Расходомер Кориолиса устройство принцип работы

Расходомер Кориолиса устройство принцип работы

Расходомер Кориолиса как инструмент уникален тем, что исключает необходимость измерения и корректировки давления, температуры, плотности с целью определения массового расхода. Несмотря на достаточно высокие финансовые затраты, связанные с применением Кориолисовых расходомеров, эти устройства, в конечном итоге, обходятся меньшей общей стоимостью для владельца по сравнению с другими типами счётчиков. Поэтому здесь — ниже по тексту, рассмотрена такого рода система с целью более плотного знакомства.

Кориолисовый расходомер общее понятие по системе

Современная промышленность нередко сталкивается с такой ситуацией, когда требуется наращивать производство без наращивания мощностей. На этом фоне актуальными факторами видятся:

  • рост производительности,
  • подъём качества,
  • хорошая рентабельность,
  • высокая степень безопасности.

Так вот, приборы, получившие название Кориолисовые расходомеры, способны непосредственно мерить массовый расход, уровень плотности, обеспечивать точные замеры под удовлетворение заявленных требований.

Химические процессы и управляющие формулы основаны на массе реагентов. Различная сыпучая продукция приобретается и реализуется по массе, на что не влияют изменения условий процесса или свойств жидкости. Однако многие измерительные приборы дают результат в единицах объёмного расхода. При этом корректируются условия температуры, давления, плотности с целью получения массового расхода.

Расходомер Кориолиса устройство принцип работы + простая конструкция
Конструктивно простое исполнение на расходомер Кориолиса: 1 – функциональная трубка; 2 – направление потока среды

Помимо этих особенностей, большинство из традиционных технологий предполагают использование прямых участков трубопровода до и после точки установки измерительного прибора. Связано это с потерями точности замеров скорости по причинам завихрения и асимметричного профиля потока.

Однако прямой замер массового расхода видится более точным процессом, не требует одновременных замеров группы переменных. Кроме того, массовые расходомеры Кориолиса исключают повторную калибровку при работе с различными жидкостями или смены условий процесса. При этом изменения состава продуктовых потоков никак не влияют на точность измерений.

Здесь – ниже, поясняется, как работает расходомер Кориолиса, отмечаются преимущества и ограничения прибора. Также даются рекомендации относительно оптимального применения и относительно того, как выбрать Кориолисовый расходомер.

Расходомер Кориолиса замер массовый расход плотность

Что касается принципа работы расходомера Кориолиса, здесь измеряемая среда проходит через одну или несколько вибрационных (вибрирующих) трубок. Скорость, с которой массовые потоки оказывают влияние на колебания трубок, позволяет определить, как массовый расход, так и плотность.

Обычный двухтрубный расходомер Кориолиса содержит пару трубок изогнутой формы, сквозь которые осуществляется ход потока. Электромагнитным приводом создаётся эффект вибрации трубок на резонансной частоте, подобно пластинам камертона. При этом частота определяется степенью жёсткости и массой трубок. Пара электромагнитных датчиков (тензодатчики) определяет вибрации в точках с каждой стороны привода.

Расходомер Кориолиса устройство принцип работы + состояние системы
Состояние трубчатых элементов в процессе функционирования или без такового: 1 – отсутствие потока среды; 2 – наличие потока среды; 3 – направление потока

Когда поток среды внутри трубок отсутствует, волны вибраций параллельных трубок устремлены навстречу друг другу. Выходные сигналы датчиков движения, соответственно, выше и ниже по потоку совпадают по фазе. В ином случае, когда имеет место проток среды, проявляется эффекта Кориолиса, если сторона петли, расположенная ниже по потоку, несколько опережает сторону выше по потоку. Образуется некоторый изгиб (крутка) трубок.

Величина крутки (которая преувеличена на рисунке для наглядности) и, следовательно, разность фаз между выходными сигналами тензометрических датчиков выше и ниже по потоку изменяется линейно в зависимости от скорости, с которой среда течёт по трубкам. Фаза преобразуется во время, тогда как задержка времени прямо пропорциональна массовому расходу. Этот принцип работает независимо от характера среды, будь то жидкость, газ или взвесь.

Расходомер Кориолиса как измеряется плотность?

Собственная частота колебаний трубок расходомера Кориолиса определяется жёсткостью и массой этих деталей. Поскольку объём жидкости внутри трубок постоянен, изменение плотности жидкости вызывает изменение массы внутри трубок.

При изменении массы внутри трубок изменяется и собственная частота трубок. Изменение фиксируется датчиками. Собственная частота напрямую связана с плотностью жидкости внутри трубок.

Замер температуры не является необходимостью процедуры определения массового расхода. Тем не менее, большая часть существующих расходомеров Кориолиса содержат в конструкции датчик температуры.

Датчик служит для компенсации небольшого изменения жёсткости трубок в зависимости от температуры. Температура обычно предлагается в качестве третьей выходной переменной, наряду с расходом и плотностью.

Расходомер Кориолиса разные типы исполнения

Расходомер Кориолиса, наделённый парой трубок изогнутой формы, имеет самую высокую чувствительность относительно потока. Чувствительность к потоку определяется как сдвиг фазы в микросекундах на единицу массового расхода. Чем больше сигнал на единицу расхода, тем выше чувствительность устройства.

Кориолисовые расходомеры высокой чувствительности относительно потока допускают наличие расходомерных трубок большего диаметра и меньший перепад давления. Двухтрубный расходомер Кориолиса также даёт наибольшую точность диапазона и плотности. В частности, наибольшую точность при работе с газами. Однако существуют две специальные конструкции.

Под применение в тесных условиях монтажа разработаны расходомеры Кориолиса малого размера с трубками, изогнутыми в малой степени. Между тем, ограниченное пространство способствует снижению чувствительности потока и точности замера плотности. Соответственно, снижается полезный динамический диапазон.

Такого исполнения счётчики не рекомендуется использовать на газовых потоках. Газовые потоки обычно применяют с малой массой/большим объёмом. Для точного измерения расхода требуется высокая чувствительность. Кроме того, вибрация трубок здесь отмечается на более высоких частотах, чем частоты трубок глубокой U-образной формы. Тем самым ограничивается использование с жидкостями, содержащими увлекаемые газы.

Расходомер Кориолиса устройство принцип работы + мини система
Конструкция миниатюрного исполнения: 1, 2 – поточные трубки имеют слегка изогнутую форму

Ещё одно исполнение на расходомер Кориолиса отличается тем, что здесь прибор содержит одну прямую (незначительно изогнутую) трубку. Внутри трубки транспортируется среда (жидкость), тогда как рядом расположена внешняя сухая эталонная (уравновешивающая) трубка или стержень.

Электромагнитным приводом такой системы создаётся вибрация трубчатых элементов в противоположных направлениях. В свою очередь, пара электромагнитных датчиков, установленных с каждой стороны привода, улавливает относительное колебание пары элементов.

Когда проток среды отсутствует, трубки вибрируют в унисон. Выходные сигналы датчиков совпадают по фазе. По мере того, как среда течёт по внутренней трубе, создаются интерциальные эффекты. Как результат — выходной сигнал датчика несколько не совпадает по фазе. Этой фазовой разницей и определяется массовый расход.

Кориолисовый расходомер с прямой трубкой оптимизирован для работы в загрязнённой среде. Такие конструкции легко опорожнять и чистить. Однако точность и динамический диапазон оставляют желать лучшего по сравнению с приборами на две трубы сильно гнутой формы.

Расходомеры Кориолиса преимущества

Наиболее фундаментальное преимущество измерителя Кориолиса — обеспечение точных показаний массового расхода и плотности. Поскольку мощность прибора прямо пропорциональна массовому расходу, нет необходимости компенсировать температуру и/или давление.

Благодаря такому преимуществу, часто исключается необходимость иметь сложные компьютеры расхода для интеграции выходных данных для нескольких устройств. Исключаются и выполнения сложных расчётов, что характерно для традиционных газовых расходомеров.

Когда одно устройство обеспечивает многопараметрические выходные данные:

  • расход,
  • плотность,
  • температура,

требуется меньше инструментов для настройки, установки, калибровки и обслуживания. Расходомер Кориолиса, к тому же, — прибор двунаправленного действия, то есть работает с потоком в любом направлении, без каких-либо регулировок.

Кориолисовый расходомер явно точный прибор. Нередко используется даже в качестве эталона в моменты поверки других расходомеров. Обычно точность массового расхода жидкости составляет 0,10%, но вполне доступен и параметр 0,05% точности. Точность массового расхода газа достигает 0,25 %. Правда, на практике параметр здесь 0,35–0,5 %.

Точность параметра определения плотности жидкости доступна на уровне 0,0002 г/см3. Более новые расходомеры Кориолиса имеют встроенную диагностику (самодиагностику), которая позволяет пользователю подтверждать точность в процессе работы устройства.

Кориолисовым расходомерам присущ большой динамический диапазон — до 80:1, определяемый перепадом давления 10 кг/см2 на верхнем конце и 0,5% фактического массового расхода на нижнем конце. Не существует отраслевого стандарта, определяющего, как измеряется динамический диапазон.

Расходомер Кориолиса устройство принцип работы + прямая трубка
Конструкция однотрубного прибора с прямой трубкой: 1 – рабочая трубка; 2 – эталонная трубка; 3, 5 – датчики; 4 – катушка электромагнитного привода

Однако в одном установленном методе определяется минимальная точность, которая устанавливает нижний предел расхода, и определяется максимальный перепад давления, который определяет верхний предельный расход.

Отношение расхода верхнего и нижнего пределов представляет собой динамический диапазон. Большой динамический диапазон особенно полезен для пакетных реакций, многопродуктового фискального перевода и запуска процессов.

Конструкция не содержит движущихся частей. Кориолисовые расходомеры требуют минимального технического обслуживания, что снижает участие персонала в процессе обслуживания и калибровки.

Здесь налицо безопасность установки, поскольку для установки оборудования требуется меньше разрывов трубы, чем для других типов счетчиков. Нет надобности в длинных прямых участках трубопроводов вверх или вниз по потоку. Соответственно, снижаются затраты на установку.

Расходомер Кориолиса недостатки (ограничения)

Капитальные затраты на расходомеры Кориолиса зачастую выше, чем на расходомеры других типов, плюс, чем больше размер, тем выше стоимость. Эти аппараты не подходят для применений, где значение жидкости критических процессов не оправдывает высоких капитальных затрат.

Между тем в условиях недостатка опытных операторов приборов, эксплуатируемых в полевых условиях, разумным подходом видится именно вложение средств в расходомер Кориолиса.

Кориолисовые расходомеры доступны в ограниченном диапазоне размеров — для линий диаметром до 350-400 мм. Отмечается увеличение веса с увеличением размера — расходомер Кориолиса диаметром 300 мм весит 450 кг.

Как выбрать Кориолисовый расходомер?

Процесс выбора расходомера начинается с тщательной оценки параметрических критериев:

  • актуальности применения,
  • диапазона измерений,
  • перепада давления,
  • скорости,
  • прямого и предполагаемого измерения массы,
  • объёмного расхода,
  • требований к конструкционным материалам,
  • склонности к закупорке и загрязнению.

Потенциальному пользователю рекомендуется подготовить лист данных, где содержится информация относительно процесса:

  • расход,
  • давление,
  • температура (минимальная, нормальная, максимальная),
  • плотность жидкости,
  • вязкость жидкости,
  • максимально допустимый перепад давления,
  • требуемая точность.

Если выбирается измеритель перепада давления/диафрагменный расходомер, размер диафрагмы определяет точность и перепад давления. Поскольку размер диафрагмы не исключает изменение бесступенчато, падение давления необходимо точно настроить для конкретного применения.

Расходомер Кориолиса устройство принцип работы + схема внедрения
Типичная схема применения: 1 – загрузка смеси; 2 – машинный бассейн; 3 – напорный модуль; 4 – TiO2; 5 — плотность массового расхода в % твёрдых частиц; 6 — система контроля непрозрачности

Однако для расходомеров дискретного размера (расходомер Кориолиса), пользователю необходимо выбрать конкретный размер прибора с заданным перепадом давления и диапазоном точности. Каждому заданному размеру и типу расходомера Кориолиса соответствует стабильность нуля (ZC — Zero Stability).

Стабильность нуля является мерой чувствительности измерителя и определяется производителем. Точность расхода определяется как отношение стабильности нуля к массовому расходу.

Каждый размер и тип прибора имеет характеристическую кривую падения давления, подготовленную изготовителем. Эта кривая показывает компромисс между падением давления и точностью расхода. Конкретный расходомер Кориолиса выбирается после сравнения потребностей системы с характеристическими кривыми падения давления многих типов и размеров расходомеров Кориолиса.

Пользователю следует оптимизировать перепад давления и точность в зависимости от требований системы, чтобы определить и выбрать лучший расходомер Кориолиса для применения. Если выбранная технология Кориолиса считается подходящей, следующим шагом становится выбор датчика и преобразователя.

Как выбирается датчик и преобразователь?

Тип преобразователя (встроенный или выносной) обычно зависит от характеристик процесса, доступности для установки, локального дисплея, выходных протоколов и т. д. Выбор датчика зависит от производительности, дренируемости и совместимости материалов.  Также существует зависимость от ограничений по температуре и давлению в пределах рабочей среды, труб, коллекторов и технологических соединений.

Для применений с необходимостью чистки оборудования предпочтительна прямоточная конструкция расходомера Кориолиса. В тех случаях, когда прибор опорожняется перед использованием с другой жидкостью, может потребоваться установка прибора на вертикальной линии, где жидкость течёт вверх с целью облегчения слива.

Однако в тех случаях, если предполагается использовать чистящие жидкости, для датчика необходимо указать соответствующий материал конструкции. Например: титановый расходомер Кориолиса с прямой трубкой несовместим для случаев промывки щёлочью в гигиеническом процессе.

Двухтрубные расходомеры с трубками глубокой U-образной формы обладают наибольшей чувствительностью к расходу и наименьшим перепадом давления при заданной точности. Соответственно, такого типа приборы логично использовать в самом широком диапазоне расходов. Счетчики типа «Deep-U» оптимальны для применений с малым массовым расходом (газы и жидкости с высокой степенью вязкости).

Глубокая U-образная конструкция («Deep-U») предпочтительна для фискального перевода и управления критически важными процессами (подача катализатора). Измерители более низкого профиля, например, с трубками незначительного сгиба и прямыми, более компактны, но менее чувствительны.

Базовое применение для управления технологическим процессом или мониторинга допустимо обслуживать различными геометриями, поскольку для таких вариантов требуется только средняя точность расхода (0,2%) и динамический диапазон (10:1).

Заключение

Массовый расходомер Кориолиса напрямую измеряет как массовый расход, так и плотность и обеспечивает высокую точность для различных сред, от газов до шлама. Прибор обещает повысить производительность измерения и управления в широком диапазоне применений, но стоимость оборудования довольно высока. Однако в целом стоимость пользования расходомером Кориолиса зачастую получается меньшей, чем для альтернативных расходомеров.


При помощи информации: Aiche