Основні теоретичні відомості. Коріолісові витратоміри належать до інерційних витратомірів, принцип дії

Коріолісові витратоміри належать до інерційних витратомірів, принцип дії

первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП) яких полягає в тому, що в ПВП потоку рідини, витрати якої вимірюються, надається додатковий рух: коливальний або обертальний, або обидва одночасно. При цьому конструктивні елементи таких ПВП деформуються під дією сил Р інерції, кожна з яких у відповідності з другим законом Ньютона дорівнює Р = mּа (m – маса рідини, а – прискорення її руху), а величина деформації конструктивних елементів ПВП є мірою витрати. Коріолісовими називають витратоміри, в яких під впливом силової дії виникає коріолісове прискорення, що залежить від масової витрати. Коріоліса сила – одна із сил інерції, яка враховує вплив обертання рухомої системи відліку на відносний рух тіла. Ця сила пояснює, наприклад, закон Бера, який стверджує, що річки, що протікають вздовж мередіану, в північній півкулі підмивають правий берег, а в південній – лівий. Все пояснюється впливом прискорення Коріоліса та сили Коріоліса при добовому обертанні Землі на рух частинок води в річці. Прискорення Коріоліса (прискорення обертання) – це частина повного прискорення тіла, яке з’являється при його русі в обертальній системі відліку. Для закону Бера - це рух потоку води в річці по поверхні у вигляді кулі, яка в свою чергу обертається навколо осі.

Суть використовування ефекту Коріоліса в перевинному вимірювальному перетворювачі витрати полягає в тому, що вимірювальна (сенсорна) трубка U-подібної форми коливається з миттєвою кутовою швидкістю W відносно осі 0-0', перпендикулярної до рукавів трубки (рис. 1,а). г)

Рис. 1. Схеми динамічних процесів у коріолісовому витратомірі: а - коливна трубка; б- напрями дії коріолісових сил; в - крутильні коливання вимірювальної трубки; та г - вигляд вузла ПВП коріолісового витратоміра: 1 - вхідна ділянка трубопроводу; 2 - вхідний детектор; 3 - задавальна котушка; 4- вихідний детектор; 5- сенсорні

трубки; 6 - вихідна ділянка трубопроводу.

Для збільшення чутливості реалізується диференціальний метод вимірювання, що здійснюється за допомогою двох ідентичних вимірювальних трубок, які коливаються в протилежних напрямках (рис.1,г). Коливання двох трубок, що подібні коливанням камертона, спричиняються задавальною електромагнітною котушкою 3 (рис. 1,г), розміщеною в центрі вигину вимірювальної трубки.

Амплітуда коливань становить менше 1 мм, а частота — близько 80 Гц.

Під час проходження рідини через U-подібну трубку зі швидкістю V та масової витрати Q_м, поступальний рух рідини в кожній трубці розділяється на 2 фази: рух середовища від основного трубопроводу до середини згину (вхідна сторона) та зворотний рух рух до трубопроводу (вихідна сторона), причому цей рух здійснюється при одночасному сінусоїдальному коливанні площини трубки. Це приводить до виникнення коріолісового прискорення, яке свою чергу, приводить до появи сили Коріоліса (рис.1,б).

Сила Коріоліса N_к спрямована в сторону протилежну напрямку руху трубки,

що заданий електромеханічним ланцюгом збудження її коливань. Тобто, коли трубка рухається, наприклад, вверх під час половини її власного циклу, то для середовища, що її наповнює і рухається від основного трубопроводу до згину, сила Коріоліса N_к спрямована вниз. Але, як тільки рідина проходить вигин трубки і рухається в зворотному напрямку, то для цієї ж половини власного циклу коливань трубки напрямок сили Коріоліса N_к змінюється на протилежний. Таким чином, у вхідній половині трубки сила, що діє з боку середовища у трубці, перешкоджає переміщенню трубки, а у вихідній половині навпаки – прискорює це переміщення. Останнє призводить до деякої деформації (вигину) U-подібної трубки. Коли в другій фазі вібраційного циклу трубка рухається вниз, напрям вигину змінюється на протилежний. У результаті трубка здійснює крутильні коливання (коли потоку вимірюваної рідини у трубці немає, вона не вигинається).

Таким чином, у вхідній половині U-подібної трубки сила, що діє з боку

рідини, перешкоджає зсуву трубки, а у вихідній - сприяє. Це призводить до

вигину U-подібної трубки - ефект Коріоліса (рис.1,в) . Коріолісова сила, а отже,

кут φ закручування сенсорної трубки прямо пропорційні кількості рідини, що проходить через трубку за одиницю часу, тобто масовій витраті Q_м рідини. Кут φ закручування можна виміряти сенсорами положення, сигнали яких після перетворення дозволяють отримати напругу, пропорційну масовій витраті Q_м.

Якщо ρ - густина рідини, F - площа поперечного перерізу сенсорної трубки, L- довжина одного з її рукавів, d - відстань між рукавами (рис.1,б), то маса m рідини, що перебуває в одному рукаві U-подібної трубки, дорівнює:

m= ρּFּL. (1)

На рідину в кожному із рукавів U-подібної трубки діє в протилежних

напрямках сила Коріолісова сила N_к, яка пропорційна масі та прискоренню обертання, і вона дорівнює:

N_к = mּVּW = ρּFּLּVּW. (2)

Обидві сили, які діють на рідину в обох рукавах U-подібної трубки утворюють момент М_к коріолісових сил, який приводять до її закручування і який дорівнює:

М_к =2 N_к ּ d = 2ּ ρּFּLּVּWּ d. (3)

А з урахуванням того, що масова витрата Q_м=ρ*F*V,вираз (3) набуде вигляду:

М_к = 2 Q_мּLּWּ d. (4)

Під дією моменту М_к U - подібна трубка повертається на кут φ і зрівно­важується моментом М_пр сил пружності трубки , які діють у напрямі, протиле­жному коріолісовим силам:

М_пр = К_пр ּφ, (5)

де К_пр - модуль пружності трубки.

У стані рівноваги матимемо: 2 Q_мּLּWּ d =К_прּ φ, (6)

звідки Q_м = k ּφ (7)

деk –сталий коефіцієнт, k =К_пр / 2 LּWּ d.

Резонансна частота коливань трубки залежить від її геометрії, матеріалу, конструкції та маси. Остання складається із двох частин: маси самої трубки та маси вимірюваної рідини в трубці. Маса трубки (трубок) для конкретної конструкції ПВП є незмінною. Оскільки маса рідини в трубці дорівнює добуткові густини рідини та внутрішнього об'єму трубки (який теж є константою для кожного типорозміру ПВП), то можна визначити густину рідини через вимірювання резонансної частоти коливань трубки або періоду коливань трубки. Для цього використовуються дві сенсорні трубки, які збуджуються на резонансній частоті за допомогою електромеханічного генератора з позитивним зворотнім зв’язком. Так як густина рідини залежить від її температури, то така зміна, що спричинена коливаннями температури рідини, враховується за допомогою додаткового температурного сенсора (термометра опору), який розміщується в ПВП масової витрати.

Основні переваги коріолісових витратомірів: висока точність вимірювання

параметрів упродовж тривалого часу; можливість роботи незалежно від напряму потоку; відсутність необхідності прямолінійних ділянок трубопроводу перед і після витратоміра; надійна робота в умовах вібрації трубопроводу, змінюваності температури та тиску контрольованої рідини; тривалий термін служби та простота обслуговування, оскільки немає рухомих та зношуваних частин; немає потреби в періодичному перекалібруванні та регулярному технічному обслуговуванні.

Подібні ПВП дозволяють вимірювати витрату в дуже широких межах із

похибкою, що становить частки відсотка. Наприклад, коріолісів витратомір із

сенсорами Dфірми дозволяє вимірювати витрати від 55 до 680400

кг/год з похибкою 0,15 % та відтворюваністю 0,05 % від вимірюваної витрати.

3.2. Витратомір – густиномір Sitrans FC Massflo фірми «Siemens»

Kоріолісовий витратомір Sitrans FC Massflo складається із первинного вимірювального перетворювача (сенсора) витрати MASS 2100/M(рис.2,а) та вимірювального мікропроцесорного перетворювача MASS 6000 (рис.2,б). Сенсор безпосередньо вимірює витрату, густину і температуру, а перетворювач - конвертує отриману від сенсора інформацію в цифрову форму та стандартні вихідні сигнали.

Основними елементами ПВП витрати є дві витратомірні сенсорні трубки U-

подібної форми 5(рис. 1,г). Підведена до сенсора вимірювана рідина розділяється на рівні половини, що протікають через кожну із сенсорних трубок 5. На сенсорних трубках монтуються з'єднувальна коробка із силовою електромагнітною (задавальною) котушкою збудження 3та магнітом, два детектори 2 та 4з магнітами й електромагнітними котушками і термометр опору (на рис. 1,г не показано). Сенсорні трубки закріплені до основного

трубопроводу так, що їхні площини утворюють між собою деякий кут.

Між площинами трубок на одинаковій відстані від середини згину

трубок і симетрично їм, розташована задаюча електромагнітна котушка, яка через спеціальний электромеханічний ланцюг збуджує механічні коливання сенсорних трубок, при чому трубки коливаються вверх-вниз у протилежних напрямках по відношенню одна до одної. Збудження самої електромагнітної котушки відбувається від задаючого електронного генератора сінусоїдальної

форми коливань з позитивним зворотним зв’язком на самозбудженні. При русі

вимірюваного середовища через трубку-сенсор з’являється фізичне явище,

відоме як ефект Коріоліса, яке спричиняє скручування трубок.

ПВП прямо вимірює масову витрату, густину і температуру. Перетворювач конвертує отриману від сенсора інформацію в стандартні вихідні сигнали.За отриманими значеннями масової витрати Q_м та густини ρ (із поправкою на температуру рідини) обчислюється об'ємна витрата Q_о. Дія задавальної електромагнітної котушки 3,що розміщена в центрі вигину вимірювальних трубок, призводить їх коливання, що подібні коливанням камертона.

а)б)

Рис.2. Загальний вигляд ПВП а) та мікропроцесорного перетворювача б) витратоміра Коріоліса фірми «Siemens».

Детектори вимірюють фазовий зсув під час руху протилежних сторін сенсорних трубок. Кожна котушка рухається в однорідному магнітному полі постійного магніту. Згенерована напруга від кожної котушки детектора має форму синусоїдної хвилі (рис. 3). Коли витрат у трубках 5 немає (рис.1,г), синусоїдні сигнали, що надходять із детекторів, мають однакову фазу (рис. 3,а). При зростанні витрати за рахунок вигину сенсорних трубок генеровані детекторами 2 та 4сигнали не збігаються за фазою (рис. 3,б), оскільки сигнал від вхідного боку трубок запізнюється відносно сигналу з вихідного. Різниця в часі між сигналами ΔТ, вимірювана в мікросекундах, прямо пропорційна масовій витраті. Чим більша масова витрата, тим більша різниця ΔТ (у деяких коріолісових витратомірах за допомогою ПВП положення вимірюють кут закручування сенсорної трубки).

Рис. 3. Форми сигналів детекторів без витрати (а)та з витратою (б)у сенсорних трубках ПВП коріолісового витратоміра

ПВП MASS 2100/M одночасно вимірює густину середовища, яке протікає

через сенсор. При цьому використовується основний закон виміру густини у таких витратомірах - співвідношення між масою й власною частотою коливань сенсорної трубки. У робочому режимі задаюча котушка (рис. 1,г) працює на струмі від перетворювача, який збуджує механічні коливання сенсорних трубок на резонансній частоті, яка залежить від їхньої геометрії, матеріалу, конструкції й маси. Маса трубок складається із двох частин: маси самих трубок і маси вимірюваного середовища в трубках. Для конкретного типорозміру сенсора маса трубок постійна. Так як маса вимірюваного середовища в трубках дорівнює добутку густини середовища на його внутрішній об’єм, який є також постійним для конкретного типорозміру ПВП, то частота резонансних коливань трубок однозначно зв’язана з густиною середовища. Як тільки маса вимірюваного середовища збільшується із-за збільшення його густини, відповідно зменшується власна частота коливань трубок. І навпаки - при зменшенні маси вимірюваного середовища, власна частота коливань трубок збільшується. Таким чином, густина середовища в таких витратомірах визначається шляхом вимірювання частоти власних резонансних коливань

сенсорів.

Для забезпечення режимів вимірювання по витратам та густині, амплітуда

коливань трубок автоматично регулюється задаючою котушкою через схему автоматичного регулювання підсилення задаючого генератора, що забезпечує стабільність вихідного сигналу обох сенсорів в діапазоні від 80 до 110 мВ.

Для компенсації впливу зміни температури продукту на похибку витратоміра, у ПВП MASS 2100/M вимірюється також температура середовища, яке походить крізь сенсор. Для цього в ПВП додатково установлений термометр опору Pt100, який за схемою а чотири проводи з’єднується з незрівноваженим мостом. Пропорційний витратам сигнал від обох сенсорів, виміряне значення температури та частота збудження власних механічних коливань сенсорних трубок подаються у мікропроцесорний

преретворювач сигналов MASS 6000. де перетворюються в пропорційні

витратам сигнали, які використовуються для обчислення масової та об’ємної витрати, фракційних витрати, температури та густини продукту.

Таблиця 1 (* - в діапазоні 900-1100 кг/м )

Вимірювання не залежить від електрофізичних властивостей рідини, і для визначення масової витрати не потрібно заздалегідь знати її густину, в’язкість,

тиск і температуру, тому описаний витратомір особливо підходить для

вимірювання неелектропровідних, заряджених (суміші рідини із твердими

частинками), двофазних (емульсії), неньютонівських (у яких в’язкість залежить

від швидкості) рідин.

Основні метрологічні характеристики витратоміра визначаються ПВП.

Фірма «Siemens» випускає декілька модифікацій датчиків витрати (сенсо-рів) та мікропроцесорних перетворювачів до них, які дозволяють вирішувати задачі по автоматизації різних об’єктів. Широкий вибір перетворювачів, вміщує моделі, що сконструйовані на основі MVD технології, призначених для розміщення в небезпечних зонах технологічних процесів (вибухонебезпечних), а також моделі, які інтегрально вмонтовуються на сенсорі. Мікропроцесорні перетворювачі підтримують комунікаційні протоколи по обміну інформацією HART, Modbus, Profibus і ін. Основні метрологічні характеристики MASS 2100 приведені в таблиці 1. Абсолютна похибка вимірювання витрати ПВП залежить від вибраного умовного діаметру його основного трубопроводу, який повинен дорівнювати діаметру трубопроводу, по якому проходить продукт.