Кориолисовые расходомеры относятся к устройствам, применяемым для замеров массового расхода среды, находящейся в жидком или газообразном состоянии. Для измерения с их помощью применяется известный эффект Кориолиса. Измерение, как прямого расхода, так и плотности вещества, осуществляется прямым методом. А объемный расход измеряется косвенным способом, с помощью алгоритмического пересчета.
Принцип работы
Принцип работы, который заложен в массовый кориолисовый расходомер, заключается в фиксации изменений фаз механических колебаний в U-образных трубках, по которым движется измеряемая среда. Зная, что разность между фазами на входной и выходной частях расходомерной трубки прямо пропорциональна расходу измеряемого вещества в конкретный период времени, можно определить эту величину.
Сама же разность фаз возникает из-за появления кориолисовой силы, которую создает движущийся по расходомерным трубкам поток измеряемой массы. Кориолисова сила сопротивляется колебаниям трубок, препятствуя смещению массы на входе и, наоборот, способствуя на выходе из расходомерной трубки. Именно это и приводит к возникновению разности фаз сенсора. На простом примере это можно продемонстрировать с помощью извивающегося, под напором струи воды, садового шланга.
Устройство массового кориолисового расходомера
На рисунке представлено схематическое изображение кориолисового расходомера.
Минуя входной фланец, измеряемая масса поступает в преобразователь, проходит делители, а потом попадает в измерительные трубки, на которых размещены измерительные катушки с катушкой возбуждения и магниты. Чтобы обеспечить точность измерений, трубки, в процессе изготовления прибора, тщательно подбирают, чтобы они подходили друг другу своими физическими характеристиками.
Пройдя измерительную камеру, масса снова попадает делитель и поступает трубу сквозь выходной фланец. Если движения по трубе нет, на обеих катушках образуется одинаковый, по своей фазе, сигнал. А когда начинается движение, фазы смещаются, из-за того, что колеблющиеся трубки закручиваются под действием силы Кориолиса. И, как говорилось выше, фиксируемая разность фаз позволяет измерить массовый расход движущейся по трубе среды, так как они прямо пропорциональны.
Формула для расчета массового расхода выглядит следующим образом:
Q = К×Δt/3.6 кг/ч (1.0)
Где:
- К — это калибровочный коэффициент, измеряемый в г/с/мкс;
- Δt — интервал времени между поступающими импульсами от детекторов, измеряемая в мкс.
Зафиксированное значение, после обработки электронным преобразователем, поступает на датчик, давая информацию о массе движущейся по трубопроводу среды.
Как известно, изменение температуры вещества способно влиять на его плотность. Из-за этого могут возникнуть ошибки в определении массового расхода. Чтобы не допустить этого, разработчики вмонтировали в измерительное устройство датчик температуры. С его помощью автоматика вносит корректировки в преобразуемые данные о плотности и расходуемом количестве анализируемого вещества, в зависимости от колебаний температуры вещества. Также, пропорционально плотности, изменяется и колебательная частота катушек.
Учитывая изложенное, можно констатировать, что прямым методом измеряется масса, плотность, температура, а также массовый расход. Косвенным образом производятся измерения объема вещества и его объемного расхода. Чтобы их вычислить, электронный преобразователь использует свой процессор.
Разновидности расходомеров
Выделяют следующие типы счетчиков кориолиса:
- Стандартного типа.
- Расходомеры компактного типа.
- Интегральные расходомеры.
- Расходомеры дистанционного типа.
- Пищевые расходомеры.
- Фланцевый тип расходомеров.
Коротко о каждом из представленных типов.
Стандартные расходомеры
Устройства этого типа устанавливаются в местах, где есть много монтажного пространства для установки оборудования. Из-за упрощенной конструкции эти приборы несколько дешевле, чем другие измерители. При этом, их можно дооборудовать дополнительными опциями. Например, системой обогрева при отрицательных температурах. Стандартные расходомеры могут изготавливаться в интегральном исполнении, а также комплектоваться для работы в дистанционном режиме.
Расходомеры компактного типа
Такие устройства, преобразующие разность фаз, используются на трубопроводах при дефиците места для монтажа оборудования.
Как и предыдущий тип, компактные расходомеры изготавливаются в двух вариантах:
- в дистанционном;
- в интегральном варианте.
Их конструкция, предусматривающая минимизацию потерь перемещаемого вещества, позволяет осуществлять замеры движущейся среды при сравнительно низких показателях давления в трубе.
Интегральный тип кориолисовых расходомеров
Приборы такого типа имеют электронный блок, который встраивается непосредственно в его корпус. При этом, за счет исключения необходимости импульсных линий и других вспомогательных устройств, сокращается число мест, где может произойти утечка перемещаемой среды.
Дистанционные расходомеры
В случае установки расходомера в дистанционном исполнении, можно расположить первичный и электронный преобразователи отдельно друг от друга. Кабель, которым соединяются преобразователи, не должен превышать 100 м. Обычно применяется специальный экранированный вариант 9-жильного кабеля. Для крепления электронного блока предусмотрен дополнительный набор крепежных материалов, с помощью которых осуществляется монтаж.
Пищевой или муфтовый тип
Предназначен для измерения пищевых и фармацевтических жидкостей. Для него характерны повышенные требования к гигиенической чистоте всех комплектующих деталей.
Крепление к трубе часто производится при помощи специального асептического соединения. Оно легко разбирается и его удобно дезинфицировать, что необходимо, учитывая сферу применения этого массового расходомера. В конструкции устройства отсутствуют элементы, которые могут привести к застою среды или появлению засорений. При этом, такой тип приборов отличается надежностью, герметичностью и высокой точностью.
Фланцевый тип устройства
Фланцевый тип массовых расходомеров называется так, из-за способа его соединения с процессорной установкой. Как понятно из названия — способ подразумевает наличие входных и выходных соединительных фланцев.
Области применения
Устройства способны измерить массовый расход, а также объем и плотность вещества (жидкости или газа) в трубопроводе. Такие счетчики незаменимы для многих сфер, среди которых:
- фармацевтическая промышленность;
- пищевая промышленность;
- сфера транспортировки и хранения нефтехимических продуктов;
- нефтяное, нефтедобывающее и нефтехимическое производства;
- химическая и газовая промышленность.
Спрос на кориолисовые преобразователи объясняется их метрологической стабильностью и точностью.
Применение в нефтяной и газовой отраслях
Важность нефтяной и газовой промышленности для отечественной экономики делает чрезвычайно актуальным вопрос измерения объемов их продукции. И счетчик кориолиса подходит для этого как нельзя лучше. Он может:
- производить замеры массового расхода нефтяной и газовой среды на магистральных и технологических участках нефте- и газопроводов;
- анализировать состав транспортируемой нефти на содержание в ней воды и газовых включений;
- измерять концентрацию и чистоту нефти.
Кроме сырой нефти, преобразователь измеряет массовый расход продуктов ее переработки: бензина, керосина, дизтоплива, мазута и других жидкостей.
Преимущества и недостатки кориолисовых счетчиков
Преимуществами этих расходомеров, из-за которых они пользуются хорошей репутацией, являются:
- Отсутствие потребности в прямолинейном участке для монтажа прибора, в отличие от других измерителей.
- Высокая точность фиксируемых параметров массового замера.
- Измерение массы, а также плотности перемещаемого вещества с использованием прямого метода.
- Возможность использования функции, которая позволяет, измеряя двухкомпонентную среду, определять массовую долю каждого составляющего компонента в отдельности.
- Практически полное отсутствие погрешности во время проведения замеров реверсивных потоков.
- Невосприимчивость к помехам и вибрациям.
- Возможность осуществления корректировок расходуемых объемов в зависимости от давления и температуры вещества.
- Встроенный набор стандартов HART с протоколом обмена, позволяющий осуществлять беспроводное и проводное подключение датчиков.
- Работа в диапазоне температур от −60 ℃ до +70 ℃.
- Способность самостоятельно осуществлять диагностику электронных блоков на предмет их неисправности.
- Наличие SD-карты, на которой сохраняются исходные настройки оборудования.
- Возможность настройки, проверки и передачи результатов измерения удаленно.
Недостатки массовых счетчиков заключаются в следующем:
- У этих приборов сравнительно сложная конструкция, которая делает их более дорогими в производстве.
- Их расходомерные трубки имеют ограничения в размере диаметра, так как рассчитаны на измерение среды, находящейся под высоким давлением.
Такие недостатки в полной мере компенсируются качеством работы массового расходомера.
Проверка и настройка приборов
Для того, чтобы прибор показывал стабильно точные результаты измерений, его необходимо проверять не реже 1 раза каждые 4 года. Процедура проверки включает:
- проверку работоспособности устройства;
- стендовую проверку на соответствие стандартам метрологии;
- изменение настроек в соответствии с актуальными требованиями и внесение их в память расходомера;
- запись данных о проверке в паспорт или оформление нового паспорта.
Для того, чтобы на контрольно-измерительное устройство не подвергалось воздействию помех, используются цифровые протоколы. Они снижают влияние фона и электромагнитных шумов на тракты, передающие сигнал от датчиков к процессору. Настройка фильтров, помогающих обработать сигнал, осуществляется с помощью специального программного обеспечения.