Ultrasone flowmeters (Krohne)

1

Vlaamse Ingenieurskamer23 Oktober 2012

Ultrasone Flowmeters

Wat bespreken we ?

2

Een stukje geschiedenis Meetprincipe – ultrasoon vs doppler Het flowprofiel - het Reynoldsgetal en laminaire of

turbulente stromingen Vloeistofmeting & gasmeting & stoommeting Clamp-on / inline toestellen Installatievoorwaarden Selectie & sizing Voor-en nadelen Calibratie Applicaties

3

History on In-line Process Ultrasonic Flowmeters for Liquids

1980: First Ultrasonic Flowmeter – (UL50) 2 Beam design Accuracy: ± 1.5% Temperature: -40ºC to 140ºC

1990: UFM500 2 Beam Accuracy: ± 1% Temperature: -40ºC to 180ºC

2003: UFM3030 DN 25 - 3000 (1”-120”) 3 Beam design Accuracy: ± 0.5% Temperature: -40ºC to 220ºC

> 30.000 instruments soldVery first meter still in operation!

-80

-40

0

40

80

120

160

200

240

1970 1980 1990 2000 2010 2020

Time [year]

Tem

per

atu

re [

ºC]

± 1.5% ± 1.0% ± 0.5%

4

High/low Temperatures Liquids

1990:

UFM500 HT Introduction Wave guide Accuracy: ± 1.0% Temperature: -200ºC to 600ºC DN 25 - 3000 (1”-120”)

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Time [year]

Tem

per

atu

re [

ºC]

± 1.0%

5

High precision Measurement Liquids

1995:

ALTOSONIC V

Introduction of worlds first fiscal

ultrasonic flowmeter

5 Beam design

DN 100- 1000 (4” to 40”)

Accuracy: ± 0.2%

Temperature: - 40ºC to 140ºC

Viscosity independent: 0.1 cSt to 150 cSt

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Time [year]

Tem

per

atu

re [

ºC]

± 0.2%± 0.2%

6

History on In-line Ultrasonic Flowmeters Overall

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Time [year]

Tem

per

atu

re [º

C]

± 1.0%

± 0.2%± 1.0%

± 0.5%

± 0.2%± 1.5%

Gas CTGas & Steam

Liquid Process

Liquid CTLiquid HT

Liquid Process

713/04/23

Ultrasoon Frequenties

UFM 3030ALTOSONIC VUFM vloeistoffen

Frequenties Ultrasone Flowmeters

18 kHz25 kHz

50 kHz

100 kHz

175 kHz

1 or 2 MHz

GFM 700 UFM gassen

Mens

Hond

Vlinder

Walvis

Vleermuis

Geen procesruis meer aanwezig

813/04/23

Geluidsnelheid

GassenChloor 210 m/sLucht 330 m/s Methaan 430 m/sHelium 965 m/sWaterstof 1.280 m/s

VloeistoffenMethanol 1.100 m/s Kerosine 1.298 m/s Water 1.480 m/sNatronloog 2.600 m/s

Vaste StoffenGlas 5.600 m/sStaal 5.900 m/sBeryllium 12.900 m/s

Geluidsnelheid = Voortplantingssnelheid van een geluidsgolf in een medium .

v [m/s] @ 200 C

Bij een zekere temperatuur heeft elk medium zijn specifieke geluidsnelheid

913/04/23

Ultrasone pulsen worden uitgezonden en ontvangen langs een diagonaal verlopend meetpad.

Een ultrasone puls die stroomafwaarts beweegt heeft een kortere oversteektijd dan een ultrasone puls die dezelfde weg stroomopwaarts aflegt.

Het verschil van beide oversteektijden (looptijden) is rechtevenredig met de over het meetpad gemiddelde stromingssnelheid.

Basis van de UltrasoneLooptijdverschilmeting

Meetprincipe

10

Een ultrasone Transducent

Algemeen: Een transducent kan ultrasone

geluidspulsen produceren, maar ook ontvangen

Het piëzokristal in de transducent kan geluidspulsen (drukgolven) omzetten in elektrische spanning en vice versa

Piëzo kristal

Venster

1113/04/23

TA B = L C + V cos

Berekening van Flowsnelheid

Looptijd (T) = Afstand

Totale Snelheid

Stroomafwaarts van A naar B

Stroomopwaarts van B naar A TBA = L

C - V cos

Gemiddelde Flowsnelheid (V)

V = L TBA - TAB

2cos TBA TAB

D = Leidingdiameter

L = Akoestische weglengte

Vm = Flowsnelheid van het medium

Cm = Geluidsnelheid van het medium

V • cos α

Vα

L

D

C

Transducent A

Transducent B

1213/04/23

Volumetrische Flowmeting

Flow = A (oppervlak) x V (flowsnelheid)

= D3 TB A - T A B

4 sin (2 X TB A • T A B

Meter Factor (= GK = Calibratie constante) wordt bepaald middels een calibratie

De meting is onafhankelijk van:

• Temperatuur

• Viscositeit

• Dichtheid

• Geluidssnelheid

13

Looptijdmeting simpel?

Een voorbeeld:Buis diameter 100 mm

Medium Water

Flowsnelheid 1 m/s

Geluidsnelheid 1.480 m/s

Looptijd stroomafwaarts TA B 95.4949 s

Looptijd stroomopwaarts TB A 95.5862 s

Looptijdverschil T 91,3 nano sec. (= 10 -9)

0,5% resolutie 500 pico sec. (= 10-12)

Dus, de looptijdmeting moet erg nauwkeurig zijn!!

14

Gemiddelde flowsnelheid over de buisdwarsdoorsnede

VL = Gemiddelde snelheid

over het akoestische pad L

VL

Wat wordt gemeten? Wat moet gemeten worden?

Vavg

Vavg = Gemiddelde snelheid

over de gehele

dwarsdoorsnede

1513/04/23

Reynolds getal

Turbulente flow- Afgeplatte vorm- Re > 2.300

Laminaire flow- Parabolische vorm- Re < 2.300

Transitie gebied- bij ongunstige proces condities

hoge viscositeiten en lage snelheden - 1500 / 1000 < Re < 4000- Onvoorspelbare meetnauwkeurigheid

D

Re

Vorm van volledig ontwikkeld

stromingsprofiel

Laminaire flow

Turbulente flow

Reynolds getal:

16

Reynolds getal

Re

Re < 2300Laminair flow profiel

Re > 4000Turbulent flow profiel

T

R

A

N

S

I

E

N

T

Re = v x D x

17

Reynolds Getal - Voorbeeld Water

Water • Altijd turbulent

Re > 2.300

0

200.000

400.000

600.000

800.000

1.000.000

1.200.000

1.400.000

1.600.000

1 m/s 3 m/s 5 m/s

Flow velocity (m/s)

Rey

no

lds

nu

mb

er (

Re)

2"

6"

12"

18

0

2.500

5.000

7.500

10.000

12.500

15.000

17.500

20.000

22.500

25.000

27.500

30.000

1 m/s 3 m/s 5 m/s

Flow velocity (m/s)

Rey

no

lds

nu

mb

er (

Re)

2"

6"

12"

Reynolds Getal - Voorbeeld Olie

Olie • Viscositeit: 50 cSt • Laminair en Turbulent

kan beide voorkomen

Viscositeit ↑ Re ↓

Diameter ↑ Re ↑

Flow ↑ Re ↑

19

Laminar

VAVG = Vm * 0,66

VAVG

Vm

Turbulent

VAVG = Vm * 1,00VAVG

Vm

Enkelstraals ultrasone flowmeter

Enelstraals door het midden van de buis…

• Flowprofiel afhankelijk

• Fout van Laminair tot Turbulent 33%

• Typische onnauwkeurigheid

1 to 2% Re > 10.000

20

VAVG = K1*Vm1 +K2*Vm2 + K3*Vm3

Vm

VAVG

VAVG

Vm

3-Straals flowmeter

3 Stralen...

• Meer gegevens over Flowprofiel

• Robuster m.b.t. niet symmetrische stromingsprofielden

• Goede Reproduceerbaarheid

• Nauwkeuriger over het gehele Reynoldsbereik

• Typische onnauwkeurigheid 0,5% 0< Re < inf.

Snelheden geïntegreerd om flow te berekenen

2113/04/23

Inline UFM Flowmeters

Enkelstraals

Reynolds afhankelijk

Gevoelig voor niet-symmetrische stromingsprofielen

Lineariteit: ±1 to 2% (tot 33% in transitie gebied)

3-straals

Reynolds afhankelijkheid< 0,5%

Correctie voor niet symmetrische flow profielen

Redundant meetpad

Lineariteit: < ± 0,5%

5-straals

Reynolds onafhankelijk

Correctie voor niet-symm. flow profielen & swirl

Redundante meetpaden

Lineariteit < ± 0,15%

Effect van meerdere meetpaden

22

Beperkingen van het Looptijdverschil Meetprincipe

Effect Richtlijn

1. Deelsgevuld Geen meting Volledig gevulde buis

2. Mengsels Reflecties Homogeen, enkele fase

3. Gas bellen Reflecties Vol.% 2%

4. Deeltjes Reflecties Vol. % 5%

5. Viscositeit Demping Max = 300 cSt applicaties tot 1500 cSt mogelijk

Reflectie van het signaal Demping van het signaal

23

Clamp-on transducent

Wig transducenten

In contact met de buitenzijde van de buis Koppelingsmedium tussen buiswand en

transducent is noodzakelijk

24

Refractie hoek : f (geluidsnelheid) Akoestisch pad : variabel

Clamp-on

Looptijdverschil principeInline (spool piece)

Refractie hoek: Vast = 90º

Akoestisch pad: Lengte = bekend!

25

The position of beams, liquids

Multiple parallel paths Most information on flow profile UFM 3030 UFM 530 HT, dual parallel

Multiple crossed paths Mean flow velocity is always measured through the

pipe centre OPTISONIC 6300 clamp-on with dual sensor

Reflex mode (V-mode) Mean flow velocity is measured through the pipe

centre OPTISONIC 6300 small, medium and large OPTISONIC 6400 portable small, medium

Diagonal mode (Z-mode) Mean flow velocity is measured through the pipe

centre OPTISONIC 6300 large OPTISONIC 6400 portable small, medium

26

Berekening van de Geluidsnelheid

D = BuisdiameterL = Akoestische pad lengte

V = Stromingssnelheid mediumC = Geluidsnelheid medium

V • cos α

Vα

L

D

C

Transducent A

Transducent B

Geluidsnelheid C = 2 x Pad Lengte (L)

TA B + TB A

Pad Lengte (L) wordt tijdens een calibratie in het productieproces zeer nauwkeurig bepaald

Onnauwkeurigheid VoS meting: 0,5 m/s met een typische VoS van

1.500 m/s

Unieke mogelijkheid met VoS: Product identificatie

27

1200

1250

1300

1350

1400

1450

1500

0 20 40 60

Temperature [°C]

Vel

ocity

of S

ound

[m/s

]

A

B

Gebaseerd op de Geluidsnelheid kan er een duidelijk onderscheid tussen A en B gemaakt worden

Geluidsnelheid Product identificatie Vloeistoffen

29

Typische voordelen

Geen bewegende delen, geen onderhoud, calibratie

Robust, betrouwbaar werkt met elektrisch geleidende en niet geleidende vloeistoffen

Bi-directioneel, meet flow in plus en min richting

Geen enkele obstructie in de buis geen extra drukverlies

Meet vanaf ‘nul’ flow.

Ultrasone flow meters | process inline

transducer A

transducer B

D

Ultrasone flowmeters

ALTOSONIC III ALTOSONIC V ALTOSONIC V12cu

sto

dy

tra

ns

fer

in-l

ine

UFM 3030 UFM 530 HT OPTISONIC 8300 FOPTISONIC 7300

liquids

OPTISONIC 6300 OPTISONIC 6400

cla

mp

-on

gas steam

Ultrasone FlowmetersApplicaties

clamp-on

high temperaturecustody transfer fluid/gas

process gas

32

I&S; cooling waterEnergy; hydropower

Energy; district heating

Utilities; demi-water

Applicaties; Water

33

I&S; cooling water

Energy; hydropower

Energy; cooling water

Utilities; demi-waterfor steam

O&G; natural gas dehydration

Water; salt water intake

34

Hoge DrukWater injectie in oliebronnen

Bron Water Injectie

Water wortd geïnjecteerd om de oliebron op druk te houden

Zeewater wordt behandeld alvorens het wordt geïnjecteerd in de oliebron

Bluewater Glas Dowr FPSO

2 x UFM 500 K/Ex/HP

Hoge Druk: 2500 lbs flenzen

Specifieke voordelen vanUFM:

Hoge Druk

Extreme Condities

Robust en Betrouwbaar!

3513/04/23

UFM in (kern)centrales Feedwater meting in het secundaire circuit

Meting van Water bij 260 ˚C en 150 barOnzekerheid beter dan 0,25 %

3613/04/23

Ultrasone Flowmeters voor Stoomflowmeting

2* DN 20” Ultrasone StoomflowmeterStoom @ 19 Bar, 340 grd C.SHELL Pernis

37

Transport & Opslag

Klant; Maatschap Europoort Terminal

Diameter: 40” (DN 1 000)Applicatie verlading van ruwe aardolie

van over de gehele wereld

Belading van ruwe aardolie

3813/04/23

• Oliemenging (blending) bij NEREFCO (nu BP) in de Botlek

• Verlading van eindproducten op klantspecificatie

Applicatie Ultrasone Flowmeters

3913/04/23


Transalpine olieleidingItalië-Oostenrijk-DuitslandLekmeting; Olietransport; Betalingsverkeer

Olieverlading in LybiëBetalingsverkeer

4013/04/23

Custody Transfer Ruwe AardolieOp het P50 platform Brazilië


41

Pijplijn ApplicatieUltrasoon lost teer en was probleem op

Mero Pipeline in Tsjechië ALTOSONIC V 10”, 150 lbs Aardolie met een hoog paraffine aandeel Viscositeit 4 tot 50 cSt

42

Turbine en Strainer uitgebouwd Turbine blokkeert i.v.m. paraffine in de

aardolie Hoge kosten voor reiniging en

hercalibratie

Ultrasoon i.v.m.:

• Lage onderhoudskosten

• Geen hercalibratie

• Compacte installatie

Pijplijn Applicatie

43

Raffinage

StorageFacility

UFM 3030

Cracker-DistillerColumn

UFM 530 HT

Bottoms

Cracker-DistillerColumn

Flow control Flow control

4413/04/23

Ultrasone Flowmeter in een raffinaderij

In bedrijf 1997 Mediumtemperatuur

proces ca. 350°C, tot 550°C

Meting van long residue (Bitumen, Teer, Asfalt)

Betrouwbaar op hoge temperatuur

Ultrasone flowmeters meten ook …

4513/04/23

Jetfuel A1Frankfurt airport


4613/04/23

UFM Flowmeting in zonnecentrales

Meting van Thermische Olie en Vloeibaar Zout bij 400 ˚C

4713/04/23

UFM voor LNG meting

Flowmeting van vloeibaar aardgas

Temperatuur – 170 ˚C

Flowrates 15 000 m3/h

Flowmeter diameter 20”

48

Voor vloeibaar

zwavel met een

verwarmingsmantel

Speciale constructies

Grote diameter inlasversie met speciale transducenten met verwarming ter voorkoming van wasvorming (Kaspische Oliepijpleiding)

Voor meting van Jetfuel in

Afghanistan met speciale

snelkoppelingen

49

Vergelijking van Cost of Ownership

Flow meter

Technologie

Engineering Installatie Kosten

Onderhoud Gebruik Totaal

Coriolis mass Low High Low Low Average

EMF Average Low Low Low Low

Orifice High High Average Low Average

Turbine (incl. air separator & straightener)

High High High High High

UFM Low Low Low Low Low

Vortex Average Low Average Low Average

50

Voordelen van Ultrasone flow measurement

Flow meter

Technology

Non conductive

Liquids

Viscosity Corrosion resistance

Solids, Bubbles

Low flow

Dynamic range

UFM ++ ++ + +/- ++ ++

Coriolis mass

++ + + + ++ +

EMF - ++ ++ + ++ ++

DP meter ++ - + - - -

Vortex ++ - + - -- -

PD meter ++ + - - + -

Turbine ++ - - - - -

Ontwikkelingen; Calibratie

Oil & Gas Calibratie installatie

Voor de Olie &Gas Markt

Ultrasone flowmeters (Krohne)

Presentations & Public Speaking

Transcript of Ultrasone flowmeters (Krohne)