Coriolis-virtausmittausperiaate

Monilla teollisuuden aloilla mitataan massavirtausta pikemminkin kuin tilavuutta. Esimerkiksi elintarvikkeiden prosessoinnissa sellaiset tuotteet, kuten pastat, tahnat ja jogurtit eritetään yleensä painon eikä tilavuuden mukaan. Sen vuoksi pakkauksen merkinnöissä ilmoitetaan kuluttajalle tuotteen paino tilavuuden sijaan. Yksi syy tähän on se, että useimpien nesteiden tilavuus voi vaihdella suuresti fyysisten vaikutusten, kuten paineen, lämpötilan ja tiheyden, vuoksi. Näillä ei ole vaikutusta nesteen massaan, joten massavirtausmittauksella on joitakin etuja, joita tilavuusmittauksella ei vain ole. Tämä on erityisen tärkeä näkökohta nesteiden fiskaalisessa mittauksessa.

Ruumiin massa määritetään yleensä punnitsemalla. Teknisestä näkökulmasta katsottuna muodostuu kuitenkin suuria vaikeuksia, jotka on voitettava, kun punnitaan suoraan massaa, joka virtaa jatkuvasti putkistoon. Tämän vuoksi viime vuosikymmenten aikana on kehitetty mittausperiaate, jonka avulla putkien massavirta voidaan mitata suoraan ja jatkuvasti Coriolis-periaatetta käyttäen. Joissakin sovelluksissa on järkevämpää soveltaa tätä Coriolis-periaatetta kuin määrittää massa välillisesti mittaamalla tilavuusvirtaus ja tiheys (tilavuus × tiheys = massa).

Tämän periaatteen varhaisimpana kuvaajan pidetään yleensä ranskalaista fyysikkoa ja matemaatikkoa, Gaspard-Gustave de Coriolis'ta (1792 - 1843).

Vaikutus esiintyy vain pyörivissä järjestelmissä, esimerkiksi karusellissa tai pyörivällä planeetallamme, mutta sitä ei pidä sekoittaa keskipakoisvoimaan. Vaikka termiä "Coriolis-voima" käytetään laajalti, sitä on usein vaikea kuvailla, saati selittää. Sen esiintyminen on aina havaittavissa, kun järjestelmässä on suorakulku ja pyörivä toimivat päällekkäin.

Käytännön esimerkki esitetään kuvassa 1: Kääntyvällä kääntöpöydällä seisova henkilö joutuu vain kallistumaan hieman sisäänpäin, jotta hän vastustaa keskipakoisvoimaan (vasemmalla). Jos henkilö siirtyy pyörimispisteestä kääntöpöydän reunaan, hän kohtaa kuitenkin tasaisesti kasvavan pyörimisnopeuden, ja inertian tullessa mukaan hänen täytyy voittaa Coriolis-voima. Tämä Coriolis-voima ohjaa henkilön pois lyhyimmältä reitiltä kääntöpöydän poikki (suoraan säteellä). Mitä painavampi henkilö on, sitä nopeampi kiertonopeus on, ja mitä nopeammin henkilö kulkee ympyrää kohti ("massavirta"), sitä enemmän inertiaa on havaittavissa ja sitä voimakkaampi on Coriolis-voiman vaikutus.

Matemaattisin termein Coriolis-voima (F_C) on siis suhteellinen verrattuna liikkuvaan massaan (_m^· ), pyörimisnopeuteen (ω) ja säteisliikkeeseen (v_r) pyörivässä järjestelmässä:

F_c = 2 ⋅ m ⋅ ω ⋅ v_r

Coriolis-voimat ovat aina läsnä, kun lineaarinen liike ja pyörivä toiminta tapahtuvat päällekkäin järjestelmän sisällä (kuva 1, oikea). Kun lineaarista liikettä ei ole (kuva 1, vasen, henkilö seisoo paikallaan), syntyy vain keskipakoisvoimia.

Coriolis-massavirtausmittarissa (katso kuva 2), yksittäisiin massahiukkasisiin kohdistuu sama vaikutus kuin kääntöpöydällä olevan henkilön kehoon edellä esitetyssä kuvassa. Edellä kuvattu kiertoliike, joka tuottaa Coriolis voiman, korvataan virtausmittarissa herättelemällä mittausputkea, jotta värähtelisi resonanssitaajuudellaan.

a  =  Nollavirtaus: mittaputkien värähtelytila nollavirtauksessa
b  =  Virtaus → mittausputkien värähtelytila ​​aikavälillä 1
c  =  Virtaus → Mittausputkien värähtelytila ​​aikavälillä 2

Nollavirtauksessa nesteen ollessa paikallaan lineaarista liikettä ei ole (a). Sen seurauksena Coriolis-voimia ei ilmene. Kun massa virtaa, mittausputkessa tapahtuvan värähtelyn (= pyörimisen) aiheuttama liike menee virtaavan nesteen lineaarisen liikkeen päälle. Coriolis-voima aiheuttaa mittausputkien ”kiertymisen” (B, C). Anturit (A, B) sisäänvirtauksessa ja ulosvirtauksessa rekisteröivät aikaerot tässä liikkeessä, toisin sanoen ne rekisteröivät vaihe-eron. Mitä suurempi massavirta, sitä suurempi vaihe-ero (katso kuva 3).

Kun nestettä virtaa, massan hiukkaset liikkuvat mittaputken läpi ja niihin kohdistuu Coriolis-voimien päällekkäinen sivuttaiskiihtyvyys (F_C ). Kun massahiukkaset (m) menevät putken sisään, ne ajautuvat pois pyörimispisteestä (Z₁) ja palaavat kohti keskustaa (Z₂ ), kun ne lähestyvät ulostuloaukkoa. Tämän seurauksena Coriolis-voimat toimivat päinvastaisissa suunnissa sisäänkäynnissä ja ulostulossa, ja mittausputki alkaa "kääntyä". Tämä mittausputken värähtelyn aiheuttama geometrian muutos rekisteröidään vaihe-eroina mittausputken kummassakin päässä olevilla antureilla (A, B). Tämä vaihe-ero (∆φ) on suoraan suhteessa nesteen massaan ja virtausnopeuteen (v), ja siten myös massavirtaukseen.

Tällä hetkellä käytettävissä olevan nimellisläpimitan vaihteluväli ulottuu DN 1:stä 300:een. Käyttö voi siis vaihdella hyvin pienten määrien annostelusta lääketieteellisissä sovelluksissa aina laivan lastaukseen ja lastin purkamiseen. Mallivalikoima on vastaavasti laaja.

Mittaputket herätetään jatkuvasti resonanssitaajuudellaan. Heti nestetiheyden muuttuessa ja siten värähtelevän järjestelmän massan (mittausputki plus neste) muuttuessa, herätystaajuus säätyy vastaavasti. Siten resonanssitaajuus on nesteen tiheyden funktio, ja sitä voidaan käyttää lisälähtösignaalina.

Mittaputkien lämpötila määritetään korvauskertoimen laskemiseksi lämpötilavaikutusten vuoksi. Tämä signaali vastaa prosessin lämpötilaa ja on saatavana myös lähtösignaalina.

Yksi-, kaksi- ja neliputkisia mittaputkimalleja on saatavana runsaasti eri muotoisina ja erilaisilla taivutussäteillä, jolloin niitä voidaan käyttää optimaalisesti teollisuuden eri sovelluksissa.

Suurimmassa osassa kaksiputkisia mittareita mittaputket herätetään niin, että ne värähtelevät vastafaasissa. Tämä on järjestely, joka erottaa koko virtausmittarin tehokkaasti ulkoisten värähtelyjen vaikutuksista. Kaksiputkisia ​​mittareita on erityyppisiä. Geometristen ominaisuuksien osalta mittaputket vaihtelevat valmistajan mukaan, ja kaikista löytyy suoria, silmukallisia tai hiukan taivutettuja malleja. Endress+Hauserin käyttämät suorat tai hiukan taivutetut putket mahdollistavat kompaktien, tilaa säästävien anturien rakentamisen.

Yksiputkisissa mittausjärjestelmissä on useita etuja verrattuna kaksisputkisiin mittausjärjestelmiin:

• Helppo puhdistaa
• Painehäviöt merkittävästi vähäisempiä
• Vähemmän paineita nesteelle, koska virtauksen jakamiseen kahden mittausputken välille ei tarvita jakajaa

Tämän mallin etu - nimittäin se, että värähteleviä mittausputkia on vain yksi - tarkoittaa väistämättä sitä, että erottaminen, joka on kaksiputkisten mittareiden ominaisuus, ei toteudu automaattisesti. Sen vuoksi kehitysvaiheessa on huolehdittava, että rakennetaan ominaisuuksia, jotka erottavat järjestelmän tehokkaasti ulkoisista vaikutuksista.

"Vääntötilan tasapainotus" -järjestelmä: Endress+Hauser toteuttaa tämän erottelun yhdistämällä ominaisen korkean resonanssisuuntauksen patentoituun "Vääntötilan tasapainotus -järjestelmäänsä (TMB). Jos kyseessä on Promass I yksiputkinen anturi, oikeaan mittaukseen tarvittava järjestelmätasapaino saavutetaan vastavärähtelevällä hidastumiskiihtyvyydellä, joka on järjestetty epäkeskeisesti mittaputkeen (vääntövaikutus) (kuva 5). Tämän sisäänrakennetun järjestelmän ansiosta Promass I on yhtä helppo asentaa kuin kaksiputkinen mittalaite. Virtausmittarin ylä- tai alavirrassa ei tarvita erityisiä tärinää estäviä kiinnikkeitä.

Promass I -mittajärjestelmällä jopa viskositeetti voidaan määrittää "in-line" lisäprosessiparametrina.

ω = Kulmanopeus
m₁ = Mittaputki ja nestemassa
m₂ = Hidastumiskiihtyvyys
v₁ = Nopeus m₁
v₂ = Nopeus m₂
p = Impulssi

Neliputkiset mittausjärjestelmät ovat samankaltaisia kuin kaksiputkiset mittausjärjestelmät, koska niissä on käytössä vastavaiheinen värähtely, joka erottaa virtausmittarin tehokkaasti asennusympäristöstä. Lisäksi niiden etuna on, että ne mahdollistavat verrattain suuremman virtauksen ja suuremman läpimenon pienemmällä painehäviöllä verrattuna samanlaisiin nimelliskokoisiin kaksiputkisiin mittareihin. Tämä on erityisen tärkeää putkistoissa ja lastaussovelluksissa.

Coriolis-massavirtausmittauksen edut ovat selkeät: fyysiset tekijät, kuten johtokyky, paine, lämpötila, tiheys ja viskositeetti, eivät vaikuta tähän mittausperiaatteeseen. Suorat sisään- ja ulostulot ovat tarpeettomia, mikä voi olla erittäin edullista, kun tilaa ei ole tarpeeksi. Ei siis ole yllättävää, että Coriolis-virtausmittareita käytetään hyvin erilaisissa sovelluksissa ja teollisuudenaloilla, erityisesti kemian ja lääketieteen aloilla.

Lähes kaikki nesteet voidaan mitata: pesuaineet ja liuottimet, lämmitysöljyt ja polttoaineet, kasviöljyt, eläinrasvat, lateksi, silikoniöljyt, tolueeni, bentseeni, alkoholi, metaani, hedelmämehu, hammastahna, ruokaöljyt, etikka, ketsuppi, majoneesi, kaasut, nestekaasut (butaani, propaani, maakaasu) jne.

Coriolis-virtausmittarit rekisteröivät samanaikaisesti nesteen tiheyden ja massavirran, ja lämpötilasensoreiden avulla ne voivat myös monitoroida nesteen lämpötilaa. Tämän vuoksi tätä mittaustyyppiä voidaan todellakin nimittää "monimuuttujaiseksi mittaukseksi". Ensisijaisia ​​mitattuja muuttujia, nimittäin massavirtausta, nestetiheyttä ja lämpötilaa, voidaan käyttää muiden muuttujien laskemiseen ja näyttämiseen, kuten tilavuusvirtaus, kiintoainepitoisuus, konsentraatio tai johdetut tiheysarvot (esim., vakiotiheys, °Brix, °Baumé, °API, °Balling, °Plato). Nykyaikaiset mittausjärjestelmät pystyvät laskemaan ja tuottamaan näitä toissijaisia mitattuja muuttujia suoraan lähettimen kautta.

Näiden Coriolis-laitteiden erinomaiset ominaisuudet tekevät niistä erinomaisen sovelluksen monille eri sovelluksille:

• Erilaisten raaka-aineiden sekoittaminen ja erottelu
• Prosessien valvonta
• Nopeasti tiheyttään muuttavien nesteiden mittaus
• Tuotteen laadun valvonta ja monitorointi
• Nesteiden ja kaasujen laskutusmittaus

Nämä ovat joitain syitä, miksi Coriolis-periaate on vakiintunut hyväksi mittaustekniikaksi viimeisen 25 vuoden aikana. Coriolis-virtausmittareita käytetään usein kemiallisissa prosesseissa, pääasiassa seuraavien vuoksi:

• Suora menetelmä, jolla mitataan massa tarkasti (tyypillisesti ±0,1 %)
• Erittäin monipuolinen, koska mittausputkimateriaalien valikoima on laaja

Elintarviketeollisuudessa on monia sovelluksia, esimerkiksi ainesosien minimiannosten annosteluun ja täyttöön (kuva 6). Coriolis-mittarit ovat myös yhä yleisempiä matalan ja korkean paineen kaasumittaussovelluksissa (kuva 7), esimerkiksi paineistetun maakaasun (CNG) kanssa. Markkinoilla on myös lukuisiin sovelluksiin soveltuvia laskutusmittausmittalaitteita.

Edellä mainitut edut ovat jo jonkin aikaa johdonmukaisesti avanneet uusia aloja virtausmittarille, jotka perustuvat Coriolis-periaatteeseen. Näin ollen kaikki viittaa siihen, että Coriolis-mittareiden markkinat kasvavat edelleen nykyisellä vauhdilla tai jopa laajenevat edelleen tulevina vuosina.

Coriolis-mittauksen ominaisuudet ovat erityisen houkuttelevia ja lupaavia sellaisissa sovelluksissa, joissa aikaisemmin käytettiin "perinteisiä" mittausmenetelmiä. Omistuskustannukset ovat yksi monista tekijöistä, jotka vaikuttavat tähän. Se sisältää laitteen hankintakustannusten lisäksi myös laitteen koko elinkaaren aikana aiheutuneet kulut ja yleiskustannukset. Coriolis-mittareiden elinkaarikustannukset on yllättävän alhaiset, koska ne ovat suhteellisen huoltovapaita ja erittäin joustavia hyvin vaihtelevissa prosessitilanteissa.

Kuvassa 7 olevassa sovelluksessa etyleeniä mitataan paineen ollessa 75 - 95 baaria ja virtauksen 10 - 40 t/h. Promass-virtausmittari ei tarvitse putken värähtelystä huolimatta mitään lisätukia tai kiinnitysvälineitä.

• Yleisesti sovellettava periaate nesteiden ja kaasujen virtauksen mittaamiseksi
• Massavirtauksen suora mittaus (ei tarvetta paineen ja lämpötilan kompensoinnille)
• Mittausperiaate on riippumaton nesteen tiheydestä ja viskositeetista
• Erittäin suuri mittaustarkkuus (tyypillisesti ±0,1 % o.r.)
• Monimuuttuja-anturin käsite: massavirtauksen, tiheyden ja lämpötilan samanaikainen mittaus
• Virtausprofiili ei vaikuta
• Ei tarvetta käyttää sisään- ja ulostuloja
• Ei liikkuvia osia mittaputken sisällä
• Ei tarvetta suodattimille
• Ei tarvetta erilliselle tiheyden mittaukselle

• Suhteellisen suuri alkuinvestointi
• Useimmat mallit sisältävät jonkin verran painehäviötä
• Rajoitettu käytettävyys, jos nesteen kaasupitoisuus on korkea, ja monivaiheisten nesteiden ollessa kyseessä