Door: Ton Bol (Flow specialist) - 29 augustus 2025 |
Flow? Het mooiste vakgebied dat er is! Tenminste, volgens Ton Bol. Op persoonlijke titel schrijft hij over de verschillende flowmeettechnieken. In dit artikel komen verschillende aspecten aan bod die relevant zijn voor een goede flowmeting.
Flowmeters zijn onmisbaar bij het regelen van fysische en chemische processen, voor bewakingsdoeleinden en voor de meting van de levering van een product via een pijpleiding of een verlading. De applicaties zijn vrijwel onbeperkt. Waterdosering in een koffiezetapparaat. Hoge druk, hoge temperatuur stoom. Luchtdoseringen in ijsmachines. Verlading van ruwe olie. Grensoverschrijdende transportleidingen van 70 bar aardgas. Chemicaliëndosering in afvalwaterinstallaties, en in wasmachines van medische endoscopen, etc.
Het te meten medium varieert, zo ook de procesdruk, -temperatuur, viscositeit en corrosiviteit. De flow kan ultra laag zijn, letterlijk druppels per uur, tot mega groot in een leiding met een diameter van, zeg, 3 meter. Belangrijke criteria zijn de gewenste nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid en compatibiliteit met richtlijnen zoals PED (Pressure Equipment Directive), ATEX (explosieveiligheid), MID (Measuring Instrument Directive).
Kortom, heel veel variabelen. Waardoor er ook veel vormen en maten van flowmeters in de markt beschikbaar zijn gekomen. Qua meettechniek zijn er 9 basis-meetprincipes, die 99% van de flowapplicaties kunnen invullen. Deze zijn:
Deze instrumenten mogen echt wel tot de oudste flowmeetapparatuur gerekend worden. Ze zijn min of meer gebaseerd op de inspanningen van David Bernoulli (1700-1782). Heel simpel beschreven: er wordt een vernauwing in de leiding aangebracht die we een primair flowelement noemen. De drukval over het flowelement is (niet-liniair) proportioneel met de flow. De drukval (of beter gezegd: drukverschil) kun je met een verschildrukmeter meten.
Hoewel men in eerste instantie zou denken dat deze meettechniek wel heel eenvoudig in concept en uitvoering is, is dat zeker niet waar. Voor de meeste applicaties zal de meetopstelling uitgebreid moeten worden met een drukmeting en een temperatuurmeting voor de druk- en temperatuurcompensatie.
De meettechniek heeft voordelen ten opzichte van andere meettechnieken, doch ook een aantal beperkingen. Er zijn voldoende redenen waarom deze meettechniek nog steeds erg courant is. Daarbij winnen de voordelen het van de beperkingen. We komen daar straks nog op terug.
VA staat hier voor Variable Area. Dit instrument bestaat uit een conische buis die (normaliter) verticaal is geplaatst met flow van onder naar boven. Een vlotter heeft een massa en wil daardoor naar beneden zakken. Tegelijkertijd wordt de vlotter door het medium omhoog gedrukt. Door de conische vorm van de buis wordt het doorstroomde oppervlakte rondom de vlotter groter naarmate de vlotter hoger gestuwd wordt. In de praktijk wordt er een evenwicht gevonden tussen vlottergewicht en stuwende flow.
Kernvoordelen: eenvoudig en goedkoop, geen elektrische energie nodig, lokale uitlezing van de flowwaarde. Voor laag-viskeuze vloeistoffen goed toe te passen. Voor gassen minder geschikt, tenzij de druk en temperatuur constant zijn.
Dit instrument omvat een propeller die gaat draaien bij flow en hoe hoger de flowsnelheid, des te groter het aantal omwentelingen per tijdseenheid. Voor procesapplicaties wordt vaak vanwege verschillende redenen gekozen voor een ander meetprincipe, maar de turbine meettechniek hoeft men niet te onderschatten. Er zijn applicaties waar deze instrumenten de voorkeur genieten, en uiteindelijk de beste prestaties leveren. Dat zijn meestal de situaties waarbij een hoge nauwkeurigheid gevraagd wordt. Denk maar het meten van ruwe olie en aardgas.
Positive Displacement flowmeters. Het te meten medium verdringt volume (!). Dit type flowmeter is geen snelheidsmeter zoals bijvoorbeeld turbinemeters, maar meet dus een volume dat de flowmeter passeert. Dit is een belangrijk kenmerk. De techniek is meestal toegepast voor vloeistoffen, dikwijls met een smerende werking. Maar er zijn ook uitvoeringen geschikt voor gassen. De meettechniek biedt in het bijzonder een hoge nauwkeurigheid en grote turndown.
Dit type debietmeter wordt vooral toegepast voor gassen en is er in vele vormen. In dit bestek maken we onderscheid tussen 2 technieken. De zg. bypass instrumenten en de “immersion” flowmeters. De eerste is in het bijzonder geschikt voor lage gasflows, de immersion uitvoering voor grotere flows. Er zijn duidelijke verschillen tussen de beide technieken maar in beide uitvoeringen wordt de afkoeling van een warm element door stromend medium gemeten. Het idee is dat moleculen warmte in de vorm van kinetische energie afvoeren. Hoe meer moleculen voorbij komen, des te sterker de afkoeling zal zijn. Binnen grenzen kan men bij thermische flowmeters dus praten over gas massa flowmeters. Massa! Dat is een groot voordeel, want massa is massa, en druk- en temperatuurcompensatie is hier niet bij nodig. Belangrijke kanttekening: de instrumenten moeten wel applicatiegericht gekalibreerd worden.
Deze doorstromingsmeter omvat een obstructie in het midden van het flowbody. Achter deze obstructie, het bluffbody, vormen zich wervelingen, die bij voldoende stromingssnelheid qua frequentie proportioneel zijn met die snelheid. Typisch: dit type flowmeter werkt het beste bij een minimum Reynolds getal van Re > 10.000 of nog wat hoger. Re is een dimensieloos getal dat de flow karakteriseert en afhankelijk is van dichtheid van het medium, de viscositeit, de stromingssnelheid van het medium en de diameter van de leiding. Een belangrijk pluspunt van de vortexmeter is dat het instrument geen bewegende delen heeft, en mede daardoor een lage TCO. Dat Reynolds getal is wel een belangrijk aandachtspunt.
Voor elektrisch geleidende vloeistoffen is de elektromagnetische flowmeter vaak een goede, dikwijls beste keuze. Daar ligt meteen een beperking: geen gassen, geen benzineachtige vloeistoffen, geen gedemineraliseerd water. Maar afvalwater, oppervlaktewater, zeewater, bier, drinkwater water-gebaseerde zouten, zuren en basen voldoende geleidend. De elektromagnetische flowmeter biedt een oplossing met een geheel vrije doorlaat, geen vernauwing, geen obstructie, geen bewegende delen, goede koopprijs en nihil onderhoud. Kortom: een lage TCO.
Deze meettechniek werd voor het eerst in de 80-er jaren geïntroduceerd. Deze doorstromingsmeter meet massaflow. Massa! Dit is de enige flowmeter die werkelijk massaflow meet. Anders dan de thermische flowmeters is dit meetprincipe niet (nihil) afhankelijk van het te meten medium. Naast de massaflow geeft de coriolis flowmeters ook de productdichtheid, temperatuur en de (berekende) volumeflow. Deze doorstromingsmeters bieden een fantastische nauwkeurigheid en met ingebouwde diagnostica mogelijkheden om pro-actief onderhoud te plannen.
Dit meetprincipe heeft een indrukwekkende ontwikkeling doorgemaakt in de laatste 30 jaar. En dat houdt nog niet op. Het begon bij “enkel-kanaals” instrumenten en op dit moment zijn er tot 32-kanaals uitvoeringen.
Naast deze 9 hoofdprincipes zijn er ook flowmeters ontwikkeld voor hele specifieke applicaties. Bijvoorbeeld voor het meten van aardolieproductie op de bron, waarbij gelijktijdig met de olie ook de gas- en waterfracties bepaald worden.
Er is geen “beste flowmeter”!
Het is belangrijk je te realiseren dat alle meettechnieken voordelen hebben en beperkingen. Er is geen slechte flowmeter en er is ook geen “beste flowmeter”. De applicatie bepaalt of een instrument een geschikte oplossing zou (kunnen) bieden. Vaak is het zo dat er meerdere opties zijn, en zal een keuze afhangen van o.a. specifieke technische en financiële aspecten.
In dit verband is het zinvol om het onderscheid te maken tussen de koopprijs en de kostprijs. De zogenaamde Total Cost of Ownership (TCO) omvat o.a.:
Het zal evident zijn: de koopprijs is dikwijls maar een fractie van de TCO.
In zijn algemeenheid kun je zeggen dat de 5 moderne type flowmeters (thermisch, vortex, elektromagnetisch, Coriolis, ultrasoon) voorzien in een relatief lage TCO. De aanschafprijs kan wat steviger zijn, maar de operationele kosten zijn doorgaans beperkt, vooral ook omdat ze alle zonder bewegende delen zijn, en dus minder aan slijtage onderhevig zijn.
Ook het feit dat in de laatste decennia de industrie verder geautomatiseerd is en er een steeds grotere vraag naar data is, is de markt voor moderne flowmeters met o.a. ingebouwde diagnostiek sterk gegroeid.
Of dat betekent dat de oudere meettechnieken niet meer toegepast zullen worden? Nee, zo is het ook weer niet. Soms is een verschildruk flowmeting de beste keuze voor een bepaalde flowapplicatie. Of is het praktisch om een turbine flowmeter te gebruiken om te voldoen aan eisen van eindgebruikers. Het kan wenselijk zijn om een meettechniek met een breed-geaccepteerde standaard voor een applicatie in te zetten, bijvoorbeeld omdat er praktische problemen zijn om de flowmeter te kalibreren. Op een FPSO (boot omgebouwd tot een drijvende installatie voor olieproductie) kan men erbij gebaat zijn om juist geen gecompliceerde hightech instrumenten te gebruiken, maar juist eenvoudige verschildruk flowmeters met simpele onderhoudsvoorschriften in te zetten. Als er al een verschildruk transmitter sneuvelt is het vervangen ervan relatief simpel, zonder de leiding te moeten openleggen.
Re = ρ . v. D / μ , waarbij
ρ = Dichtheid
v = stromingssnelheid
D = Diameter van de leiding μ = dynamische viscositeitw
Een van de allerbelangrijkste aandachtspunten bij de plaatsing van een flowmeter is het flowprofiel ter plekke, omdat bijna alle meettechnieken hiervoor in meer of mindere mate gevoelig zijn. Voor de beoordeling van de situatie wordt gekeken naar het Reynoldsgetal en de situatie ter plekke van de flowmeter (hoeveelheid rechte pijplengte vóór en achter de flowmeter).
Het Reynoldsgetal (Re) is een dimensie loos getal uit de stromingsleer, dat gebruikt wordt om te bepalen of een flow profiel laminair of turbulent is.
Indien Re < 2300 dan is er sprake van een laminair flowprofiel. In het plaatje hiernaast wordt rode inkt meegenomen zonder dat er wervelingen optreden. Een andere eigenschap van een laminair flowprofiel is de paraboolvorm, waarbij de maximale flow in het midden van de leiding 2 maal de gemiddelde stromingssnelheid is.
Wanneer Re > 4000 is er sprake van een turbulent flowprofiel. In het plaatje hiernaast toont de turbulenties en het mixend effect daarvan. Het flowprofiel is veel vlakker.
2300 < Re < 4000 is een overgangsgebied waarbij ook nog andere factoren een effect hebben, zoals de wandruwheid, en waarbij het flowprofiel niet stabiel hoeft te zijn.
Naast de benadering Laminair – Turbulent is er ook onderscheid te maken tussen een ontwikkeld flowprofiel en een niet-ontwikkeld flowprofiel.
Bochten, thermowells, vernauwingen, verwijdingen, afsluiters, regelkleppen, etc. verstoren het flowprofiel in meer of mindere mate en leiden tot asymmetrische flowprofielen, crossflow en swirl.
Een enkele bocht geeft een andere verstoring (crossflow) dan 2 bochten direct achter elkaar. Twee bochten direct achter elkaar die ook nog eens niet in hetzelfde vlak georiënteerd zijn resulteren in een draaiende beweging van het medium, swirl genoemd. Hoe verder achter de verstoring, des te verder herstelt het flowprofiel zich.
Een volledig ontwikkeld flowprofiel (dat niet meer verandert verder in de leiding) ontstaat pas na “oneindig” veel rechte leiding vóór en ná de flowmeter. In de praktijk is dat veelal niet haalbaar. Dit leidt tot het accepteren van een extra onzekerheid, kiezen voor een andere flowmeter, of het toepassen van flowconditionering (beïnvloeding van het flowprofiel door een flowconditioner).
In de praktijk specificeert een fabrikant in zijn datasheets en/of gebruikershandleiding een aantal benodigde “rechte lengtes” up- en downstream, dikwijls nog met onderscheid tussen de verschillende oorzaken van verstoring. Bijvoorbeeld 20D upstream en 5D downstream bij een enkele bocht voor de flowmeter in een leiding met een diameter van 100 mm. D refereert hier naar de diameter van de leiding. In dit voorbeeld zijn er 2 m upstream en 0,5 m downstream bedacht. Méér is altijd beter!
Normaliter wordt een flowmeter geleverd inclusief een kalibratiecertificaat. Dat is geen garantie dat de flowmeter optimaal presteert. De diversiteit in invloeden van procesparameters, Reynolds, installatie, omgeving, etc. vragen om extra aandacht om een applicatie goed in te vullen. Ook verdient het aanbeveling verder kijken dan wat op een datasheet gespecificeerd staat. Bij twijfel altijd een flowspecialist raadplegen.
De nauwkeurigheid van een instrument wordt gespecificeerd als x % van meetwaarde (Measured Value, MV), x % van volle schaal (Full Scale, FS), of combinaties daarvan. % MV en % FS zijn belangrijk verschillend. Als voorbeeld: een instrument met meetbereik van 0-100 m3/h en een 1 % MV nauwkeurigheid wijst bij 90 m3/h maximaal 0,9 m3 mis en bij een flow van 10 m3/h niet meer dan 0,1 m3.
Een andere flowmeter voor hetzelfde meetbereik met een 1% FS-specificatie zou bij 90 m3/h een mogelijke fout hebben van 1 m3/h en bij 10 m3/h ook 1 m3. Dat is wel 10 % van meetwaarde…! Het is belangrijk de specificaties goed te lezen en interpreteren.
In dit bestek nog een laatste onderwerp: reproduceerbaarheid. Wanneer op basis van de flowmeting een factuur van partij A naar partij B wordt gestuurd kan een meetfout (onnauwkeurigheid) overeenkomen met soms miljoenen euro’s meer of minder op die rekening. Partijen kunnen dat gezamenlijk accepteren, maar doorgaans zal gekozen worden voor absolute nauwkeurigheid. Instrumenten worden gekalibreerd bij geaccrediteerde laboratoria met herleidbare meetapparatuur, om de absolute nauwkeurigheid te minimaliseren.
Maar voor een regeling van een proces kán het zo zijn dat een meetfout acceptabel is zolang de miswijzing maar altijd hetzelfde is. Dan is reproduceerbaarheid/herhaalbaarheid eigenlijk belangrijker dan nauwkeurigheid.
Dit artikel delen op je eigen website? Geen probleem, dat mag. Meer informatie.
IndustrieVandaag is een onafhankelijk platform met het laatste nieuws van vandaag over de procesindustrie, industrial processing, productie industrie, maakindustrie en elektronica industrie.
Neem contact met ons op:
Tel +31 (0)23 737 07 63
Email via contactpagina
