Измерение расхода

Измерение расхода - это количественное определение движения жидкости в объеме . Расход можно измерить разными способами. Ниже перечислены распространенные типы расходомеров для промышленного применения:

• а) Тип препятствия (перепад давления или переменная площадь)
• б) логический (турбинного типа)
• в) Электромагнитный
• г) Расходомеры прямого вытеснения , которые накапливают фиксированный объем жидкости, а затем подсчитывают, сколько раз этот объем был заполнен для измерения расхода.
• д) Гидродинамика (отхождение вихрей)
• е) Анемометр
• г) Ультразвуковой
• з) Массовый расходомер ( сила Кориолиса ).

Методы измерения расхода, отличные от расходомеров прямого вытеснения, для косвенного расчета расхода основываются на силах, создаваемых текущим потоком, когда он преодолевает известное сужение. Расход может быть измерен путем измерения скорости жидкости в известной области. Для очень больших потоков можно использовать методы индикаторов, чтобы определить скорость потока по изменению концентрации красителя или радиоизотопа.

Виды и единицы измерения [ править ]

Оба газ и поток жидкости , могут быть измерен в физических величинах из рода объемной или скорости потока массовой , с единицами , такие как литры в секунду или килограммы в секунду, соответственно. Эти измерения связаны плотностью материала . Плотность жидкости практически не зависит от условий. Это не относится к газам, плотность которых сильно зависит от давления, температуры и, в меньшей степени, от состава.

Когда газы или жидкости передаются для определения их энергетического содержания, как при продаже природного газа , скорость потока также может быть выражена в единицах потока энергии, например, гигаджоуль в час или БТЕ в день. Расход энергии - это объемный расход, умноженный на содержание энергии на единицу объема или массовый расход, умноженный на содержание энергии на единицу массы. Расход энергии обычно выводится из массового или объемного расхода с помощью вычислителя расхода .

В инженерном контексте объемный расход обычно обозначается символом , а массовый расход - символом .${\displaystyle Q}$${\displaystyle {\dot {m}}}$

Для жидкости, имеющей плотность , массовые и объемные скорости потока могут быть связаны соотношением .${\displaystyle \rho }$${\displaystyle {\dot {m}}=\rho Q}$

Газ [ править ]

Газы сжимаются и изменяют объем, когда находятся под давлением, нагреваются или охлаждаются. Объем газа при одном наборе давления и температуры не эквивалентен одному и тому же газу при разных условиях. Ссылки будут делаться на «фактический» расход через счетчик и «стандартный» или «базовый» расход через счетчик с такими единицами измерения, как акм / ч (фактические кубические метры в час), см ³ / сек (стандартные кубические метры на второй), KSCM / ч (тыс кубических метров в час), ЛЧЙ (линейные футов в минуту), или MMSCFD (млн стандартных кубических футов в день).

Массовый расход газа можно напрямую измерить, независимо от давления и температуры, с помощью тепловых массовых расходомеров , массовых расходомеров Кориолиса или контроллеров массового расхода .

Жидкость [ править ]

Для жидкостей используются различные единицы в зависимости от области применения и отрасли, но они могут включать галлоны (США или британские) в минуту, литры в секунду, бушели в минуту или, при описании речных потоков, кумеки (кубические метры в секунду) или акры. футов в день. В океанографии общепринятой единицей измерения объемного переноса (например, объема воды, переносимой течением) является свердруп (Зв), эквивалентный 10 ⁶  м ³ / с.

Первичный элемент потока [ править ]

Первичный элемент потока - это устройство, вставленное в текущую текучую среду, которое обеспечивает физическое свойство, которое может быть точно связано с потоком. Например, диафрагма создает перепад давления, который является функцией квадрата объемной скорости потока через диафрагму. Первичный расходомер вихревого расходомера производит серию колебаний давления. Как правило, физическое свойство, создаваемое первичным элементом потока, удобнее измерять, чем сам поток. Свойства первичного элемента потока и точность практической установки в соответствии с допущениями, сделанными при калибровке, являются критическими факторами в точности измерения расхода. ^[1]

Механические расходомеры [ править ]

Положительное смещение метров можно сравнить с ведром и секундомер. Секундомер запускается, когда поток начинается, и останавливается, когда ведро достигает своего предела. Объем, разделенный на время, дает скорость потока. Для непрерывных измерений нам нужна система непрерывного наполнения и опорожнения ведер, чтобы разделить поток, не выпуская его из трубы. Эти непрерывно образующиеся и схлопывающиеся объемные смещения могут принимать форму поршней, совершающих возвратно-поступательное движение в цилиндрах, зубьев шестерен, соприкасающихся с внутренней стенкой измерителя, или через прогрессивную полость, созданную вращающимися овальными шестернями или винтовым винтом.

Поршневой измеритель / роторный поршень [ править ]

Поскольку они используются для измерения воды в домашних условиях, поршневые расходомеры, также известные как роторно-поршневые или полуположительные расходомеры, являются наиболее распространенными устройствами измерения расхода в Великобритании и используются почти для всех размеров расходомеров до 40 мм включительно ( 1+1 ⁄ 2  дюйма). Поршневой расходомер работает по принципу поршня, вращающегося в камере известного объема. При каждом обороте через камеру поршня проходит некоторое количество воды. Благодаря зубчатому механизму, а иногда и магнитному приводу продвигаются стрелочный циферблат идисплей типа одометра .

Измеритель с овальной шестеренкой [ править ]

Измеритель с овальными шестернями - это измеритель прямого вытеснения, в котором используются две или более продолговатых шестерен, выполненных с возможностью вращения под прямым углом друг к другу, образуя Т-образную форму. У такого измерителя есть две стороны, которые можно назвать A и B. Никакая жидкость не проходит через центр измерителя, где зубья двух шестерен всегда зацепляются. На одной стороне измерителя (A) зубья шестерен перекрывают поток жидкости, поскольку удлиненная шестерня на стороне A выступает в измерительную камеру, а на другой стороне измерителя (B) полость удерживает фиксированный объем жидкости в измерительной камере. Когда жидкость толкает шестерни, она вращает их, позволяя жидкости из измерительной камеры на стороне B выходить в выпускное отверстие. Между тем, жидкость, попадающая во входное отверстие, будет поступать в измерительную камеру на стороне A, которая теперь открыта.Зубья на стороне B теперь будут закрывать вход жидкости в сторону B. Этот цикл продолжается, поскольку шестерни вращаются, и жидкость дозируется через чередующиеся измерительные камеры. Постоянные магниты во вращающихся шестернях могут передавать сигнал на электрический геркон или датчик тока для измерения расхода. Несмотря на заявления о высоких характеристиках, они, как правило, не так точны, как конструкция скользящей лопасти.^[2]

Измеритель шестерен [ править ]

Измерители-шестерни отличаются от счетчиков с овальными шестернями тем, что измерительные камеры образованы зазорами между зубьями шестерен. Эти отверстия разделяют поток жидкости, и по мере того, как шестерни вращаются от впускного отверстия, внутренняя стенка измерителя закрывает камеру, удерживая фиксированное количество жидкости. Выходной порт расположен в области соединения шестерен. Жидкость вытесняется из расходомера, когда зубья шестерни зацепляются и уменьшают доступные карманы до почти нулевого объема.

Винтовая передача [ править ]

Расходомеры с цилиндрическими зубчатыми колесами получили свое название от формы их зубчатых колес или роторов. Эти роторы имеют форму спирали, которая представляет собой спиралевидную структуру. Когда жидкость протекает через расходомер, она попадает в отсеки роторов, заставляя роторы вращаться. Длина ротора достаточна, чтобы вход и выход всегда были отделены друг от друга, что препятствовало свободному течению жидкости. Сопрягающиеся винтовые роторы создают прогрессивную полость, которая открывается для впуска жидкости, изолируется, а затем открывается в сторону выхода, чтобы выпустить жидкость. Это происходит непрерывно, и расход рассчитывается исходя из скорости вращения.

Регулирующий дисковый счетчик [ править ]

Это наиболее часто используемая система измерения водоснабжения в домах. Жидкость, чаще всего вода, попадает с одной стороны счетчика и ударяется о нутирующий диск, который установлен эксцентрично. Затем диск должен "качаться" или нуждаться относительно вертикальной оси, так как нижняя и верхняя части диска остаются в контакте с монтажной камерой. Перегородка разделяет впускную и выпускную камеры. При нутации диска он дает прямую индикацию объема жидкости, прошедшей через счетчик, поскольку объемный поток указывается с помощью механизма зубчатой ​​передачи и регистра, который соединен с диском. Он надежен для измерения расхода в пределах 1 процента. ^[3]

Турбинный расходомер [ править ]

Турбинный расходомер (лучше описываемый как осевая турбина) преобразует механическое действие турбины, вращающейся в потоке жидкости вокруг оси, в считываемую пользователем скорость потока (галлонов в минуту, литров в минуту и ​​т. Д.). Турбина имеет тенденцию иметь весь поток, движущийся вокруг нее.

Турбинное колесо установлено на пути потока жидкости. Протекающая жидкость сталкивается с лопатками турбины, передавая силу поверхности лопаток и приводя в движение ротор. Когда достигается устойчивая скорость вращения, она пропорциональна скорости жидкости.

Турбинные расходомеры используются для измерения расхода природного газа и жидкости. ^[4] Турбинные расходомеры менее точны, чем расходомеры и расходомеры при малых расходах, но измерительный элемент не занимает и не сильно ограничивает весь путь потока. Направление потока, как правило, прямое через расходомер, что обеспечивает более высокие скорости потока и меньшие потери давления, чем расходомеры вытесняющего типа. Они являются предпочтительным выбором для крупных коммерческих пользователей, противопожарных систем и в качестве основных счетчиков для системы распределения воды . Как правило, фильтры необходимо устанавливать перед счетчиком для защиты измерительного элемента от гравия или другого мусора, который может попасть в систему распределения воды. Турбинные расходомеры обычно доступны для диаметров от 4 до 30 см ( 1+1 ⁄ 2 –12 дюйма) или больше. Корпуса турбинных расходомеров обычно изготавливаются из бронзы, чугуна или высокопрочного чугуна. Внутренние элементы турбины могут быть из пластика или нержавеющих металлических сплавов. Они точны в нормальных рабочих условиях, но сильно зависят от профиля потока и условий жидкости.

Противопожарные счетчики - это специализированный тип турбинных счетчиков с допусками для высоких расходов, необходимых в системах противопожарной защиты. Они часто утверждаются Underwriters Laboratories (UL), Factory Mutual (FM) или аналогичными органами для использования в противопожарной защите. Переносные турбинные счетчики могут быть временно установлены для измерения расхода воды из пожарного крана . Счетчики обычно изготавливаются из алюминия, чтобы быть легкими, и обычно имеют емкость 7,5 см (3 дюйма). Водоканалы часто требуют их для измерения воды, используемой при строительстве, наполнении бассейнов или там, где еще не установлен постоянный счетчик.

Измеритель Вольтмана [ править ]

Счетчик Вольтмана (изобретенный Райнхардом Вольтманом в 19 веке) состоит из ротора со спиральными лопастями, вставленными в поток по оси, подобно вытяжному вентилятору; его можно считать разновидностью турбинного расходомера. ^[5] Их обычно называют спиральными измерителями, и они популярны в больших размерах.

Одноструйный счетчик [ править ]

Одинарный струйный расходомер состоит из простого рабочего колеса с радиальными лопатками, на которое попадает одиночная струя. Они становятся все популярнее в Великобритании в больших размерах и являются обычным явлением в ЕС .

Измеритель лопастного колеса [ править ]

Расходомеры с крыльчатым колесом состоят из трех основных компонентов: датчика с крыльчатым колесом, фитинга и дисплея / контроллера. Датчик с лопастным колесом состоит из свободно вращающегося колеса / крыльчатки со встроенными магнитами, которые перпендикулярны потоку и будут вращаться, когда вставлены в текущую среду. Когда магниты в лопастях вращаются мимо датчика, лопаточный измеритель генерирует сигнал частоты и напряжения, который пропорционален скорости потока. Чем быстрее поток, тем выше частота и выходное напряжение.

Измеритель с лопастным колесом предназначен для вставки в трубопроводный фитинг как «в линию», так и в виде вставки. Они доступны с широким диапазоном стилей фитингов, способов соединения и материалов, таких как ПВДФ, полипропилен и нержавеющая сталь. Подобно турбинным счетчикам, лопастным счетчикам требуется минимальный отрезок прямой трубы до и после датчика. ^[6]

Дисплеи и контроллеры расхода используются для получения сигнала от лопастного измерителя и преобразования его в фактический расход или общие значения расхода. Обработанный сигнал может использоваться для управления процессом, генерации аварийного сигнала, отправки сигналов на внешние устройства и т. Д.

Расходомеры с лопастным колесом (также известные как датчики с колесом Пелтона ) предлагают относительно недорогой и высокоточный вариант для многих приложений с проточными системами, обычно с водой или водоподобными жидкостями. ^[6]

Многоструйный счетчик [ править ]

Многоструйный или многоструйный расходомер - это расходомер, имеющий крыльчатку, которая вращается горизонтально на вертикальном валу. Элемент крыльчатки находится в корпусе, в котором несколько входных отверстий направляют поток жидкости к крыльчатке, заставляя ее вращаться в определенном направлении пропорционально скорости потока. Этот расходомер работает механически так же, как одинарный струйный расходомер, за исключением того, что отверстия направляют поток на крыльчатку одинаково из нескольких точек по окружности элемента, а не только из одной точки; это сводит к минимуму неравномерный износ рабочего колеса и его вала. Таким образом, эти типы счетчиков рекомендуется устанавливать горизонтально так, чтобы их роликовый указатель был направлен вверх.

Колесо Пелтона [ править ]

Пелтон колеса турбины (лучше описать как радиальной турбины ) преобразует механическое действие колеса ковшовой вращающейся в потоке жидкости вокруг оси в пользовательском считываемые скорости потока (гал, LPM и т.д.). Колесо Пелтона имеет тенденцию иметь весь поток, движущийся вокруг него, при этом входной поток фокусируется на лопастях струей. Оригинальные колеса Пелтона использовались для выработки энергии и состояли из турбины с радиальным потоком и «реакционными стаканами», которые не только движутся под действием силы воды на забой, но и возвращают поток в противоположном направлении, используя это изменение направления жидкости для дальнейшее увеличение эффективности от турбины .

Счетчик тока [ править ]

Поток через большой напорный водовод, такой как используемый на гидроэлектростанции, можно измерить путем усреднения скорости потока по всей площади. Измерители тока пропеллерного типа (аналог чисто механического измерителя тока Ekman , но теперь с электронным сбором данных) могут перемещаться по площади напорного водовода, а скорости усредняются для расчета общего потока. Это может быть порядка сотен кубических метров в секунду. Во время перемещения токоизмерительных приборов поток должен быть постоянным. Методы испытаний гидроэлектрических турбин приведены в стандарте МЭК 41. Такие измерения расхода часто имеют коммерческое значение при проверке эффективности больших турбин.

Измерители на основе давления [ править ]

There are several types of flowmeter that rely on Bernoulli's principle. The pressure is measured either by using laminar plates, an orifice, a nozzle, or a Venturi tube to create an artificial constriction and then measure the pressure loss of fluids as they pass that constriction,^[7] or by measuring static and stagnation pressures to derive the dynamic pressure.

Venturi meter[edit]

A Venturi meter constricts the flow in some fashion, and pressure sensors measure the differential pressure before and within the constriction. This method is widely used to measure flow rate in the transmission of gas through pipelines, and has been used since Roman Empire times. The coefficient of discharge of Venturi meter ranges from 0.93 to 0.97. The first large-scale Venturi meters to measure liquid flows were developed by Clemens Herschel, who used them to measure small and large flows of water and wastewater beginning at the very end of the 19th century.^[8]

Orifice plate[edit]

An orifice plate is a plate with a hole through it, placed perpendicular to the flow; it constricts the flow, and measuring the pressure differential across the constriction gives the flow rate. It is basically a crude form of Venturi meter, but with higher energy losses. There are three type of orifice: concentric, eccentric, and segmental.^[9][10]

Dall tube[edit]

The Dall tube is a shortened version of a Venturi meter, with a lower pressure drop than an orifice plate. As with these flowmeters the flow rate in a Dall tube is determined by measuring the pressure drop caused by restriction in the conduit. The pressure differential is typically measured using diaphragm pressure transducers with digital readout. Since these meters have significantly lower permanent pressure losses than orifice meters, Dall tubes are widely used for measuring the flow rate of large pipeworks. Differential pressure produced by a Dall tube is higher than Venturi tube and nozzle, all of them having same throat diameters.

Pitot-tube[edit]

A Pitot-tube is used to measure fluid flow velocity. The tube is pointed into the flow and the difference between the stagnation pressure at the tip of the probe and the static pressure at its side is measured, yielding the dynamic pressure from which the fluid velocity is calculated using Bernoulli's equation. A volumetric rate of flow may be determined by measuring the velocity at different points in the flow and generating the velocity profile.^[11]

Multi-hole pressure probe[edit]

Multi-hole pressure probes (also called impact probes) extend the theory of Pitot tube to more than one dimension. A typical impact probe consists of three or more holes (depending on the type of probe) on the measuring tip arranged in a specific pattern. More holes allow the instrument to measure the direction of the flow velocity in addition to its magnitude (after appropriate calibration). Three holes arranged in a line allow the pressure probes to measure the velocity vector in two dimensions. Introduction of more holes, e.g. five holes arranged in a "plus" formation, allow measurement of the three-dimensional velocity vector.

Cone meters[edit]

Cone meters are a newer differential pressure metering device first launched in 1985 by McCrometer in Hemet, CA. The cone meter is a generic yet robust differential pressure (DP) meter that has shown to be resistant to effects of asymmetric and swirling flow. While working with the same basic principles as Venturi and orifice type DP meters, cone meters don't require the same upstream and downstream piping.^[12] The cone acts as a conditioning device as well as a differential pressure producer. Upstream requirements are between 0–5 diameters compared to up to 44 diameters for an orifice plate or 22 diameters for a Venturi. Because cone meters are generally of welded construction, it is recommended they are always calibrated prior to service. Inevitably heat effects of welding cause distortions and other effects that prevent tabular data on discharge coefficients with respect to line size, beta ratio and operating Reynolds numbers from being collected and published. Calibrated cone meters have an uncertainty up to ±0.5%. Un-calibrated cone meters have an uncertainty of ±5.0%^{[citation needed]}

Linear resistance meters[edit]

Linear resistance meters, also called laminar flowmeters, measure very low flows at which the measured differential pressure is linearly proportional to the flow and to the fluid viscosity. Such flow is called viscous drag flow or laminar flow, as opposed to the turbulent flow measured by orifice plates, Venturis and other meters mentioned in this section, and is characterized by Reynolds numbers below 2000. The primary flow element may consist of a single long capillary tube, a bundle of such tubes, or a long porous plug; such low flows create small pressure differentials but longer flow elements create higher, more easily measured differentials. These flowmeters are particularly sensitive to temperature changes affecting the fluid viscosity and the diameter of the flow element, as can be seen in the governing Hagen–Poiseuille equation.^[13][14]

Variable-area flowmeters[edit]

A "variable area meter" measures fluid flow by allowing the cross sectional area of the device to vary in response to the flow, causing some measurable effect that indicates the rate. A rotameter is an example of a variable area meter, where a weighted "float" rises in a tapered tube as the flow rate increases; the float stops rising when area between float and tube is large enough that the weight of the float is balanced by the drag of fluid flow. A kind of rotameter used for medical gases is the Thorpe tube flowmeter. Floats are made in many different shapes, with spheres and spherical ellipses being the most common. Some are designed to spin visibly in the fluid stream to aid the user in determining whether the float is stuck or not. Rotameters are available for a wide range of liquids but are most commonly used with water or air. They can be made to reliably measure flow down to 1% accuracy.

Another type is a variable area orifice, where a spring-loaded tapered plunger is deflected by flow through an orifice. The displacement can be related to the flow rate.^[15]

Optical flowmeters[edit]

Optical flowmeters use light to determine flow rate. Small particles which accompany natural and industrial gases pass through two laser beams focused a short distance apart in the flow path in a pipe by illuminating optics. Laser light is scattered when a particle crosses the first beam. The detecting optics collects scattered light on a photodetector, which then generates a pulse signal. As the same particle crosses the second beam, the detecting optics collect scattered light on a second photodetector, which converts the incoming light into a second electrical pulse. By measuring the time interval between these pulses, the gas velocity is calculated as ${\displaystyle V=D/t}$ where ${\displaystyle D}$ is the distance between the laser beams and ${\displaystyle t}$ is the time interval.

Laser-based optical flowmeters measure the actual speed of particles, a property which is not dependent on thermal conductivity of gases, variations in gas flow or composition of gases. The operating principle enables optical laser technology to deliver highly accurate flow data, even in challenging environments which may include high temperature, low flow rates, high pressure, high humidity, pipe vibration and acoustic noise.

Optical flowmeters are very stable with no moving parts and deliver a highly repeatable measurement over the life of the product. Because distance between the two laser sheets does not change, optical flowmeters do not require periodic calibration after their initial commissioning. Optical flowmeters require only one installation point, instead of the two installation points typically required by other types of meters. A single installation point is simpler, requires less maintenance and is less prone to errors.

Commercially available optical flowmeters are capable of measuring flow from 0.1 m/s to faster than 100 m/s (1000:1 turn down ratio) and have been demonstrated to be effective for the measurement of flare gases from oil wells and refineries, a contributor to atmospheric pollution.^[16]

Open-channel flow measurement[edit]

Open channel flow describes cases where flowing liquid has a top surface open to the air; the cross-section of the flow is only determined by the shape of the channel on the lower side, and is variable depending on the depth of liquid in the channel. Techniques appropriate for a fixed cross-section of flow in a pipe are not useful in open channels. Measuring flow in waterways is an important open-channel flow application; such installations are known as stream gauges.

Level to flow[edit]

The level of the water is measured at a designated point behind weir or in flume using various secondary devices (bubblers, ultrasonic, float, and differential pressure are common methods). This depth is converted to a flow rate according to a theoretical formula of the form ${\displaystyle Q=KH^{X}}$ where ${\displaystyle Q}$ is the flow rate, ${\displaystyle K}$ is a constant, ${\displaystyle H}$ is the water level, and ${\displaystyle X}$ is an exponent which varies with the device used; or it is converted according to empirically derived level/flow data points (a "flow curve"). The flow rate can then be integrated over time into volumetric flow. Level to flow devices are commonly used to measure the flow of surface waters (springs, streams, and rivers), industrial discharges, and sewage. Of these, weirs are used on flow streams with low solids (typically surface waters), while flumes are used on flows containing low or high solids contents.^[17]

Area/velocity[edit]

The cross-sectional area of the flow is calculated from a depth measurement and the average velocity of the flow is measured directly (Doppler and propeller methods are common). Velocity times the cross-sectional area yields a flow rate which can be integrated into volumetric flow. There are two types of area velocity flowmeter: (1) wetted; and (2) non-contact. Wetted area velocity sensors have to be typically mounted on the bottom of a channel or river and use Doppler to measure the velocity of the entrained particles. With depth and a programmed cross-section this can then provide discharge flow measurement. Non-contact devices that use laser or radar are mounted above the channel and measure the velocity from above and then use ultrasound to measure the depth of the water from above. Radar devices can only measure surface velocities, whereas laser-based devices can measure velocities sub-surface.^[18]

Dye testing[edit]

A known amount of dye (or salt) per unit time is added to a flow stream. After complete mixing, the concentration is measured. The dilution rate equals the flow rate.

Acoustic Doppler velocimetry[edit]

Acoustic Doppler velocimetry (ADV) is designed to record instantaneous velocity components at a single point with a relatively high frequency. Measurements are performed by measuring the velocity of particles in a remote sampling volume based upon the Doppler shift effect.^[19]

Thermal mass flowmeters[edit]

Thermal mass flowmeters generally use combinations of heated elements and temperature sensors to measure the difference between static and flowing heat transfer to a fluid and infer its flow with a knowledge of the fluid's specific heat and density. The fluid temperature is also measured and compensated for. If the density and specific heat characteristics of the fluid are constant, the meter can provide a direct mass flow readout, and does not need any additional pressure temperature compensation over their specified range.

Technological progress has allowed the manufacture of thermal mass flowmeters on a microscopic scale as MEMS sensors; these flow devices can be used to measure flow rates in the range of nanoliters or microliters per minute.

Thermal mass flowmeter (also called thermal dispersion or thermal displacement flowmeter) technology is used for compressed air, nitrogen, helium, argon, oxygen, and natural gas. In fact, most gases can be measured as long as they are fairly clean and non-corrosive. For more aggressive gases, the meter may be made out of special alloys (e.g. Hastelloy), and pre-drying the gas also helps to minimize corrosion.

Today, thermal mass flowmeters are used to measure the flow of gases in a growing range of applications, such as chemical reactions or thermal transfer applications that are difficult for other flowmetering technologies. Some other typical applications of flow sensors can be found in the medical field like, for example, CPAP devices, anesthesia equipment or respiratory devices.^[7] This is because thermal mass flowmeters monitor variations in one or more of the thermal characteristics (temperature, thermal conductivity, and/or specific heat) of gaseous media to define the mass flow rate.

The MAF sensor[edit]

In many late model automobiles, a Mass Airflow (MAF) sensor is used to accurately determine the mass flow rate of intake air used in the internal combustion engine. Many such mass flow sensors use a heated element and a downstream temperature sensor to indicate the air flowrate. Other sensors use a spring-loaded vane. In either case, the vehicle's electronic control unit interprets the sensor signals as a real-time indication of an engine's fuel requirement.

Vortex flowmeters[edit]

Another method of flow measurement involves placing a bluff body (called a shedder bar) in the path of the fluid. As the fluid passes this bar, disturbances in the flow called vortices are created. The vortices trail behind the cylinder, alternatively from each side of the bluff body. This vortex trail is called the Von Kármán vortex street after von Kármán's 1912 mathematical description of the phenomenon. The frequency at which these vortices alternate sides is essentially proportional to the flow rate of the fluid. Inside, atop, or downstream of the shedder bar is a sensor for measuring the frequency of the vortex shedding. This sensor is often a piezoelectric crystal, which produces a small, but measurable, voltage pulse every time a vortex is created. Since the frequency of such a voltage pulse is also proportional to the fluid velocity, a volumetric flow rate is calculated using the cross-sectional area of the flowmeter. The frequency is measured and the flow rate is calculated by the flowmeter electronics using the equation ${\displaystyle f=SV/L}$where ${\displaystyle f}$ is the frequency of the vortices, ${\displaystyle L}$ the characteristic length of the bluff body, ${\displaystyle V}$ is the velocity of the flow over the bluff body, and ${\displaystyle S}$ is the Strouhal number, which is essentially a constant for a given body shape within its operating limits.

Sonar flow measurement[edit]

Sonar flowmeters are non-intrusive clamp-on devices that measure flow in pipes conveying slurries, corrosive fluids, multiphase fluids and flows where insertion type flowmeters are not desired. Sonar flowmeters have been widely adopted in mining, metals processing, and upstream oil and gas industries where traditional technologies have certain limitations due to their tolerance to various flow regimes and turn down ratios.

Sonar flowmeters have the capacity of measuring the velocity of liquids or gases non-intrusively within the pipe and then leverage this velocity measurement into a flow rate by using the cross-sectional area of the pipe and the line pressure and temperature. The principle behind this flow measurement is the use of underwater acoustics.

In underwater acoustics, to locate an object underwater, sonar uses two knowns:

• The speed of sound propagation through the array (i.e., the sound speed of seawater)
• The spacing between the sensors in the sensor array

and then calculates the unknown:

• The location (or angle) of the object.

Likewise, sonar flow measurement uses the same techniques and algorithms employed in underwater acoustics, but applies them to flow measurement of oil and gas wells and flow lines.

To measure flow velocity, sonar flowmeters use two knowns:

• The location (or angle) of the object, which is 0 degrees since the flow is moving along the pipe, which is aligned with the sensor array
• The spacing between the sensors in the sensor array^[20]

and then calculates the unknown:

• The speed of propagation through the array (i.e. the flow velocity of the medium in the pipe).^[21]

Electromagnetic, ultrasonic and Coriolis flowmeters[edit]

Modern innovations in the measurement of flow rate incorporate electronic devices that can correct for varying pressure and temperature (i.e. density) conditions, non-linearities, and for the characteristics of the fluid.

Magnetic flowmeters[edit]

Magnetic flowmeters, often called "mag meter"s or "electromag"s, use a magnetic field applied to the metering tube, which results in a potential difference proportional to the flow velocity perpendicular to the flux lines. The potential difference is sensed by electrodes aligned perpendicular to the flow and the applied magnetic field. The physical principle at work is Faraday's law of electromagnetic induction. The magnetic flowmeter requires a conducting fluid and a nonconducting pipe liner. The electrodes must not corrode in contact with the process fluid; some magnetic flowmeters have auxiliary transducers installed to clean the electrodes in place. The applied magnetic field is pulsed, which allows the flowmeter to cancel out the effect of stray voltage in the piping system.

Non-contact electromagnetic flowmeters[edit]

A Lorentz force velocimetry system is called Lorentz force flowmeter (LFF). An LFF measures the integrated or bulk Lorentz force resulting from the interaction between a liquid metal in motion and an applied magnetic field. In this case, the characteristic length of the magnetic field is of the same order of magnitude as the dimensions of the channel. It must be addressed that in the case where localized magnetic fields are used, it is possible to perform local velocity measurements and thus the term Lorentz force velocimeter is used.

Ultrasonic flowmeters (Doppler, transit time)[edit]

There are two main types of ultrasonic flowmeters: Doppler and transit time. While they both utilize ultrasound to make measurements and can be non-invasive (measure flow from outside the tube, pipe or vessel), they measure flow by very different methods.

Ultrasonic transit time flowmeters measure the difference of the transit time of ultrasonic pulses propagating in and against the direction of flow. This time difference is a measure for the average velocity of the fluid along the path of the ultrasonic beam. By using the absolute transit times both the averaged fluid velocity and the speed of sound can be calculated. Using the two transit times ${\displaystyle t_{up}}$ and ${\displaystyle t_{down}}$ and the distance between receiving and transmitting transducers ${\displaystyle L}$ and the inclination angle ${\displaystyle \alpha }$ one can write the equations:

${\displaystyle v={\frac {L}{2\;\cos \left(\alpha \right)}}\;{\frac {t_{up}-t_{down}}{t_{up}\;t_{down}}}}$ and${\displaystyle c={\frac {L}{2}}\;{\frac {t_{up}+t_{down}}{t_{up}\;t_{down}}}}$

where ${\displaystyle v}$ is the average velocity of the fluid along the sound path and ${\displaystyle c}$ is the speed of sound.

With wide-beam illumination transit time ultrasound can also be used to measure volume flow independent of the cross-sectional area of the vessel or tube.^[22]

Ultrasonic Doppler flowmeters measure the Doppler shift resulting from reflecting an ultrasonic beam off the particulates in flowing fluid. The frequency of the transmitted beam is affected by the movement of the particles; this frequency shift can be used to calculate the fluid velocity. For the Doppler principle to work, there must be a high enough density of sonically reflective materials such as solid particles or air bubbles suspended in the fluid. This is in direct contrast to an ultrasonic transit time flowmeter, where bubbles and solid particles reduce the accuracy of the measurement. Due to the dependency on these particles, there are limited applications for Doppler flowmeters. This technology is also known as acoustic Doppler velocimetry.

One advantage of ultrasonic flowmeters is that they can effectively measure the flow rates for a wide variety of fluids, as long as the speed of sound through that fluid is known. For example, ultrasonic flowmeters are used for the measurement of such diverse fluids as liquid natural gas (LNG) and blood.^[23] One can also calculate the expected speed of sound for a given fluid; this can be compared to the speed of sound empirically measured by an ultrasonic flowmeter for the purposes of monitoring the quality of the flowmeter's measurements. A drop in quality (change in the measured speed of sound) is an indication that the meter needs servicing.

Coriolis flowmeters[edit]

Using the Coriolis effect that causes a laterally vibrating tube to distort, a direct measurement of mass flow can be obtained in a coriolis flowmeter.^[24] Furthermore, a direct measure of the density of the fluid is obtained. Coriolis measurement can be very accurate irrespective of the type of gas or liquid that is measured; the same measurement tube can be used for hydrogen gas and bitumen without recalibration.^{[citation needed]}

Coriolis flowmeters can be used for the measurement of natural gas flow.^[25]

Laser Doppler flow measurement[edit]

A beam of laser light impinging on a moving particle will be partially scattered with a change in wavelength proportional to the particle's speed (the Doppler effect). A laser Doppler velocimeter (LDV), also called a laser Doppler anemometer (LDA), focuses a laser beam into a small volume in a flowing fluid containing small particles (naturally occurring or induced). The particles scatter the light with a Doppler shift. Analysis of this shifted wavelength can be used to directly, and with great precision, determine the speed of the particle and thus a close approximation of the fluid velocity.

A number of different techniques and device configurations are available for determining the Doppler shift. All use a photodetector (typically an avalanche photodiode) to convert the light into an electrical waveform for analysis. In most devices, the original laser light is divided into two beams. In one general LDV class, the two beams are made to intersect at their focal points where they interfere and generate a set of straight fringes. The sensor is then aligned to the flow such that the fringes are perpendicular to the flow direction. As particles pass through the fringes, the Doppler-shifted light is collected into the photodetector. In another general LDV class, one beam is used as a reference and the other is Doppler-scattered. Both beams are then collected onto the photodetector where optical heterodyne detection is used to extract the Doppler signal.^[26]

Calibration[edit]

Even though ideally the flowmeter should be unaffected by its environment, in practice this is unlikely to be the case. Often measurement errors originate from incorrect installation or other environment dependent factors.^[27][28] In situ methods are used when flowmeter is calibrated in the correct flow conditions. The result of a flowmeter calibration will result in two related statistics: a performance indicator metric and a flow rate metric.^[29]

Transit time method[edit]

For pipe flows a so-called transit time method is applied where a radiotracer is injected as a pulse into the measured flow. The transit time is defined with the help of radiation detectors placed on the outside of the pipe. The volume flow is obtained by multiplying the measured average fluid flow velocity by the inner pipe cross-section. This reference flow value is compared with the simultaneous flow value given by the flow measurement to be calibrated.

The procedure is standardised (ISO 2975/VII for liquids and BS 5857-2.4 for gases). The best accredited measurement uncertainty for liquids and gases is 0.5%.^[30]

Tracer dilution method[edit]

The radiotracer dilution method is used to calibrate open channel flow measurements. A solution with a known tracer concentration is injected at a constant known velocity into the channel flow. Downstream the tracer solution is thoroughly mixed over the flow cross-section, a continuous sample is taken and its tracer concentration in relation to that of the injected solution is determined. The flow reference value is determined by using the tracer balance condition between the injected tracer flow and the diluting flow. The procedure is standardised (ISO 9555-1 and ISO 9555-2 for liquid flow in open channels). The best accredited measurement uncertainty is 1%.^[30]

See also[edit]

• Anemometer
• Automatic meter reading
• Flowmeter error
• Ford viscosity cup
• Gas meter
• Laser Doppler velocimetry
• Primary flow element
• Water meter

References[edit]