Det tekniske hjørne – Coriolis masseflowmåler

Skrevet af Morten B. Jensen, Manager, Instrumentation, KLINGER Danmark

Svaret giver sig selv, og forklarer også fordelene ved at måle masseflow fremfor volumenflow; Målingen er uafhængig af ændringer i volumen – dvs. uafhængig af temperatur- og tryk variationer uanset produktets beskaffenhed.

Et legemes masse på jorden bestemmes normalt ved at veje det, men masse kan også bestemmes ved at måle den acceleration som legemet påvirkes af fra en ekstern kraft.

Grundlaget for dette er Newtons 2. lov om bevægelse: “Kraft = masse x acceleration”.

Sådan fungerer en Coriolis flowmåler

Når man vil måle masseflow af væsker i rør, er det vanskeligt at lave en aktuel måling, da en accelerations måling er forholdsvis svær at udføre. På den baggrund bliver masseflow normalt beregnet ud fra flow hastigheden, i det der korrigeres for densiteten (tryk og temperatur). Mange forskellige måleprincipper er afprøvet i forsøget på at bestemme masseflow v.hj.a. kraft og acceleration, men kun et princip er accepteret indenfor industrien til masseflowmåling. Princippet bygger på et gyrostatisk princip sammen med Coriolis accelerationen eller corioliskraften.

I alle systemer der roterer om en akse, bliver der genereret en Corioliskraft, når et legeme bevæger sig radiært i systemet. Hvis et legeme (massen) placeret på en skive, bevæger sig fra centrum og ud til kanten, kan det kun bevæge sig den korteste vej ved at »læne« sig op ad den kraft, der prøver at presse legemet væk fra den lige vej. Det er Coriolis accelerationen der danner kraften, som legemet »læner« sig mod.

Fc = m ( 2v_r w )

Hvor

Fc er Coriolis kraften

m er massen

v_r er flowhastigheden

w er oscillations frekvensen

Tidlige målerdesign var baseret på to parallelle U-bøjede rør, der vibrerede ved deres egen resonansfrekvens. Lineære variable differential transformere (LVDT) blev brugt som pick-up sensorer.

Sensorerne placeredes på indløbs- og udløbssiden, så de kunne detektere bevægelsen af indløbs- og udløbssektionen, hvorfra signalerne sendtes videre til et kredsløb, som målte tidsforskellen mellem

de to oscillatorer – tidsforskellen er proportional med masseflowet. Bøjede, S-formede eller drejede rør anvendes til mekanisk at forstærke tidsforskellen mellem to målte oscillationer. Bøjede rør har dog en relativ høj masse, hvilket resulterer i at systemerne vil arbejde med en forholdsvis lav vibrationsfrekvens, typisk mellem 80 og 100 Hz. Den lave frekvens gør måleren følsom overfor rørvibrationer, der som oftest opstår i området under 100Hz, og det kan derfor give anledning til nulpunktsdrift og hermed målefejl (ofte viser måleren flow, når der ikke er det).

Designmæssigt har denne type af Coriolismålere store fysiske dimensioner, ligesom de bøjede rør giver større tryktab, der reducerer flowmængden og øger energiforbruget til pumpning

I mere moderne design imødekommer man foranstående problemer ved at benytte induktive sensorer placeret i ind- og udløb på et lige målerør til detektion af et faseskift. Systemet fungerer som følger:

Ved excitation, bliver et lige målerør bragt i resonanssvingninger. Når der ikke løber produkt gennem måleren vil ind- og udløbssensoren være i fase, men ved en flow vil partiklerne få en lodret acceleration. Den energi partiklerne modtager fra det oscillerende målerør vil dæmpe vibrationerne på indløbssiden, mens partikler der passerer gennem målerøret vil den give den optagne energi tilbage til målerøret, og herved forstærke svingningerne af målerøret på udløbssiden. De to sensorer benyttes nu til at måle faseskiftet, der er direkte proportionalt med masseflowet.

Systemet arbejder med en relativt høj resonansfrekvens – højere end 600 Hz, hvilket giver ekstrem kort responstid ved flowændringer og samtidig bliver målesystemet immunt overfor industrielle vibrationer (typisk 50-100 Hz).

Der findes i dag flere ”ligerørs” design – både med et og 2 målerør – hvilket princip der anvendes til den aktuelle opgave er et spørgsmål om mediets egenskaber og prisen.

Kan erstatte vejesystemer

Coriolis masseflowmåleren stiller ikke krav til rørlængder før – og efter måleren (Ingen lige rørstrækning er påkrævet), ligesom princippet er uafhængigt af flowparametre såsom: densitet, viskositet og temperatur. Imidlertid kan den ikke bruges til at måle på multifaseflow, ligesom der kun kan måles medier med et vist gas/luft indhold (i dag er det muligt at benytte specielle Coriolis målere der kan håndtere dette).

Coriolis masseflowmålere kan uden problemer erstatte vejesystemer i batch- og doseringsprocesser. Det giver brugeren et in-line vejesystem med mange fordele, f.eks. kontinuerlig vejning, nem rengøring og relativ lave installationsomkostninger i forhold til et vejecellesystem.

Flowmåling og tørstofbestemmelse

Måling af masseflow med stor nøjagtighed, i enheder som kg/h og tons/h er en selvfølge, men til mange måleopgaver er det pr tradition mere anvendeligt når der arbejdes med volumenenheder, som f.eks. l/h eller m3/h. I Coriolis masseflowmåleren er der mulighed for enten at benytte den målte vægtfylde som reference – og dermed få en “sand” volumenmåling – eller benytte en fast værdi – og dermed få et udtryk for standard volumen flowet, hvor der refereres til faste standardbetingelser.

Måles på medier bestående af 2 produkter, som f.eks. vand/sukker, hvor vægtfylden af det ene produkt er kendt, kan mængden af de to produkter separeres, og masse- eller volumenflowet af de enkelte faser registreres.

Coriolis masseflowmåleren giver også mulighed for kontinuerlig at måle blandingsforholdet mellem de to produkter, således at den aktuelle blandingsprocent direkte kan udlæses.

Temperaturmåling

For at øge målenøjagtigheden på flere af de andre målinger er der normalt indbygget en automatisk temperaturkompensation, i form af en PT100 føler, i målesystemet. Transmitteren lineariserer signalet i målerens anvendelsesområde (typisk -50^oC til +200^oC), og signalet kan selvfølgelig benyttes, f.eks. til at regulere væskens temperatur.

Vægtfylde- og afledte målinger

Kontinuerlig vægtfyldemåling anvendes i mange sammenhænge, og kan være en afgørende parameter i forbindelse med optimering af processen.

Coriolis masseflowmåleren er fra fabrikken vægtfylde kalibreret, men der mulighed for øge nøjagtigheden betydeligt (helt ned til +/- 0,001kg/l) ved at lave en kalibrering på det aktuelle målested.

In-line kalibreringen udføres bedst som en to punkts kalibrering, enten med assistance fra laboratoriet, eller med to kendte reference væsker. Vægtfylde måles i mange forskellige enheder, som dog alle afledes

af den temperatur kompenserede standard vægtfylde.

I Coriolis masseflowmåleren måles den aktuelle vægtfylde direkte, hvilket giver mulighed for at udlede “branche relaterede” målinger som:

• ^oBRIX-måling, der er et mål for sukkerindholdet i en given opløsning. Enheden benyttes primært indenfor fødevareindustrien.
• ^oAPI-måling, er en vægtfylde enhed der specielt anvendes indenfor den petrokemiske industri til olieprodukter.
• ^oBAUME-måling, benyttes primært til at kategorisere sure opløsninger, som f.eks. jernklorid opløsninger. I praksis benyttes to BAUME skalaer, én for opløsninger tungere end vand,og én for væsker lettere end vand.
• %Alkohol-måling, er en tofase måling der angiver forholdet mellem vand og alkohol i produktet.
• %Black liquer måling, er en tofase måling der specielt anvendes indenfor papirindustrien. Målingen angiver forholdet mellem vand og sort