Кориолисови разходомери

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2010

Кориолисови разходомериКориолисови разходомериКориолисови разходомериКориолисови разходомериКориолисови разходомери

Осигуряват висока точност на измерване на масовия разход

   Суровинните и продуктовите потоци в дадено производствено предприятие може да се разделят на входни (суровини за преработване), вътрешноцехови, междуцехови и изходни (продукция за пазара). Все по-високите изисквания към качеството на измерване на разхода за търговско отчитане водят до необходимост от подмяна на остарелите прибори с по-съвременни модели. При това новите уреди трябва да отговарят и на редица качествени показатели, сред които възможност да измерват масов разход, плътност, температура, да поддържат компютърен интерфейс, да предлагат удобство при монтаж и експлоатация и др.
Измервателните прибори, отговарящи на тези изисквания, използват метода на пряко измерване на масата на продукта. Такъв прибор е кориолисовият масов разходомер. Той осигурява по-висока точност от всички останали разходомери и превъзхожда по някои критерии обемните разходомери. На първо място сред тях е прякото измерване на масовия разход. Това е особено важно в химическата промишленост, където е необходимо точно отчитане на течностите. При измерване на масов разход отпада необходимостта от превръщане на обемния разход в масов чрез допълнителни измервания и математически изчисления.

Общи сведения за кориолисовите разходомери
Кориолисовите разходомери измерват масовия разход чрез осигуряване на условия на движение на флуида, при които се поражда кориолисова инерционна сила. За да изясним същността на кориолисовата сила, нека разгледаме следния пример (фиг.1): - еластична тръба, през която се движи течност със скорост V, се върти около дадена ос с ъглова скорост w. Под въздействието на линейната и ъглова скорост, тръбата се огъва.
Ако едно тяло с маса М е разположено върху въртящ се диск (фиг. 2) и се движи от центъра към периферията му, то променя пътя си под въздействието на кориолисовата сила Fc, перпендикулярна на скоростта V. За да измине радиално най-краткия път, върху тялото трябва да се приложи противодействаща сила Fr, която e противоположна на Fc.
Кориолисова инерционна сила възниква тогава, когато са изпълнени следните две условия:
l Неинерциалната отправна система К’ се върти (w№0);
l Материалната точка се движи спрямо неинерциалната отправна система (Vr№0). Тази сила се изразява с формулата Fc = -m.ac. Но тъй като ac = 2wVr, за кориолисовата сила се получава Fc = -2mwVr, където m е масата на движещо се тяло, kg; w - ъглова скорост на тялото, rad/s; Vr – радиална скорост на тялото, m/s; ac – кориолисово ускорение, m/s2.
Кориолисовата сила е перпендикулярна на равнината, в която лежат векторите w и Vr, т.е. тя е перпендикулярна на всеки един от тези вектори. Инерционната сила, която действа върху материалната точка, движеща се спрямо въртяща се отправна система, се нарича кориолисова сила.

История на кориолисовия разходомер
Силата на Кориолис е била описана от френския инженер и математик Густав-Гаспар Кориолис през 1835 г. Той доказал, че при използване на традиционните Нютонови закони при движение на телата във въртящи се системи, уравненията за движение трябва да се допълнят със специална сила на инерция, която е насочена надясно по отношение на преместването на тялото, ако въртенето на системата е обратно на часовниковата стрелка и наляво - в обратния случай.
Първите кориолисови масови разходомери са конструирани през 70-те години на миналия век. Тези разходомери изкуствено придавали въртящо движение на течността и измервали масовия разход, като отчитали резултантния въртящ момент. Тъй като това е трудно реализируемо, във съвременните разходомери се създава колебателно движение или вибрация на тръбите, с което се постига същия ефект.
В повечето конструкции, тръбата е закрепена в две точки и на нея й се придава колебателно движение между тези две точки.

Принцип на действие на уредите
Принципът на действие на Кориолисовите разходомери се основава на това, че когато измервателната тръба извършва колебателно движение в системата възниква допълнителна инерционна сила - т.нар. сила на Кориолис. И под действието на тази сила тръбата започва да се огъва. Именно това огъване се отчита с датчици.
Тръбата би могла да бъде огъната (S или U образна) или права. Когато разходомерът се състои от две паралелни тръби, потокът се разделя на две на входа и се обединява на изхода им.
Нека разгледаме двутръбна U-образна измервателна система. Електромагнитен задвижващ механизъм принуждава тръбите да вибрират. Електромагнитното задвижване се състои от бобина, съединена с едната тръба, и магнит, съединен с другата тръба. На бобината се подава променлив ток, който принуждава магнитът периодично да се привлича и отблъсква. Доколкото магнитът и бобината са твърдо закрепени на отделните тръби, то силата ще привлича и отблъсква тръбите. Необходимо условие се явява наличието на променлив ток в бобината, тъй като силата трябва да променя посоката си.
На фиг. 3 е илюстрирано огъването на тръбите при отсъствие на разход и деформация на тръбите под въздействие на кориолисовата сила при наличие на разход. Сензорите са разположени преди и след задвижващия механизъм. Те могат да отчитат положението, скоростта или ускорението на тръбите. Ако се използват електромагнитни датчици, магнитът и бобината в датчика променят своето положение един спрямо друг по време на вибрирането на тръбите и предизвикват промяна на магнитното поле на бобината. Затова, синусоидалното напрежение на бобината отразява движението на тръбите.
Когато липсва разход (в разходомер с две тръби) и тръбите вибрират, разликата в показанията на двата датчика в точки А и В отсъства. Ако има разход и задвижването придава вибрации на тръбите, то силата на Кориолис предизвиква вторична огъваща вибрация, която се проявява като малка фазова разлика, съответстваща на относителните движения на тръбите. Затова датчиците се монтират в две точки. Отклонението на тръбите, предизвикано от силата на Кориолис, е възможно само когато едновременно има разход и вибрации на тръбите. Вибрация без разход или разход без вибрация не дават никакво показание на прибора.
На фиг. 4 са показани синусоидите от двата датчика А и В. Когато няма разход те съвпадат. При наличие на разход между тях се получава фазова разлика, пропорционална на масовия разход.
Естествената резонансна честота на двутръбната конструкция зависи от геометрията, конструкционните материали и масата на цялата конструкция (масата на тръбите и течността в тях). Масата на тръбите е постоянна. Тъй като масата на течността е нейната плътност, умножена по обема й, който също е постоянен, то честотата на вибрациите се обуславя от плътността на протичащата течност. Следователно, плътността на течността може да бъде определена чрез измерване на резонансната честота на колебанията на тръбите. Плътността на течността може да бъде определена и при отсъствие на разход, но тръбите трябва да са запълнени и да вибрират.

Масов разход и плътност с кориолисов разходомер
На фиг. 5 е показана зависимостта на масовия разход и плътността от еластичността на измервателните тръби, която от своя страна е пряко свързана с температурата. По тази причина кориолисовите разходомери разполагат с вграден датчик за температура, чрез който се правят съответните корекции.
Уравнението за определяне на масовия разход с кориолисов разходомер има следния вид: M=Sk(Ac/Ae)(1/fv), където М е масов разход; Ac е амплитуда на колебанията тръбите  под действието на силата на Кориолис; Аe - амплитуда на принудителните колебания; Ас/Ae - фаза; Sk - калибровъчна константа на прибора, Sk = Sk(20 °С)(1+Skt(T - 20°С)); Sk(20 °С) - константа на  прибора при 20°С; fv - честота на принудителните колебания; Skt - корекционен коефициент по температура (константа, зависеща от материала).
Уравнението за определяне на плътността с кориолисов разходомер е:
r = KD [(fI(20 °C)/fv(20 °C))2 - 1]
където, r е плътността; fI(20 °C) е честота на принудителните сили при празни тръби и температура 20 °С; fv(20 °C) е честотата на принудителните сили при пълни тръби и температура 20 °С; KD е калибровъчната константа за плътността; fv(20 °C)  = fv (1+FKT(T - 20 °С)) – температурна корекция на действителната честотата на принудителните колебания; FKT - температурен коефициент за корекция, зависещ от материала и размера на тръбите.

Конструкции кориолисови разходомери
На фиг. 6 е показана конструкцията на кориолисов разходомер с две прави тръби. Измерваният флуид се разпределя през две успоредно разположени еднакви тръби 6. Тази система се привежда в резонанс посредством електромагнитна възбуждаща система 8. При вибриране на тръбите на разходомера масата на протичащия флуид притежава и ъглова скорост, пораждаща кориолисова сила. На две различни места на входа и на изхода на тръбната система са разположени инфрачервени сензори 1, измерващи трептенията на тръбите. Когато през измервателната система не преминава флуид, фазата на сигналите от двата датчика съвпада. При протичане на флуид, под въздействието на кориолисовите сили системата с две части се разбалансира и се появява фазова разлика, пропорционална на масовия разход.
Останалите елементи в конструкцията са: фланец 10 за процесно присъединяване; колектор 5 и уплътнение 4, посредством които се реализира свързването с измервателните тръби; захранващ блок 2 и усилвател 3; носеща тръба 7, която защитава измервателната система от външни влияния и осигурява прибора срещу пропуск на флуид при скъсване на измервателна тръба, както и корпус 9.
Кориолисов разходомер с една права измервателна тръба е показан на  фиг. 7. Измервателната тръба вибрира под въздействието на електромагнитна възбудителна система. За осигуряване на системния баланс, необходим за точно измерване, се използва балансиращо тегло, разположено паралелно на измервателната тръба. Балансиращото тегло трепти в антифаза на измервателната тръба, създавайки балансирана система, осигуряваща стабилност и точност на измерване при множество процесни условия и промени в околната среда.
При липса на разход (1), трептенията, регистрирани в точки А и В са с еднаква фаза. Масовият разход намалява скоростта на трептенията на входната страна на тръбата(2) и я повишава на изходната (3). Разликата във фазите в точките А и В нараства с увеличаване на масовия разход.

Структурна схема на кориолисов масов разходомер
Представена е на фиг. 8. Кориолисовите разходомери се състоят от сензори, електромагнитна възбудителна система и електронен блок за усилване и преобразуване на сигналите от сензорите. Съществуват два вида конструкция - компактна и разделна (измервателният блок е монтиран на разстояние от  електрониката).Сигналите от двата сензора се усилват и постъпват в блок за изчисляване на фазовата разлика, която се подава за понататъшна обработка в микропроцесора.
Процесната температура се измерва с терморезистор и след преобразуване в цифров сигнал се подава в микропроцесора за извършване на температурна корекция. Чрез измерване на честотата на вибриране и амплитудата на отклонение на измервателните тръби се коригира честотата. Целта е да се работи с резонансната честота на съответния флуид със съответната плътност. В микропроцесора, измерените стойности от сензорите се обработват и коригират в съответствие с константа на измервателните тръби, калибровъчни коефициенти за нулев разход и обхват и др. Сигналите от процесора се подават към външни устройства посредством изходните модули.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top