Massflödesmätare

Kunskap - Coriolis massflödesmätare

Artikel levererad av Morten B. Jensen, KLINGER Danmark (oversat fra Dansk)

Svaret är självförklarande och förklarar också fördelarna med att mäta massflöde framför volymflöde; Mätningen är oberoende av volymförändringar – dvs. oberoende av temperatur- och tryckvariationer oavsett produktens natur.

Massan av en kropp på marken bestäms vanligtvis genom att väga den, men massan kan också bestämmas genom att mäta den acceleration som kroppen påverkas av från en yttre kraft.

Grunden för detta är Newtons andra rörelselag: "Kraft = massa x acceleration".

Hur en Coriolis flödesmätare fungerar

När man vill mäta massflödet av vätskor i rör är det svårt att göra en strömmätning, då en accelerationsmätning är relativt svår att utföra. På den grunden beräknas vanligtvis massflödet från flödet, genom att det korrigeras för densitet (tryck och temperatur). Många olika mätprinciper har testats i försöket att bestämma massflöde med hjälp av kraft och acceleration, men endast en princip accepteras inom branschen för massflödesmätning. Principen bygger på en gyrostatisk princip tillsammans med Coriolisaccelerationen eller Corioliskraften.

I alla system som roterar runt en axel genereras en Corioliskraft när en kropp rör sig radiellt i systemet. Om en kropp (massa) placerad på en skiva rör sig från mitten och ut till kanten, kan den bara flytta den kortaste vägen genom att "luta sig" upp mot kraften som försöker trycka bort kroppen från den raka banan. Det är Coriolisaccelerationen som bildar kraften som kroppen "lutar" mot.

Fc = m (2vr w)
Var
Fc är kraften i Coriolis
m är massan
vr är flödeshastigheten
w är oscillationsfrekvensen

Tidiga mätarkonstruktioner baserades på två parallella U-böjda rör som vibrerade vid sin egen resonansfrekvens. Linjära variabel differentialtransformatorer (LVDT) användes som upptagningssensorer.

Givarna placerades på inlopps- och utloppssidan så att de kunde detektera inlopps- och utloppssektionens rörelse, varifrån signalerna fördes vidare till en krets som mätte tidsskillnaden mellan de två oscillatorerna - tidsskillnaden är proportionell mot massflödet. Böjda, S-formade eller vridna rör används för att mekaniskt förstärka tidsskillnaden mellan två uppmätta svängningar. Böjda rör har dock en relativt hög massa, vilket resulterar i att systemen arbetar med en relativt låg vibrationsfrekvens, typiskt mellan 80 och 100 Hz. Den låga frekvensen gör mätaren känslig för rörvibrationer, som oftast uppstår i området under 100Hz, och det kan därför ge upphov till nollpunktsdrift och därmed mätfel (ofta visar mätaren flöde när det inte finns).

Designmässigt har den här typen av Coriolismätare stora fysiska dimensioner, precis som de böjda rören ger större tryckförlust, vilket minskar flödet och ökar energiförbrukningen för pumpning.

I modernare konstruktioner möts ovanstående problem genom att använda induktiva sensorer placerade i inloppet och utloppet på ett rakt mätrör för att detektera en fasförändring. Systemet fungerar enligt följande.

Vid excitation bringas ett rakt mätrör till resonanssvängningar. När ingen produkt strömmar genom mätaren kommer inlopps- och utloppssensorn att vara i fas, men under ett flöde kommer partiklarna att ha en vertikal acceleration. Energin som partiklarna får från det oscillerande mätröret kommer att dämpa vibrationerna på inloppssidan, medan partiklar som passerar genom mätröret kommer att ge den absorberade energin tillbaka till mätröret och därigenom förstärka mätrörets svängningar på utloppssidan. De två sensorerna används nu för att mäta fasförskjutningen som är direkt proportionell mot massflödet.

Systemet arbetar med en relativt hög resonansfrekvens - högre än 600 Hz, vilket ger extremt kort svarstid vid flödesförändringar och samtidigt blir mätsystemet immun mot industriella vibrationer (typiskt 50-100 Hz).

Det finns idag flera "raka rör"-konstruktioner - både med ett och 2 mätrör - vilken princip som används för den aktuella uppgiften är en fråga om medias egenskaper och pris.

Kan ersätta vågsystem

Coriolis massflödesmätare kräver inga rörlängder före och efter mätaren (ingen rak rörlängd krävs), precis som principen är oberoende av flödesparametrar som: densitet, viskositet och temperatur. Den kan dock inte användas för att mäta på flerfasflöde, precis som media med ett visst gas/luftinnehåll endast kan mätas (idag går det att använda speciella Coriolismätare som klarar detta).

Coriolis massflödesmätare kan enkelt ersätta vägningssystem i batch- och doseringsprocesser. Det ger användaren ett in-line vägningssystem med många fördelar, t.ex. kontinuerlig vägning, enkel rengöring och relativt låga installationskostnader jämfört med ett lastcellssystem.

Flödesmätning och torrsubstansbestämning

Att mäta massflöde med stor noggrannhet, i enheter som kg/h och ton/h är en självklarhet, men för många mätuppgifter är det traditionellt sett mer användbart när man arbetar med volymenheter, som t.ex. l/h eller m3/h. I Coriolis massflödesmätare är det möjligt att antingen använda den uppmätta densiteten som referens - och därmed få en "sann" volymmätning - eller använda ett fast värde - och på så sätt få ett uttryck för standardvolymflödet, där referens är gjorda till fasta standardvillkor.

Mätt på media bestående av 2 produkter, som t.ex vatten/socker, där densiteten för en produkt är känd, kan mängden av de två produkterna separeras och de enskilda fasernas massa eller volymflöde kan registreras.

Coriolis massflödesmätare gör det också möjligt att kontinuerligt mäta blandningsförhållandet mellan de två produkterna, så att aktuell blandningsprocent kan avläsas direkt.

Temperaturmätning

För att öka mätnoggrannheten på flera av de andra mätningarna är en automatisk temperaturkompensation, i form av en PT100-givare, vanligtvis inbyggd i mätsystemet. Sändaren lineariserar signalen i mätarens tillämpningsområde (typiskt -50oC till +200oC), och signalen kan givetvis användas, t.ex. för att reglera temperaturen på vätskan.

Densitet och härledda mätningar

Kontinuerlig densitetsmätning används i många sammanhang, och kan vara en avgörande parameter för att optimera processen.

Coriolis massflödesmätare är fabrikskalibrerad densitet, men det är möjligt att öka noggrannheten avsevärt (ända ner till +/- 0,001 kg/l) genom att göra en kalibrering vid den aktuella mätpunkten.

In-line-kalibreringen utförs bäst som en tvåpunktskalibrering, antingen med hjälp av laboratoriet eller med två kända referensvätskor. Densiteten mäts i många olika enheter, som dock alla är härledda av den temperaturkompenserade standarddensiteten.