τη µέση ταχύτητα σε έναν παλλόµενο µετρητή Doppler. Κανένα ελάχιστο όριο ποσού της ροής Όλη η παλλόµενη Doppler επεξεργασία του σήµατος ξεκινά µετά από κάποιο σύντοµο χρόνο αφ ότου το σήµα µετάδοσης τελειώσει. Αυτή η περίοδος α- παιτείται για να επιτρέψει στο όργανο να ανακτήσει το σήµα µετάδοσης το οποίο απαιτεί επίσης µια ελάχιστη σειρά. Εντούτοις, αυτό το προφανές µειονέκτηµα επιτρέπει στον παλλόµενο µετρητή Doppler να λάβει όλες τις ηχούς Doppler, συµπεριλαµβανοµένων και των ελάχιστων ή και µηδενικών σηµάτων Doppler. Ως εκ τούτου, η εγκοπή στην απάντηση της συχνότητας, στο f D /f S = 1 δεν υπάρχει στους παλλόµενους µετρητές Doppler και δεν υπάρχει κάποιο ελάχιστο ποσό της ροής, σε γενικές γραµµές, Κατάλληλοι για τα µεγάλου µεγέθους κανάλια Η παραδοχή ότι οι παλλόµενοι µετρητές ροής Doppler είναι καταλληλότεροι για τα µεγαλύτερα ανοικτά κανάλια απ ότι οι µετρητές ροής CW Doppler είναι επειδή τα παλλόµενα όργανα Doppler δεν πάσχουν από την Προκατάληψη της Σειράς όπως τα όργανα CW Doppler. εν υπάρχει ουσιαστικά κανένας περιορισµός στο µέγεθος των καναλιών, εφ' όσον λαµβάνεται η διαβιβασθείσα δύναµη και η ευαισθησία είναι ικανοποιητική. Οι τρέχοντες παλλόµενοι µετρητές ροής που υπάρχουν στην αγορά σχεδιάζονται για να καλύψουν ένα µέγιστο βάθος ροής 5 µέτρων (16,4 ft..), εντούτοις αυτό είναι ένα εξαρτώµενο σχέδιο.

164 P a g e 159 Μειονεκτήµατα του παλλόµενου µετρητή ροής Doppler: Χρήση σε συγκεκριµένες συνθήκες ροής Ίσως το κυριότερο µειονέκτηµα έναντι των µετρητών CW Doppler είναι το γεγονός ότι τα παλλόµενα όργανα Doppler χρειάζονται κάποιο χρόνο απαλοιφής (και έτσι την απόσταση απαλοιφής) για να ανακτήσουν το σήµα µετάδοσης. Αυτό συµβαίνει επειδή το σήµα µετάδοσης ενεργοποιεί το µετατροπέα µε πολύ περισσότερη δύναµη από ότι ακόµη και µια ηχώ από τη στενή σειρά. Αφότου τελειώσει η µετάδοση, ο µετατροπέας συνεχίζει να χτυπά, παρόµοια µε ένα κουδούνι και αυτό το χτύπηµα υποβιβάζεται τελικά σε ένα αποδεκτό επίπεδο. Επιπλέον, οποιοσδήποτε ενισχυτής δεκτών θα διαποτιστεί κατά τη διάρκεια της µετάδοσης και απαιτεί επίσης κάποιο χρόνο για να ανακτήσει. εν υπάρχει κανένας σταθερός κανόνας για το πόσο θα πρέπει να είναι αυτός ο χρόνος αποκατάστασης, δεδοµένου ότι εξαρτάται σε ένα µεγάλο βαθµό από το σχέδιο του µετρητή. Στη σύγχρονη εποχή, η παλλόµενη Doppler τεχνολογία επιτρέπει στο πρώτο κέντρο κυττάρων βάθους να τοποθετηθεί σε περίπου 15 εκατ. (6 in.) από το µετατροπέα. Οι βελτιώσεις σε αυτόν τον τοµέα είναι ε- φικτές και αναµένονται ακόµα περισσότερες. Ο ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΡΟΗΣ "ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ-ΠΟΡΕΙΩΝ" Λόγω της σχετικής ηλικίας της υπερηχητικής τεχνολογίας, µπορεί να είναι ευεργετικό να συζητηθεί η λειτουργία του µετρητή ροής "πολλαπλών-πορειών" για να επεξηγήσει τα αποτελέσµατα των ποικίλων διαστρεβλώσεων στη ροή ενός µέσου (αερίου ή ρευστού). Υπάρχουν διάφοροι τύποι µετρήσεων της ροής που χρησιµοποιούν τους ή- χους υψηλής συχνότητας. Οι συσκευές µέτρησης της επιτήρησης της µεταφοράς που είναι διαθέσιµες σήµερα χρησιµοποιούν την έννοια του χρόνου του ταξιδιού. Η χρονική διαφορά µε τη ροή συγκρίνεται µε τη χρονική διαφορά ε- νάντια στη ροή. Αυτή η διαφορά που προκύπτει χρησιµοποιείται για να υπολογιστεί η µέση ταχύτητα της ροής. Το σχήµα 6.47α, επεξηγεί αυτήν την έννοια.

165 P a g e 160 Σχήµα 6.47α: Μετρητής µε υπέρηχους: ηχητική πορεία απουσία ροής. Ο Miller (1996) παρείχε την εξίσωση για τη µέση ταχύτητα της ροής ως εξής: Όπου Dist SoundPath, η απόσταση της πορείας του ήχου. Η περίπτωση της απουσίας ροής παρουσιάζεται για να επεξηγήσει την πραγ- µατική πορεία του ήχου όταν δεν υπάρχει ροή (η εξίσωση εξισώνεται σε µηδέν, φυσικά). Εάν επικαλεστεί ένα θεωρητικό σχεδιάγραµµα της ροής, για παράδειγµα ένα οµοιόµορφο σχεδιάγραµµα της ταχύτητας της ροής όπου δεν εφαρµόζεται ο όρος ολίσθησης στους τοίχους των σωλήνων, το σχήµα 6.47β επεξηγεί την επακόλουθη ηχητική πορεία. Σχήµα 6.47β: Μετρητής µε υπέρηχους: ηχητική πορεία - οµοιόµορφο σχεδιάγραµµα της ταχύτητας της ροής. Το σχήµα 6.47γ δείχνει µια πιθανή ηχητική πορεία ως αποτέλεσµα µιας εγκατάστασης σε µια πραγµατική ροή.

166 P a g e 161 Σχήµα 6.47γ: Η ηχητική πορεία στους µετρητές µε υπέρηχους στην πλήρως αναπτυγµένη ροή. Η χρήση ενός αλγορίθµου για να υπολογίσει τη µέση ταχύτητα της ροής για την ηχητική πορεία µπορεί να είναι αρκετά περίπλοκη. Οι Karnik, Studzinski και Rogi (1996) παρείχαν τις ενδείξεις της πραγµατικής απόδοσης των µετρητών µε υπέρηχους των προς τα κάτω διαταραχών και την ανάγκη για βαθµονοµήσεις και περαιτέρω έρευνα. Η καθοριστική ευαισθησία των µετρητών "πολλαπλών-διαδροµών" στα αποτελέσµατα των εγκαταστάσεων αναλαµβάνεται προς το παρόν από διάφορους ερευνητές και βιοµηχανίες. Επίσης, για να καταλάβει κάποιος επακριβώς τις επιπτώσεις της ρύθµισης των συνθηκών της ροής πριν από τη χρησιµοποίηση µιας συσκευής µέτρησης, θα πρέπει εξαρχής να συµβουλεύεται τους κατασκευαστές των συσκευών για πρόσθετες πληροφορίες. Η ρύθµιση των συνθηκών της ροής Η διαδικασία της ρύθµισης των συνθηκών της ροής αναφέρεται στην τροποποίηση των χαρακτηριστικών της ροής µέσα σε έναν σωλήνα στους όρους αναφοράς όπως απαιτείται από έναν συγκεκριµένο µετρητή. Η χρησιµοποίηση αυτής της τεχνικής µπορεί να µειώσει τις κύριες δαπάνες µιας ακριβής µετρητικής εγκατάστασης. Για παράδειγµα, ο µετρητής στοµίων (orifice) δεν απαιτεί µεµονωµένες βαθ- µονοµήσεις για να εξασφαλίσει ακρίβεια λόγω της διαθεσιµότητας ενός πλήρους προτύπου. Ο στρόβιλος και οι µετρητές µε υπέρηχους πρέπει να βαθµονοµηθούν προκειµένου να εγγυηθεί η ακρίβεια. Η ανάγκη για ρύθµιση των συνθηκών της ροής καθορίζεται από την ευαισθησία του µετρητή στις αλλαγές από τους βαθµονοµηµένους όρους στους όρους των εγκαταστάσεων. Η ρύθµιση των

167 P a g e 162 συνθηκών της ροής µπορεί να βοηθήσει στο να αποµονώσει τους όρους των εγκαταστάσεων σε ένα αποδεκτό επίπεδο που µοιάζει µε το βαθµονοµηµένο πρότυπο. Οι κατασκευαστές και τα εφαρµόσιµα πρότυπα πρέπει να λάβουν υπόψη τις σωστές λεπτοµέρειες των εγκαταστάσεων και να υποβληθούν οι σωστές ερωτήσεις κατά τη δηµιουργία και την εγκατάσταση των µετρητών Ο Μετρητής ροής "συσχέτισης" Αυτοί οι µετρητές ροής βασίζονται στη µέτρηση του χρόνου-διέλευσης (της χρονικής διαφοράς που παρατηρείται στην πορεία των υπερηχητικών σηµάτων) µεταξύ δύο αισθητήρων. Οι συγκεκριµένοι µετρητές χρησιµοποιούν τη µέθοδο της διέλευσης-χρόνου συσχετισµού (ή χρονικής διαφοράς συσχετισµού) για να παρέχουν ακριβείς, ελεύθερες-κλίσης µετρήσεις χωρίς την παρακώλυση ή την παρεµπόδιση της ροής. Αντί να στηρίζεται σε έναν ενσωµατωµένο ανιχνευτή, µια φυσικά εµφανιζόµενη ιδιότητα της ροής χρησιµοποιείται για να διαµορφώσει τυχαία τα σήµατα των προς τα πάνω και των προς τα κάτω αισθητήρων. Το αποτέλεσµα είναι δύο παρόµοια σήµατα "θορύβου" που µετατοπίζονται µέχρι έναν χρόνο τ m = l/v όπου το l είναι το αξονικό διάστηµα των αισθητήρων και το v είναι η ταχύτητα της ροής. Η καθυστέρηση τ m καθορίζεται µε τον υπολογισµό της λειτουργίας συσχέτισης: 1 R xy ( I, T ) = x( t+ T ) y( t) dt T όπου x (t + τ) είναι το προς τα πάνω σήµα που καθυστερεί για χρόνο τ, y(t) είναι το προς τα κάτω σήµα του ρεύµατος και T είναι ο χρόνος ολοκλήρωσης. Στην εξιδανικευµένη περίπτωση, το R xy επιδεικνύει µια ευδιάκριτη αιχµή όταν τ = τ m.

168 P a g e 163 Η χρήση των υπερηχητικών αισθητήρων για τις τεχνικές συσχέτισης έχει λάβει πολλή προσοχή, που οφείλεται κυρίως στη δυνατότητα για µη-παρεισφρητική µέτρηση στις πολλών-συστατικών ροές. Εντούτοις, παρά την προφανή α- πλότητα της µεθόδου, οι δυσκολίες στην εφαρµογή της τεχνικής έχουν αποτρέψει τη διαδεδοµένη χρήση της. Οι αναφερόµενες εφαρµογές αυτής της τεχνικής είναι κυρίως στις βιοµηχανίες ενέργειας και κατασκευής χαρτιού. Προς το τέλος της δεκαετίας του '80 ένας µετρητής αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε για την παράκτια πολυφασική µέτρηση τηςροής. Αν και αυτή η συγκεκριµένη ανάπτυξη δεν ήταν µια εµπορική επιτυχία, οι τεχνικές συσχέτισης (που χρησιµοποιούν άλλες αρχές αντίληψης) είναι τώρα κοινά συστατικά των πολυφασικών µετρητικών συστηµάτων Η εφαρµογή του µετρητή ροής "συσχέτισης" Οι συµπαγείς υπερηχητικοί µετατροπείς εγκαθίστανται στο σωλήνα ή τον αγωγό, ο ένας πάνω από τον άλλο. Οι µετατροπείς στέλνουν και λαµβάνουν τους κωδικοποιηµένους σφυγµούς µέσω του αερίου. Ο µετρητής µετρά τη διαφορά µεταξύ των προς τα επάνω και των προς τα κάτω χρόνων-διέλευσης και χρησιµοποιεί την επεξεργασία του ψηφιακού σήµατος και την ανίχνευση συσχετισµού για να υπολογίσει το ποσό της ταχύτητας και της ροής. Αυτή η µέθοδος διέλευσης-χρόνου (ή χρονικής διαφοράς) συσχετισµού παράγει αξιόπιστες, επαναλαµβανόµενες µετρήσεις και α- νταποκρίνεται γρήγορα στις αλλαγές της ταχύτητας, ενώ δεν παρεµποδίζει τη ροή από καµιά άποψη. Για µέγιστη ακρίβεια, χρησιµοποιείται ένας µετρητής διπλού-καναλιού, ο οποίος στην ίδια θέση είναι ικανός να µετράει κατά µήκος δύο διαφορετικών

169 P a g e 164 πορειών. Αυτός ο µετρητής µπορεί επίσης να µετρήσει τη ροή σε δύο χωριστούς σωλήνες ή σε δύο διαφορετικές θέσεις στον ίδιο σωλήνα Ο Μετρητής ροής clamp-on (µε σφιγκτήρα) Οι µετρήσεις της ροής γίνονται µε τη διείσδυση του υπέρηχου στο σωλήνα. Σχήµα 6.48: Σχηµατική παράσταση του µετρητή Στη συνέχεια αξιολογούνται οι χρονικές διαφορές, οι παραλλαγές της συχνότητας ή οι µετατοπίσεις φάσης των υπερηχητικών σηµάτων που προκαλούνται από το ρεύµα. Η µέτρηση της ροής βασίζεται στην αρχή ότι τα ηχητικά κύµατα που ταξιδεύουν στην κατεύθυνση της ροής του ρευστού απαιτούν λιγότερο χρόνο ταξιδιού από αυτόν του ταξιδιού προς στην αντίθετη κατεύθυνση. Η διαφορά στους χρόνους διέλευσης των υπερηχητικών σηµάτων είναι µια ένδειξη για το ποσό της ροής του ρεύµατος. εδοµένου ότι τα υπερηχητικά σήµατα µπορούν επίσης να διαπεράσουν τα στερεά υλικά, οι µετατροπείς µπορούν να τοποθετηθούν πάνω και έξω από το σωλήνα. Οι γρήγοροι επεξεργαστές των ψηφιακών σηµάτων και η περίπλοκη και αξιόπιστη µέτρηση και ανάλυση των σηµάτων καθιστούν δυνατή τη λειτουργία α- κόµη και υπό δύσκολους όρους εκεί όπου προηγούµενοι µετρητές της ροής µε υπέρηχους είχαν αποτύχει Ειδικοί µετρητές ροής για διάγνωση στην αρχική (φυσική) θέση της διαγώνιας και της στροβιλισµένης ροής Οι περισσότερες ροές στους σωλήνες είναι σύνθετες και ανοµοιόµορφες δεδοµένου ότι είναι σπάνια δυνατό να χρησιµοποιηθούν ευθεία µήκη σωλήνων σταθερής διαµέτρου που απαιτούνται για να επιτευχθεί µια πλήρως αναπτυγ- µένη ιδανική ροή. Εντούτοις, για το σχέδιο των µετρητών της ροής υποτίθεται ότι υπάρχουν ιδανικοί όροι ροής και έτσι η παρουσία δευτεροβάθµιων ροών είναι γνωστή ως πηγή σηµαντικών ανακριβειών στη δοσολογία. Κατά συνέ-

170 P a g e 165 πεια, τα χαρακτηριστικά των µη-ιδανικών δευτεροβάθµιων ροών είναι σηµαντικά στην ακριβή µέτρηση της ροής. Ο προσδιορισµός των χαρακτηριστικών της διαγώνιας και της στροβιλισµένης ροής είναι ένα σηµαντικό ζήτηµα στην επίτευξη της ακριβούς µέτρησης της ροής. Μια σχέση µεταξύ του παράγοντα των µετρητών και της παραµέτρου του στροβιλισµού έχει προταθεί για να διορθώσει την απόδοση των µετρητών. Οι στροβιλισµένες ροές συναντώνται επίσης συχνά σε βιοµηχανικές εφαρµογές όπου απαιτείται µια έντονη µίξη. Η υδροδυναµική µίξη εξαρτάται ιδιαίτερα από το σχέδιο του αναµίκτη (mixer), ο οποίος παράγει τις στροβιλισµένες και τις διαγώνιες ροές. Η γρήγορη εξέλιξη της υπερηχητικής τεχνολογίας προσφέρει προοπτικές για βελτιωµένη µετρολογία της ροής. Με την απλή αρχή λειτουργίας και το σχετικά εύκολο σχέδιο και την εφαρµογή τους, οι µετρητές ροής µε υπέρηχους αυτού του τύπου έχουν γίνει πολύ δηµοφιλείς. Αυτή η τάση είναι πιθανό να συνεχιστεί δίνοντας περαιτέρω βελτιώσεις στον υπολογισµό και την απόδοση και καθιστώντας πιο αξιόπιστη την εφαρµογή των σύνθετων υπερηχητικών αισθητήρων. Παρακάτω (πίνακες 1 και 2) περιγράφονται οι µετρήσεις της ροής χρησιµοποιώντας τις τεχνικές της "χρονικής-διαφοράς" µε έναν διπλό-αισθητήρα. Ο στόχος είναι να γίνουν κατανοητές και να αξιολογηθούν οι προοπτικές της υ- περηχητικής τεχνολογίας για τον καθορισµό των δευτεροβάθµιων χαρακτηριστικών της ροής και τη βελτίωση των µετρήσεων της ροής µε τον προσδιορισµό και τη µείωση των λαθών που προκαλούνται από τις διαταραχές της ροής. Η ευαισθησία στο στροβιλισµό είναι ένα µειονέκτηµα για τις υπερηχητικές µετρήσεις στην πρακτική της µέτρηση της ροής, αλλά µπορεί να είναι χρήσιµη για τη διάγνωση των διαταραγµένων δευτεροβάθµιων ροών. Η προσοχή εστιάζεται στους µετρητές ροής "πολύ-αντανάκλασης" και τις ικανότητές τους στη µέτρηση της µη-ιδανικής δευτεροβάθµιας ροής. Όταν οι αισθητήρες και οι ακουστικές πορείες βρίσκονται σε ένα κανονικό πλάνο όσον αφορά το σωλήνα, κανένα από τα τµήµατα της αξονικής ροής δεν µολύνει το µετρούµενο σήµα και τα δευτεροβάθµια χαρακτηριστικά της ροής µπορούν να ανιχνευθούν µε µεγάλη σαφήνεια. Το πρότυπο δίνης (στροβιλισµού) Taylor µπορεί να περιγράψει τα χαρακτηριστικά των διαγώνιων ή των στροβιλισµένων ροών: V θ = V o r v exp (-r v 2 ) Όπου r v = d c /d o και d c η απόσταση από το κέντρο της δίνης, ενώ V o και d o είναι οι σταθερές δίνης για την ένταση και το µέγεθος του πυρήνα, αντίστοιχα.

171 P a g e 166 Άντ αυτού, δίνεται περισσότερη έµφαση στη στερεή περιστροφή των σωµάτων κοντά στον άξονα της περιστροφής και στην εκθετική αποσύνθεση από τα κεντρικά χαρακτηριστικά που µοιάζουν µε τα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα των δινών στις ροές των σωλήνων. Ένας άλλος τύπος διαγώνιας ροής που χρησιµοποιείται εδώ είναι U ή V = 0,1 cos(r). Πίνακας 6.5. Αξονικά συµµετρικές λειτουργίες, f r (r). ID UN LA BM PL fr1 fr2 fr3 fr4 fr5 fr(r) 1, οµοιόµορφη 2 (1-(2r) 2 ),ελασµατική ίνεται από τους Bogue και Metzner 4(p+1)(p+2) (1-2r) p, Νόµος της ενέργειας αργός πυρή- 4(p+1)(p+2)(p+3)r(1-2r)p, 8(p+1)..(p+4) r 2 (1-2r) p /3, αργός πυρήνα. r 3 (1-2r) p /3, αργός πυρή- 4(p=1)...(p+5) π/(1/2-1/π)cos(πr) νας π/(1/4-2/π2) r cos(πr)

172 P a g e 167 Πίνακας 6.6. Γωνιακές λειτουργίες fθ (θ ), - π < θ < π. ID fθ (θ) fθ0 1/2π, οµοιόµορφη fθ1 3θ 2 /2π 3 fθ2 cos(θ)/π fθ3 cos 2 (θ)/π fθ4 θ cos(θ)/2π fθ5 θ cos 2 (θ)/2π fθ6 θ2 cos 2 (θ)/π(π2/3+1/2) fθ7 e-aθ cos(θ)(a 2 +1)/a(e -aπ -e aπ ) fθ8 e-aθ cos 2 (θ)a(a 2 +4)/(a 2 +2)(e aπ -e -aπ ) fθ9 cos 2 (θ/2)/π fθ10 θ cos(θ/2)/π fθ11 (θ 2-1) cos 2 (θ)/π(π 2 /3-1/2) fθ12 (π+θ) 2 (π-θ) 2 15/16π 5 Με βάση αυτά τα απλά αναλυτικά σχεδιαγράµµατα της ταχύτητας, µπορούν να διαµορφωθούν πολλοί περίπλοκοι τοµείς της ταχύτητας. Ο πίνακας 6.7 παρουσιάζει µερικούς επιλεγµένους τοµείς της ταχύτητας που χρησιµοποιούνται. Στον πίνακα, η PL είναι µια συµµετρική ροή-βάση του νόµου της ενέργειας-, η CRU είναι µια διαγώνια ροή για το τµήµα του U και η 1ed είναι µια στροβιλισµένη ροή στην κεντρική γραµµή του σωλήνα. Τα 2edx είναι δύο στρόβιλοι που βρίσκονται σε συντεταγµένες (+ x,y), η SNL είναι ένας συνδυασµός δύο στροβίλων, οµοιόµορφης αξονικής ροής και διαστρεφόµενης αξονικής ροής κανονικής στο πλάνο του στροβιλισµού. Το σχεδιάγραµµα SNL προορίζεται να προσοµοιώσει τις συνθήκες µιας ροής ενιαίου-αγκώνα. Το σχεδιάγραµµα DBL προσοµοιώνει µια ροή διπλού-αγκώνα και είναι ένας συνδυασµός στροβίλου, ενός νόµου της ενέργειας (PL) και µιας αργής ροής των πυρήνων (fr2). Σε όλες τις περιπτώσεις, η ένταση της δίνης στις µονάδες είναι υποτιθέµενη, δηλ., V o = 1. Για να ερευνηθεί η απόδοση των µετρητών ροής στις συµβατικότερες, µηιδανικές τυρβώδεις ροές, παρήχθησαν τα πρότυπα υπολογισµού της δυναµικής των ρευστών CFD (Computational Fluid Dynamics, βλ. κεφάλαιο ) της ροής µέσω ενός ενιαίου αγκώνα και ενός διπλού-αγκώνα χρησιµοποιώντας έναν εµπορικά διαθέσιµο κώδικα υπολογιστών. Στον πίνακα 6.7, οι LY και LXY δείχνουν τα στοιχεία του ενιαίου και του διπλού-αγκώνα CFD, αντίστοιχα.

173 P a g e 168 Πίνακας 6.7. Επιλεγµένοι τοµείς της ροής της ταχύτητας. Τα κέντρα δίνης δίνονται (x,y) σε συντεταγµένες. ID Σχεδιαγράµµατα ταχύτητας PL U=V=0, W= PL, Νόµος της ενέργειας CRU U=0,1cos(r), V=0, W=1 1ed 1 δίνη σε (0,0) µε ro=0,25 και W=1 2edx 2 δίνες σε (+0,15, 0) µε ro=0,15 και W=1 SNL 2 δίνες σε (+0,15, 0,1) µε ro=0,15, DBL SKX LY LXY W=1-0.2fr1*fθ2 µετατοπισµένες κατά γωνία θ = 90 o 1 δίνη σε (0,0) µε ro=0,25, W=0,9PL+0,1fr2 U=V=0, W=1+fr1 *fθ2, διαγώνια µε κατεύθυνση x Ενιαίος αγκώνας CFD ιπλός αγκώνας CFD Συµπεράσµατα-προοπτικές Οι µετρητές ροής διπλού-αισθητήρα, βρίσκουν εφαρµογή σε ένα ευρύ φάσµα όρων της ροής. Οι προοπτικές απόδοσης των µετρητών έχουν ερευνηθεί και εγκριθεί και για τις ροές των σωλήνων και για τα αναλυτικά σχεδιαγράµµατα της ταχύτητας και για τις κοινές ροές των σωλήνων στις βιοµηχανικές εγκαταστάσεις. Τα διάφορα αναλυτικά σχεδιαγράµµατα της ταχύτητας της ροής στους σωλήνες εξετάζουν την ευαισθησία στα δευτεροβάθµια χαρακτηριστικά της ροής. Χρησιµοποιούνται επίσης και τα αποτελέσµατα CFD για τις ροές του ενιαίου και του διπλού-αγκώνα. Αυτά τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι οι ειδικά σχεδιασµένοι αυτοί µετρητές ροής διπλού-αισθητήρα µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη διάγνωση στην αρχική (φυσική) θέση των διαγώνιων και των στροβιλισµένων ροών σε µη-ιδανικές εγκαταστάσεις. Ο µετρητής ροής τριών-αισθητήρων είναι ένα παράδειγµα µετρητή ικανού να παρέχει τη διάγνωση της διαγώνιας ροής στις εγκαταστάσεις βαθµονόµησης. Αποτελείται από δύο άµεσους, διασταυρωµένους αισθητήρες (τοποθετηµένους 90 µοίρες χώρια και ικανούς να ανιχνεύσουν το τµήµα των διασταυρώσεων) και έναν τριγωνικό αισθητήρα διπλής-αντανάκλασης που χρησιµοποιείται για να ανιχνεύσει τη στροβιλισµένη ροή. Εκτός από τη χρησιµοποίηση ως διαγνωστικό εργαλείο της ροής, οι αισθητήρες συσχέτισης και οι αισθητήρες στροβιλισµού θα µπορούσαν να αποδειχθούν ευεργετικοί σε εφαρµογές ό- που τα χαρακτηριστικά των εγκαταστάσεων µπορούν να οδηγήσουν σε ακα-

174 P a g e 169 θόριστα λάθη όταν αξιολογούνται τα υπερηχητικά σήµατα χρησιµοποιώντας τη συµβατική ολοκλήρωση. Με τη γνώση των χαρακτηριστικών της µηιδανικής, της στροβιλισµένης και της διαγώνιας της ροής στους σωλήνες και την κατανόηση της φύσης των εγκατεστηµένων υπερηχητικών τεχνικών, είναι εφικτό να βελτιωθούν σηµαντικά η µελέτη και οι εφαρµογές στη µέτρηση της ροής των αερίων και των υγρών.

175 P a g e ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΤΟΥΡΜΠΙΝΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τουρµπινόµετρα είναι από τους πιο δηµοφιλής µετρητές ροής που χρησι- µοποιούνται για µετρήσεις υψηλής ακρίβειας τόσο σε υγρά όσο και σε αέρια. Όπως όλοι οι µετρητές ροής έτσι και αυτοί χαρακτηρίζονται από τα όρια και από τις εφαρµογές για τις οποίες είναι κατάλληλοι. Στον τοµέα του ελαιολάδου το τουρµπινόµετρο είναι η πρώτη επιλογή για την µέτρηση της ροής ή την επιµέλεια των αιτήσεων µεταφοράς που αφορούν συνεχή ή µεγάλες παρτίδες ροών Αρχές Ένας στροβιλοµετρητής αποτελείται από ένα πολλαπλών λεπίδων ρότορα συναρµολογούµενος επί εδράνων επιτρέποντας να περιστρέφεται µε ταχύτητα ανάλογη µε την κινητική ενέργεια του ρευστού που ρέει κατά µήκος των πτερυγίων. Αυτή µε την σειρά της είναι ανάλογη µε την µέση αξονική ταχύτητα του ρευστού. Έτσι σε ένα ροόµετρο η ταχύτητα του ρότορα είναι ανάλογη µε την ογκοµετρική παροχή του ρευστού που διέρχεται µέσα σ αυτό. Θεωρητικά υπάρχουν δύο τεχνικές που χρησιµοποιούνται για την µοντελοποίηση (αυξάνοντας την απόδοση) των στροβιλοµετρητών. 1. Η τεχνική που αφορά στην µείωση της στροφορµής που προκύπτει από την ταχύτητα του ρότορα του µετρητή. 2. Η τεχνική η οποία χρησιµοποιεί την θεωρία της αεροτοµής για να προβλέψει την ταχύτητα του ρότορα. Και οι δύο αυτές τεχνικές είναι µονοδιάστατες και η θεωρία της αεροτοµής είναι η πιο δηµοφιλής. Πρόσφατες εξελίξεις στην υπολογιστική δυναµική κωδικοποίηση των ρευστών επιτρέπουν πιο περίπλοκη και ακριβή µοντελοποίση αλλά οι κώδικες συχνά λειτουργούν στα όριά τους για να επιτύχουν καλά αποτελέσµατα. Θα πρέπει να τονισθεί ότι η µοντελοποίηση του στροβιλοµετρητή µπορεί να είναι απλώς ενδεικτική, δεδοµένου ότι ένα καλά τεκµηριωµένο γεγονός είναι ότι σχετικά µικρές αλλαγές στο σχεδιασµό των λεπίδων µπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στον παράγοντα µέτρηση σε πάνω από 5%.

176 P a g e Στροφέας και πτερύγια Τα πτερύγια του στροφείου µπορεί να κατασκευστούν από στερεά ράβδο α- φήνοντας το κοµβικό σηµείο στο κέντρο, ή µπορούν να βρίσκονται σε σχισµές στην πλήµνη όπου στερεώνονται µε συγκόλληση ή µε άλλες µεθόδους. Για την παραγωγή του ρότορα χρησιµοποιείται η µέθοδος της χύτευσης η ο- ποία όµως αποφεύγεται για µετρητές υψηλής ακρίβειας. Τα πτερύγια είναι κρίσιµα και για την κατασκευή τους θα πρέπει να ληφθεί µέριµνα ώστε να εξασφαλιστεί η συµβατότητα µε το ρευστό διεργασίας. Το σχήµα και ο αριθµός των πτερυγίων ποικίλλει ανάλογα µε τον σχεδιασµό του µετρητή. Για υγρά χρησιµοποιούνται συνήθως οι στρόβιλοι πολλαπλών πτερυγίων µε έξι, οκτώ, δέκα, ή και περισσότερα πτερύγια. Τα πτερύγια µπορεί να είναι ευθεία και υπό γωνία προς την ροή ή να κόβονται για την παραγωγή ενός ελικοειδούς τµήµατος. Κάθε σχεδιαστική φιλοσοφία έχει τους οπαδούς της αλλά στην πράξη κανένας ρότορας δεν σχεδιάζεται για να δώσει ένα καθολικό πλεονέκτηµα το οποίο να υπερβαίνει εκείνου που προκύπτει από την υψηλής ποιότητας κατασκευή. Για όλους τους µετρητές η πλήµνη µε τις άκρες των πτερυγίων επιλέγονται ανάλογα για να παρέχουν µία ισσοροπία µεταξύ των κινητήριων δυνάµεων και της πτώσης πίεσης από απόφραξη και των δυνάµεων στις άκρες των πτερυγίων. Για µετρητές υγρών η αναλογία της πλήµνης µε τις κορυφές των πτερυγίων είναι συνήθως 0,4 µε 0,6.

177 P a g e Τι είναι το Τουρµπινόµετρο Το τουρµπινόµετρο είναι µία συσκευή η οποία µετρά την ταχύτητα ενός ρευστού µέσα σε έναν κλειστό αγωγό διαµέσου ανιχνευτών της γωνιακής ταχύτητας του στροφέα του τουρµπινοµέτρου. Η ταχύτητα του στροφέα είναι ανιχνεύσιµη όταν ο στροφέας περνά µέσα από µαγνητικό πεδίο ενός σπειροειδούς αισθητήρα κίνησης ο οποίος παράγει ένα χαµηλό επίπεδο ηµιτονοειδούς τάσης. Ένας προενισχυτής µετατρέπει την ηµιτονοειδής σε ένα σήµα εξόδου το οποίο είναι ανάλογο της παροχής του ρευστού. Γενικά ο µετρητής στροβίλου αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία: -Το σώµα -Τον µηχανισµό µέτρησης -Την συσκευή παραγωγής και ανάγνωσης σήµατος Σώµα - Το σώµα και όλα τα άλλα µέρη που περιλαµβάνει θα πρέπει να σχεδιάζονται και να

178 P a g e 173 κατασκευασµένο από υλικό κατάλληλο για τις συνθήκες χρήσης τις οποίες πρόκειται να συναντήσει. - τα άκρα σύνδεσης του σώµατος θα πρέπει να σχεδιάζονται σύµφωνα µε τα κατάλληλα πρότυπα σύνδεσης (κατάλληλη φλάντζα και σπείρωµα ). - Το σώµα θα πρέπει να προσδιορίζεται για να δείξει τα ακόλουθα: - όνοµα του κατασκευαστή. - Μέγιστη δυναµικότητα σε πραγµατικό όγκο (µονάδες πραγµατικές κυβικά πόδια ανά ώρα). - Μέγιστη επιτρεπόµενη πίεση λειτουργίας, psig -Αύξων αριθµός. - Inlet, σφραγίζοντας την κατάλληλη σύνδεση στο τέλος, ή ένα βέλος που δείχνει την κατεύθυνση της ροή Όργανα και συστήµατα µέτρησης - Ο µηχανισµός µέτρησης αποτελείται από το στροφέα, ρουλεµάν, και την α- παραίτητη δοµή υποστήριξης - Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες των µηχανισµών µέτρησεις ανάλογα µε τον τρόπο που έχουν εγκατασταθεί στο σώµα α) Ο µηχανισµός µέτρησης είναι αφαιρούµενη µονάδα, µέσω µιας κορυφής ή φλάντζας χωρίς να διαταραχθούν οι συνδέσεις των άκρων. β) Ο µηχανισµός µέτρησης είναι αφαιρούµενος, είτε ως µονάδα είτε ως ξεχωριστά κοµµάτια, µέσω των συνδέσεων των άκρων. - Ο µηχανισµός µέτρησης θα πρέπει να προσδιορίζεται µονίµως αν είναι α- φαιρούµενη µονάδα µε τις ακόλουθες πληροφορίες: - Serial Number - Κατεύθυνση ροής, αν είναι αναστρέψιµη Συσκευή Παραγωγής και Ανάγνωσης σήµατος - Μετρητές στροβίλων είναι διαθέσιµοι µε µηχανικό δίσκο ή ηλεκτρικές εξόδους παλµού.

179 P a g e Για µηχανικούς µετρητές κίνησης, η έξοδος αποτελείται από shafting (υλικό για άξονες), οδοντωτών τροχών και άλλα εξαρτήµατα κίνησης που απαιτούνται για να µεταδώσουν τις υποδεικνυόµενες στροφές του δροµέα έξω από το σώµα για τη µη διορθωµένη καταχώριση του όγκου. Οι µετρητές πρέπει να φέρουν κοντά στο δίσκο εξόδου σήµα δείκτη για να υποδείξει την κατεύθυνση της περιστροφής. Η ενδιάµεση διάταξη µετάδοσης πρέπει να επιση- µαίνεται µε το βασικό δείκτη ταχυτήτων, εκτός από τα γρανάζια της αλλαγής. Αλλαγή ταχυτήτων πρέπει να σφραγίζεται µε το µέγεθος και τον αριθµό των δοντιών. - Για µετρητές ηλεκτρικού παλµού, η έξοδος περιλαµβάνει το σύστηµα ανίχνευσης παλµών και όλες τις ηλεκτρικές συνδέσεις απαραίτητες για τη µετάδοση των στροφών του δροµέα - Οι συσκευές ανάγνωσης πρέπει να είναι από οποιαδήποτε µορφή κατάλληλη για την εφαρµογή. Η συσκευή για την µέτρηση της στιγµιαίας ταχύτητας του ρευστού το οποίο κινείται µέσα σε έναν αγωγό περιέχει κάποια συγκεκριµένα στοιχεία : a) Ένα spool piece το οποίο διατηρεί την πίεση. b) Ένας ελεύθερα περιστρεφόµενος στροφέας τοποθετηµένος οµοαξονικά εφαρµόζει εντός του spool piece c) Μία εξωτερικά τοποθετηµένη ηλεκτρονική συσκευή (µεταδότης) για την ανίχνευση-παραλαβή της κίνησης των πτερυγίων του στροφείου d) Έναν προενισχυτή ικανό να τονώσει την χαµηλή στάθµη του σήµατος της ηλεκτρονικής συσκευής παραλαβής σήµατος της κίνησης των πτε-

180 P a g e 175 ρυγίων του στροφείου, σε ένα επίπεδο κατάλληλο για µετάδοση, (συνήθως απαιτείται αλλά υπάρχουν και περιπτώσεις όπου µία οθόνη µε µπαταρία µπορεί να χρησιµοποιηθεί αντ αυτού. e) Ένα εξωτερικό κουτί διασταύρωσης σηµάτων : Μεταδότη προενισχυτή τοµέα απόληξης (junction box)

181 P a g e Αρχές Λειτουργίας Ο µαγνητικός αισθητήρας δηµιουργεί ένα µαγνητικό πεδίο, προκειµένου να παράγονται παλµοί από το πηνίο είναι απαραίτητο για το υλικό που περνάει κάτω από τον αισθητήριο να έχει κάποια µαγνητική διαπερατότητα. Στην περίπτωση Rimmed Rotor αυτό επιτυγχάνεται µε µαγνητικά κουµπιά (ενώ στην περίπτωση Standar Rotor η προσεκτική επιλογή του υλικού του ρότορα επιτρέπει την παραγωγή ενός ηλεκτρικού σήµατος εξόδου) - Το πλάτος αυτής της ηµιτονοειδούς κυµατοµορφής είναι ανάλογο προς την ταχύτητα περιστροφής. Εκόνα 1 Hydrodynamically Balanced Rotor

182 P a g e 177 Εικόνα 2 Theory of Operation Εικόνα 3 Προενισχυτής

183 P a g e 178 Εικόνα 4 Τύποι σήµατος εξόδου Συνήθεις Ρυθµίσεις Μεταδότη Στον πιο σύνηθες µετρητή στροβίλου προκειµένου να έχουµε περισσότερους από έναν παλµούς στην έξοδο (π.χ. για τον διπλό παλµό ασφαλείας είναι α- παραίτητο να υπάρχουν δύο ξεχωριστές µονάδες µεταδότη / προενισχυτή τοποθετηµένες πάνω στον µετρητή για τον διπλό παλµό οι µαγνήτες πρέπει να έχουν 90 βαθµούς διαφορά ηλεκτρικής φάσης).εικόνα 5 Εικόνα 5 Ρυθµίσεις Μεταδότη (διπλός παλµός) ιπλός παλµός ασφάλειας Ο σκοπός του διπλού παλµού ασφαλείας είναι να προλαµβάνει ή τους χαµένους ή τους έξτρα παλµούς οι οποίοι καταµετρώνται µε την σύγκριση ενός παλµογράφου µε ένα άλλο διαφορετικό όργανο λήψης δεδοµένων (π.χ. flow computer). Έξτρα παλµοί συχνά προκύπτουν µε ηλεκτρικές παρεµβολές. ι-

184 P a g e 179 πλοί παλµοί απαιτούν δύο ζεύγοι pickups στον µετρητή στροβίλου συνήθως τοποθετηµένοι σε 90 0 διαφορά φάσης. UMB (Universal Mounting Box) Μοναδικός σχεδιασµός που ενσωµατώνει δύο pickoffs σε ενιαίο περίβληµα: πραγµατικό επίπεδο Β παλµού ασφαλείας Μείωση των απαιτήσεων του αγωγού ικάναλος προενισχυτής Σήµερα διατίθεται στις σειρές 1200 και 1500 µέτρα. Mounting Box) Εικόνα 6 UMB (Universal

185 P a g e Τύποι ρότορα Υπάρχουν διαθέσιµοι διάφοροι τύποι ρότορα, οι οποίοι παρέχουν κάποια πλεονεκτήµατα για κάποιες ειδικές εφαρµογές. Οι τύποι αυτοί είναι: Ρότορες µε ίσιες ευθείες λεπίδες Ρότορες µε ελικοειδείς λεπίδες Rim ρότορες τύπου ζάντας (µε στεφάνη) Shrouded (τυλιγµένους) ρότορες Πρότυπα ρότορα Εικόνα 7 (Πρότυπο Ρότορα) Σε γενικές γραµµές ρότορες πάνω από 3 (µερικές φορές ακόµα και 3 ) είναι εξοπλισµένοι µε στεφάνη. Αυτό γίνεται εν µέρει για να αυξηθεί η ακαµψία του συστήµατος, και από την άλλη για να δηµιουργήσει επιπλέον αναλύσεις παλ- µών, όπως επίσης και για να µετριάσει τις επιπτώσεις από το υψηλό ιξώδες ( αν και το βαρύτερο σύστηµα ρότορα έχει επίπτωση στο άκρο χαµηλής ροής του φάσµατος µέτρησης).

186 P a g e 181 Εικόνα 8 Ρότορας µε ίσιες ευθείες λεπίδες Εικόνα 9 πρότυπος ρότορας και ρότορας τύπου ζάντας

187 P a g e 182 Shrouded (τυλιγµένος) ρότορας Αυτό το είδος ρότορα είναι όπως ο ρότορας στεφάνης αλλά έχει "εγκοπές", οι οποίες δρουν αποτελεσµατικά στα κενά µεταξύ των λεπίδων του ρότορα (για ένα τυποποιηµένο µετρητή τύπου ρότορα). Αυτός ο τύπος του στροφείου είχε χρησιµοποιηθεί για το Μετρητή στυλ Brooks Parity / UMB και εξακολουθεί να είναι διαθέσιµος ως ανταλλακτικά για προηγούµενα µοντέλα µετρητών. Όπως και στους Rimmed (µε στεφάνη) ρότορες, υπάρχουν περισσότερες ε- γκοπές από τα πτερύγια, αυξάνοντας έτσι την ανάλυση του παλµού. Εικόνα 10 Shrouded rotor

188 P a g e 183 Σχεδιασµός του στροφέα Σε µερικούς µετρητές τουρµπίνας, πρέπει να τοποθετηθεί στροφέας rim ή shrouded. Υπάρχουν 3 βασικοί λόγοι για την τοποθέτησή τους. 1) Μηχανική ακαµψία - πρόσθετη υποστήριξη για τις λεπίδες του στροφέα σε µεγαλύτερου µεγέθους µετρητές. Σε γενικές γραµµές τοποθετούνται ως 2) στάνταρ σε όλους τους µετρητές στροβίλου 6 " και πάνω και προαιρετικά 3) στους 3 "και 4" µετρητές. 4) Παραγωγή παλµών -ένας «rim» ή «shrouded» ρότορας µπορεί να είναι εφοδιασµένος µε περισσότερους µαγνήτες ή "εγκοπές" από τον πραγµατικό αριθµό λεπίδων του ρότορα, αυξάνοντας έτσι την ανάλυση των παλ- µών του µετρητή µετρητή. 5) Η τοποθέτηση ενός rim ή ένός shroud σε ένα στροφέα κόβει πιο εύκολα µέσω αργής κίνησης το οριακό στρώµα του ρευστού που ρέει δίπλα στο τοίχωµα του σώµατος του µετρητή δίνοντας έτσι λιγότερη υστέρηση στον στροφέα και καλύτερη απόδοση σε ρετστά υψηλού ιξώδους.

189 P a g e 184 Ρότορας τύπου Rim Εικόνα11 Εικόνα 12 Ρότορας τύπου Rim Όπως µπορεί να φανεί στην Εικόνα 12 ο αριθµός των εγκοπών που µπορούν να τοποθετηθούν είναι πολύ µεγαλύτερος από τον αριθµό των λεπίδων, αυτό είναι που αυξάνει την ανάλυση του παλµού. Σε ένα µετρητή 24 " τοθετούνται συνήθως 170 εγκοπές.

190 P a g e 185 Ρότορας υποστήριξης Ο ρότορας υποστήριξης έχει 3 Λειτουργίες 1) Να παρέχει ένα µηχανισµό για τοποθέτηση των εδράνων του ρότορα Εικόνα 13 Ρότορας υποστήριξης 2) Για να διατηρεί το ρότορα σε µία οµόκεντρη θέση εντός του σώµατος του µετρητή 3) Να παρέχε ιως ένα βαθµό τον έλεγχο της ροής του ρευστού πριν αυτό ε- πηρεαστεί από τις λεπίδες του στροφείου. Ανθεκτικότητα του µετρητή Υπάρχουν 2 βασικοί παράγοντες που επιδρούν στην "υγειή" λειτουργία ενός τουρµπινοµετρητή εντός µιας εγκατάστασης. 1) Ο µετρητής Τουρµπίνας πρέπει να προστατεύεται µε κατάλληλο ανάντη στράγγισµα / φιλτράρισµα ανά πάσα στιγµή ώστε να αποφεύγεται η είσοδος σωµατιδίων εντός του µετρητού. 2) Ζηµία του ρότορα είναι η κύρια αιτία της αποτυχίας του µετρητή / απώλεια απόδοσης Ακρίβεια του µετρητή Υπάρχουν 3 βασικά κριτήρια που συνθέτουν την γενική "ακρίβεια" του µετρητή: 1)Γραµµικότητα - η ικανότητα του µετρητή να παραµένει εντός κάποιων ορίων απόδοσης σύµφωνα µε τον σχεδιασµό (π.χ. να ακολουθεί µια ευθεία γραµµή σε ένα διάγραµµα απόδοσης) 2) ικανότητα κάλυψης - η ικανότητα του µετρητή να παραµένει εντός κάποιων ορίων απόδοσης, όταν βρίσκεται πάνω από ένα συγκεκριµένο εύρος ροής (µερικές φορές γνωστή ως turndown του µετρητή)

191 P a g e 186 3) Επαναληψιµότητα - η ικανότητα του µετρητή να δίνει (µε βάσει τις ίδιες συνθήκες µέτρησης) σταθερές ενδείξεις σε επαναλαµβανόµενες µελλοντικές µετρήσεις. Τουρµπινόµετρα Έχουν σχεδιαστεί µε βάση τις κατευθύνσεις οδηγίες του ΑΡΙ Κεφάλαιο 5,3 το οποίο αναφέρεται στην µέτρηση υγρών υδρογονανθράκων από στροβιλο- µετρητές. Έτσι θα πρέπει να παρουσιάζουν Γραµµικότητα */- 0,15% Επαναληψηµότητα */- 0,02%

192 Εικόνα 14 Γραµµικότητα επαναληψηµότητα στροβιλοµετρητών P a g e 187

193 P a g e 188 Επιδράσεις της Ειδικής Βαρύτητας Επιδράσεις του Ιξώδους

194 P a g e Πλεονεκτήµατα µετρητών Τουµπίνας - Απευθείας εισαγωγή του µεταδότη στον µετρητή - Επιλέξιµο Jumper διαµόρφωσης του σήµατος εξόδου : Α) 5 βολτ TTL συµβατό τετραγωνικό κύµα εξόδου Β) VDC τάση τροφοδοσίας εξαρτάται τετραγωνικό κύµα. Γ) Έξοδος ανοικτού συλλέκτη - ύο καναλιών (ενός ή δύο µεταδοτών) - Ενισχυµένη κατά 90 ηλεκτρική φάση και 400 mv p-p max Μετρητής τουρµπίνας Series 1600 (PT) εσωτερικά Εικόνα 15 Μετρητής τουρµπίνας Series 1600 PT

195 P a g e 190 Εικόνα 16 Βασικά µέρη του µετρητή Series 1600 (PT) Εικόνα 17 Series1600 (PT) - Meter Installation

196 P a g e 191 Είναι σηµαντικό να σιγουρευτούµε ότι κατά την σύνδεση του ευθυγραµµιστή ροής µε τον µετρητή όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα δεν δηµιουργούνται πρόσθετες αναταράξεις στην διαδροµή της ροής του ρευστού. Εικόνα 18 Σύνδεση ευθυγραµµιστή ροής µε µετρητή Τα οφέλη από την εκµετάλλευση αυτής της ροής είναι : - Εξασφαλίζει τη σωστή είσοδο του προϊόντος - Μειώνει τις απαιτήσεις του ανάντη αγωγού - Μειώνει το µήκος της εγκατάστασης - Επιτρέπει την αντικατάσταση των τύπων µετρητών υψηλής συντήρησης - Χαµηλή πτώση πίεσης - Οριζόντια ή κάθετη τοποθέτηση - Ικανότητα Αναβάθµισης