安全仪表系统：流量测量的多样性

设计师应考虑通过多样性 - 使用不同的方法或技术来避免何种问题。

由Mark Menezes. 5月3日，2021年

礼貌：艾默生

学习目标

许多安全应用中的一个关键挑战是理解在低流量条件下测量发生的情况。
高可靠性Vortex流量计本身耐污水，易于安装。
一个单一的科里奥利流量计措施质量流量，密度和温度是直接的，从这些可以计算体积流量。

安全仪表系统（SIS）中的现实世界常见问题必须由用户量化在每个应用程序中。这样的SIS问题不是通过通常的白皮书量化分析供应商和第三方用于提供产品安全数据。在上一篇文章中（安全仪表系统：将测量的最佳实践，控制工程，2017年2月），SIS Designer被告知大多数安全风险的测量是由“现实世界常见的原因”问题引起的。

由于这些问题是“共同的事业” - 影响多台设备 - 它们无法通过应用冗余解决。文章详细说明了现实世界的共同事业问题的最常见的例子为压力，温度，流量和液位的测量，并提供建议的设计实践，以尽量减少对安全的影响。一些例子包括插入感测线，冷毛细管，涂或断裂热电偶套管，即使某些子最佳的安装和维护实践。

在后续文章中（使用诊断功能来提高系统安全性，控制工程，2017年5月），设计师被要求考虑如果无法通过更好的设计消除问题，可以诊断检测问题，以便在它影响安全性或导致关机之前固定它？还显示诊断，以简化部分证明测试和/或扩展对全面的证明测试的需求。

在这篇文章中，设计师被要求考虑应通过多样化来避免哪些问题 - 使用不同的方法或技术。多样性没有太多应用程序压力测量，因为实在是没有不同的方式来测量压力。类似的意见适用于温度。虽然有各种传感器，在实践中都将同样受到任何真实世界的问题的影响。第一篇文章中描述的雷达液位如何是从基于压力差水平（DP）不同的有益的，因为它避免了易受封孔处理连接的真实世界的常见原因和改变流体密度。多样性的另一重要和有用的应用是在流量测量。

图1：预装配，泄漏测试DP-流量计最小化工程和组装误差，短时排放和泄漏的风险。单和双（冗余）配置中被示出。礼貌：艾默生

影响流量计的常见原因问题

许多问题可能会导致流量计失败或错误地读取。在安全申请中特别重要的是以下问题：

问题是否会导致仪表读错流量，而不向用户发出任何警告？这些被定义为隐蔽失败（有时也称为未被发现）。如果测量在可能影响安全的方向上是错误的，例如，如果流量错误地在冷却环中读取高，则这是一个“危险”故障，因为它可能导致过程过热。请注意，如果流出错误地读取冷却循环太低，那将是“安全”故障，因为它不会危险状态，但当然它可能导致不必要的（虚假）关闭。危险，隐蔽失败会影响安全;安全和公开失败会影响可用性。
问题是否可以以同样的方式影响第二（甚至是第三）米？所以，冗余没有帮助;这些被定义为常见的原因。

测量流动的常见方法是差压（DP）流量计。这在线 - 孔板中使用限制，平均皮托管（Annuchar）等 - 以产生由DP发射器测量的压降。使用Bernoulli原则从该DP推断出流程。由于其多功能性和熟悉程度，通常使用DP流量计。在正确选择，安装和维护时，可以提供高可重复性和合理的永久性压力损失。不幸的是，它可能在某些应用中遭受严重的安全问题：

诸如组成或密度的流体性质的变化影响重复性（尽管用户可以尝试补偿）。
脏液体或冷环境可以慢或插入传感线。
气体或液体的夹带口袋（取决于正在测量的相位）可偏置测量，或者可以在感测线和慢响应时间收集。
脏流体可以阻挡，涂覆或侵蚀主要元件（孔板或其他），导致偏置。
多个螺纹连接增加逃逸排放和泄漏的潜力，特别是如果用户选择ANSI而不是ISO歧管，则在寒冷环境中的歧管处。
如果指定多个部件，则误差风险，然后组装现场（除非用户指定供应商预先编制和压力测试的集成仪表），导致不迭出或潜在的泄漏（见图1）。
证明测试：大多数用户只检查DP发射器没有漂移，并且没有插入传感线。主要的元素本身很少被检查，而不是因为它不会失败，而是因为它通常无法检查。

其他技术较少使用，但也遭受安全应用中的问题：

涡轮仪表内的任何部件的碎屑，堆积，绑定，磨损或损坏可能导致高或低读数。用户可能没有指示，直到使用外部先驱进行仪表测试直到仪表测试。
如果在冷却应用中使用磁性流量计，则用户需要验证不导电流体（如去离子水）的风险将找到其进入系统的风险。如果确实如此，流量计可以读取低或嘈杂。
磁流量计可以遇到接地，衬里和电极的问题，尽管现代设备可以使用诊断和验证检测这些问题中的一些问题。
大多数流量计都需要两侧的直管，以确保流量均匀地分布在管道中。不幸的是，使用简单的较旧指南，像“10 Up，5下来”一样，安装了许多米。现代标准如ISO-5167（米勒，R.W.，“流量测量工程手册，”McGraw-Hill，Toronto，1996）可能需要50个或更多直径的直径，以确保准确性，具体取决于上游障碍。

如果可能发生其中一个问题的风险，则用户必须量化安全性分析的风险。然后，他或她必须执行定期证明测试以检测问题。证明测试所需的频率取决于用户在特定应用中可能出现的快速速度的估计。量化问题的可能性以及在项目的设计阶段期间，开发的速度有多挑战。用户需要依靠经验 - 通过在另一个工厂的类似过程中运行期间获得的故障记录来备份 - 以回答问题：

安装在一个类似的应用程序100条冲线的，有多少人可能会在工厂工作期间任何给定的时间堵塞？
如果维护已经验证了今天未插入的线路，则可能需要多长时间才能将该行插入到来？

建议用户建议使用用户以改善设计以消除这些原因来计算可能的常见原因的可能性和频率的数小时。用户无法使用更好的设计来消除可能导致多仪表读错的问题，用户应考虑多样化的技术。对于流量安全应用，最常见的是Vortex和Coriolis。

图2：具有双止衬杆的单涡流计和四个独立传感器，其中三个连接到SIS和一个到BPC。该设计安全且非常可靠。该仪表不含任何端口或裂缝，可以插入，没有垫圈泄漏，传感器没有润湿。如果过程流体可能含有可以阻挡管道的大岩石，则可以将检查端口添加到法兰中以允许离线视觉（相机）检查。礼貌：艾默生

涡流流量计

涡流流量计使用vonKármán效果：当流量通过诈唬机身时，产生旋转涡流的重复模式。涡旋形成的频率随流量而导致涡流流量计的关键益处之一。传感器的刀柄的小程度或堵塞将削弱信号，但不会改变测量的流量值。随着涂层和堵塞增加，频率信号将逐渐弱，直到流量信号完全丢失。

虽然这是一个安全而非危险的失败 - 没有流量而不是错误的流量 - 它仍然影响可用性。出于这个原因，如果用户正在考虑涡流而不是另一种技术，因为耐涂层和用脏污液堵塞，它们应确保所考虑的涡流流量计本身可以抵抗涂层和堵塞。这可以通过选择具有非湿度传感器的仪表而无法随时间插入的内部端口或裂缝来实现。如果用户选择Vortex以减少潜在的泄漏点，则应选择可以在没有湿润的O形圈或垫圈的情况下安装的设备。

在具有大型或磨料夹带颗粒的流体中，用户应考虑带有双刀杆的涡流计（见图2）。在大多数应用中，第一杆将大部分暴露于任何堵塞或磨损;用户可以通过监视在第一条与第二条上测量的信号之间的差异来检测任何校准移位。单个或双发射器可以为每个刀杆指定，因此在单个安装中，用户可以将多达三个独立的发射机连接到SIS，第4个发送器连接到基本过程控制系统。

许多安全应用中的一个关键挑战是理解在低流量条件下测量发生的情况，因为这是许多过程危险的地方，其中火焰在燃烧过程中爆发，或者压缩机进入浪涌。随着DP流量计，由于流量减小，误差变大，但理论上，仪表可以提供几乎零的输出。虽然Vortex流量计保持其精度随着流量减少而低于一定的最小雷诺数，但涡流计将不会注册任何流动。注意限制基于Reynolds号 - 不仅仅是流动性 - 区分在碳氢化合物应用中很重要。

由于大多数烃患有高粘度的粘度时，在启动时，涡流流量计可能不会读取任何流动，直到流体升温。如果SIS解释作为故障条件的流量，这可能会阻止启动。为避免这种情况，用户应确保在启动或尺寸涡流流量计处施加过程加热，以允许这些低流量，高粘度启动条件。一种解决方案可能是减速器涡旋，其在法兰内包含较小的米体，并且较大仪表的长度（参见图3）。

图3：减速器Vortex适合与较大仪表相同的管道，可以测量较低的雷诺数流量。礼貌：艾默生

高可靠性Vortex流量计本身耐污水，易于安装。诊断也可用以确保安全安装和操作，并简化持续证明测试。例如，维护可以验证传感器强度并直接从发射器模拟频率输入。

这些证明测试都不需要处理停机或外部设备。在可以包含足够大的碎屑的流体中以阻挡止粉杆，用户可以指定允许插入相机以用于定期视觉检查的上游端口。虽然相机检测是离线完成的，但它比拆卸的更容易，检查，然后重新安装仪表。供应商将工厂校准仪表，安装港口，以确保无需对准确度的影响。

科里奥利流量计

一个单一的科里奥利流量计措施质量流量，密度和温度是直接的，从这些可以计算体积流量。它可以提供高精度在宽范围的流和主要是通过改变流体特性，例如密度，粘度或组合物的影响。流量计所做的科里奥利不需要两边，这样可以简化与直管不足的安装和避免错误直管。它也可以允许用户定位在测试或检验访问的位置，整个仪表（注意很多孔板分布在管架难以接近的位置的原因是因为这是用户可以在其中找到需要的直管）。像涡街流量计，科里奥利流量计很容易正确地指定和安装。

虽然科里奥利流量计往往是可靠的，但用户应该意识到两相流的风险：夹带在液体流动中的气体，或夹带在气流中的液体。通常用较高的粘度流体或分批应用观察这一点，并使平均体积流量增加增加，即使当实际的流体量 - 质量 - 没有变化时也是如此。这可能在大多数体积流量计中引起重大错误，尽管现代涡流流量计可以检测相位变化并提醒用户。直接测量质量的科里奥利仪表应尽可能地影响，尤其是具有数字信号处理的现代智能电表。

然而，就像在离心机中一样，其旋转从轻型成分分离重，因为科里奥利管振动更快，（光）气体和（重）液体可以以不同的速度分开并移动，导致显着的误差 - 10次when compared to a Coriolis meter’s (usual) extremely high precision. For this reason, in applications where two-phase flow is a possibility, the user should specify a Coriolis meter that uses a low drive coil frequency (Patten, T., “Handling Entrained Gas”, Flow Control, September 2010) and has two-phase detection capabilities (see Figure 4).

图4：低驱动频率最小化流动误差作为气体体积分数（GVF）增加。礼貌：艾默生

专为SIS设计的设备包括检测内部电子故障（棕色，S.，Menezes，M.，Sis：专注于测量诊断的特殊诊断），化学工程， 2013年8月）。这些诊断通常不可通过或可访问用户或可访问，但是当它们检测到内部危险故障时，它们会自动将设备强制到安全状态。这提供了更高的安全性，允许通过第三方安全实验室对特定安全完整性水平（SIL）进行验证或认证设备。

在现代科里奥利仪表中提供了按需诊断，允许用户改善原位证明测试（Coleman，A.，MathiaSon，E.，Wyatt，T.）的覆盖范围可确保安全遵守优化证明测试“流量控制，2017年5月），从50％的旧设备，以90％以上的典型的（参见图5）。这允许用户以全面验证测试的间隔延长。由于全面证明测试需要米到从服务中删除，并连接到外部流动证明方或发送到校准实验室，其定时可理想地被扩展到至少所述工厂停工时间表。

图5：部分证明测试，可以使用仪表内联，恢复“大部分”安全覆盖，延长需要综合测试的需求，需要仪表拆除和外部流量报道。更强大的现代诊断提供更大的证明测试覆盖范围，允许用户将综合测试间隔扩展到工厂关闭时间表。礼貌：艾默生

如果用户识别或观察到他们的应用程序的任何隐蔽的或危险的共因失效模式，他们必须量化可能性为他们的安全分析，问题是如何快速开发，以确定验证试验时间间隔。无论是在设计时一个新的进程，所以除非这个问题可以通过更好的设计被淘汰，用户往往更好的服务选择不从所有的故障模式遭受不同技术是可行的。对于流量的应用，应考虑两种技术都漩涡和科里奥利。