Измерение расхода жидкости

     Трубка  может быть изогнутой или прямой. Некоторые конструкции могут  быть самозаполняющимися, когда установлены  вертикально (рисунок 5-3). Когда расходомер состоит из двух параллельных трубок, поток разделяется на два потока на входе и соединяется в один на выходе. При использовании одной трубки (или соединенных последовательно двух трубок) поток в расходомере не разделяется. 

     

     Рис.

     В любом случае, привод заставляет трубки вибрировать. Электромагнитный привод состоит из катушки, соединенной с одной трубкой, и из магнита, соединенного с другой трубкой. На катушку подается переменный ток, который заставляет магнит периодически то притягиваться, то отталкиваться.

     Рассмотрим  подробнее это  явление. На проводник  с током, которым  является катушка, в магнитном поле (магнит) действует сила Ампера, равная произведению силы тока на векторное произведение элемента длины проводника на магнитную индукцию поля: dF=I[dl,B], где dF – элементарная сила Ампера, I – сила тока, dl – элемент длины проводника, В – индукция магнитного поля.

     Поскольку магнит и катушка жестко закреплены на разных трубках, то сила будет отталкивать  и притягивать трубки друг от друга  или друг к другу. Необходимым  условием является наличие переменного  тока в катушке, т.к. сила должна менять направление.

     Датчик  может определить положение, скорость или ускорение трубок. Если используются электромагнитные датчики, магнит и  катушка в датчике меняют свое положение друг относительно друга, во время того, как трубки вибрируют, вызывая изменение в магнитном поле катушки. Поэтому синусоидальное напряжение на катушке представляет собой движение трубок.

     Принцип действия электромагнитного датчика  основан на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1821 г. Это  явление заключается в возникновении индукционного тока, при движении катушки в постоянном магнитном поле или движении магнита (сердечника) внутри неподвижной катушки. Индукционный ток направлен по правилу Ленца, которое говорит, что индукционный ток имеет такое направление, чтобы его собственное магнитное поле противодействовало изменению магнитного потока. Закон Фарадея: э.д.с электромагнитной индукции в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_m сквозь поверхность контура: 

     E_инд= – dФ_m/dt 

     Когда поток отсутствует (в расходомере с двумя трубками) и происходит вибрация, различия в показаниях двух датчиков в точках B₁ и B₂ отсутствуют. Если есть поток жидкости и привод создает вибрацию трубок, то силы Кориолиса создают вторичную изгибающую вибрацию, которая проявляется в небольшой разнице фаз относительных движений трубок. Это обнаруживается датчиками в двух точках. Отклонение трубок, вызываемое силой Кориолиса, имеет место только в том случае, когда одновременно присутствует поток жидкости и вибрация трубок. Вибрация без потока или поток без вибрации не дают каких-либо показаний прибора.

     

     Рис 

     

     Рис 

     

     Рис 

     При одновременном снятии сигналов происходит смещение по фазе на Т. Это относительное запаздывание прямо пропорционально массовому расходу.

     Естественная  резонансная частота двухтрубной  конструкции зависит от геометрии, конструкционных материалов и массы всей конструкции (массы трубок и массы жидкости внутри трубок). Масса трубы постоянна. Так как масса жидкости есть ее плотность (D), умноженная на объем (который также постоянен), частота вибрации может быть обусловлена плотностью протекающей жидкости. Следовательно, плотность жидкости может быть определена путем измерения резонансной частоты колебаний трубок (заметим, что плотность жидкости может быть определена и в отсутствие потока, пока трубки заполнены жидкостью и колеблются).

     Толщина стенок трубок меняется значительно от модели к модели, но тем не менее, даже самая крепкая трубка будет иметь толщину меньше, чем у трубопровода. В дополнение во многих конструкциях используются трубки малого диаметра, что резко увеличивает скорость потока (от 1,5-3 м/c до более чем 7,6 м/с). Конструкции с большой толщиной стенки трубы и высокими скоростями потока требуют применение особых материалов из-за возникновения эрозии. Кориолисов расходомер должен быть сделан из особых материалов так как он подвергается коррозии, а также для предотвращения питтинга. Для трубопроводов обычно используются углеродистые и нержавеющие стали, так как допускается небольшое количество питтинга. Для расходомера даже незначительное количество питтинга недопустимо, так как стенки тонкие, а питтинг порождает концентрацию напряжении в конструкции, что может привести к ее разрушению. Поэтому стандартные таблицы коррозии (основанные на критерии потери веса) не годятся при выборе материалов для Кориолисова расходомера, и это должно быть учтено производителем.

     Например, уравнение для определения массового  расхода массовым кориолисовым расходомером RotaMASS имеет вид:

     

     Рис

     где,

     М = массовый расход

     A_c = амплитуда колебаний трубок при действии силы Кориолиса

     А_e = амплитуда вынужденных колебаний

     А_с/A_e = фаза

     S_k = постоянная прибора (калибровочная константа). S_k = S_k(20⁰С)(1+S_kt*(T-20⁰С))

     S_k(20⁰С) = постоянная прибора при 20⁰С.

     f_v = частота вынуждающих колебаний

     S_kt = поправочный коэффициент на температуру (константа, зависящая от материала)

     Уравнение для плотности сенсора RotaMASS: 

     

     Рис 

     где,

     p = плотность

     f_I(20) = частота вынуждающей силы при пустых трубках и температуре 20⁰С.

     f_v(20) = частота вынуждающей силы при заполненных трубках и температуре 20⁰С.

     KD = калибровочная постоянная для плотности

     f_v(20) = f_v (1+FKT*(T-20⁰С)) – температурная поправка для частоты вынуждающих колебаний

     FKT = температурный поправочный коэффициент, зависящий от материала и размера трубок.

 

     Другой  составной частью кориолисовой системы  измерения расхода  являются преобразователь  сигналов и контроллер, монтируемые на приборном  щите в операторной. Преобразователь  преобразует низкоуровневый сигнал сенсора в аналоговый сигнал 4-20 mА и частотный, выходные сигналы.

     По  частотному каналу идет информация о расходе, а аналоговые сигналы  программируются  на измерение плотности.

     На  контроллер кроме  массы продукта и  плотности заведены сигналы температуры продукта. Контроллер имеет выход через персональный компьютер на принтер для автоматической печати.

     Результатом обработки сигналов датчика будут:

• массовый расход;
• плотность;
• объемный расход;
• температура.

     Такие массовые расходомеры обеспечивают относительную погрешность измерений не более ±0,15%.

     Пределы относительной погрешности методов  измерения массы нефти и нефтепродуктов на узлах учета, в соответствии с  ГОСТ 26976 - 86 "Нефть и нефтепродукты. Методы измерения массы", должны быть не более: при прямом методе:

• ±0,5% - при измерении массы нефтепродуктов до 100 тн; при объемно-массовом динамическом методе:
• ±0,5% - при измерении массы нефтепродуктов от 100 тн и выше;
• ±0,8% - при измерении массы нефтепродуктов до 100 тн; при объемно-массовом статическом методе:
• ±0,5% - при измерении массы нефти и нефтепродуктов от 100 тн и выше;
• ±0,8% - при измерении массы нефтепродуктов до 100 тн; при гидростатическом методе:
 

• ±0,5% - при измерении массы нефтепродуктов от 100 тн и выше;
• ±0,8% - при измерении массы нефтепродуктов до 100 тн.

     Экономическая эффективность от внедрения массовых расходомеров на узлах учета нефти  и нефтепродуктов, при их отгрузке по трубопроводам, достигается за счет уменьшения относительной погрешности  измерения массы продуктов.

     Структурная схема измерения массового расхода

 

     

     Рис

     Эволюция  кориолисовых расходомеров

 

     Первое  поколение кориолисовых расходомеров представляло собой в основном конструкцию, состоящую из одной U-образной тонкостенной трубки, в которой высокие скорости потока достигались уменьшением поперечного сечения по сравнению с трубопроводом. Отклонение трубки определялось относительно одной точки. При вибрации трубки в точках закрепления создавались изгибающие силы с большой амплитудой. Это подвергало вибрации всю конструкцию. Эта проблема была решена использованием двухтрубной конструкции.

     Такая конструкция снизила внешнюю  вибрацию и уменьшила затрачиваемую  энергию. Один привод использовался для инициирования вибрации трубок, и два датчика обнаруживали кориолисовое отклонение. Недостаток такой конструкции заключается в том, что сочетание уменьшенного поперечного сечения, тонкостенной трубки и высоких скоростей потока (до 15,2 м/с), приводило к преждевременной поломке прибора, включая наличие подтеков и проливов при работе с агрессивными средами.

     Последующие усовершенствования конструкции заключались  в изменении формы трубок, включая  те, которые не разделяют поток (figure 5-3B) и те, что имеют несколько приводов (figure 5-5A). Использовались толстостенные трубки (толщина стенок в пять раз больше, чем в предыдущих конструкциях).

     В некоторых расходомерах изгибающие напряжения были заменили на скручивающие для предотвращения концентрации напряжений, которые могут привести к разлому  труб (figure 5-5B). 

     

     Рис 

     Эти усовершенствования увеличили количество производителей и содействовали развитию кориолисовых расходомеров нового поколения, которые также надежны и износостойки, как объемные расходомеры. Современные расходомеры работают с низкими скоростями потока (менее 3 м/с) и низким падением давления, могут быть установлены в любом положении и имеют большой срок службы при работе с вязкими и агрессивными средами. Трубки нагружают с учетом их предела выносливости и обычно изготавливают из нержавеющей стали, Hastelloy и титана.

     Hastelloy это торговая марка серии высокопрочных, коррозионно-стойких сплавов на основе никеля. Также они включают молибден и хром. Отлично подходят для химических целей. Имеют великолепное сопротивление питтингу, коррозионному растрескиванию и окислению до температуры 1037 ⁰С. Температура плавления 1325-1370 ⁰С.

     Некоторые особенности применения

     кориолисовый  расходомер жидкость массовый расход

     Действие  силы Кориолиса на вибрирующую трубку незначительно. Полномасштабный поток  может создать отклонение не более  чем 0,025 мм. Для достижения отношения максимального расхода к минимальному, равного 100:1, датчики должны обнаруживать отклонения с точностью до 0,000025 мм в промышленной среде, где давление в трубопроводе, температура и плотность жидкости изменяются, и где вибрация трубы создает помехи измерению.

     Гибкость (эластичность) металлических труб зависит от температуры; с увеличением  температуры она увеличивается. Для устранения связанной с этим погрешности измерения температура  трубы непрерывно измеряется термометром  сопротивления (RTD element) и используется для компенсации изменения эластичности трубы.

     Кориолисовы массовые расходомеры обычно калибруются  на воде. Калибровка по плотности обычно производится заполнением трубок двумя  или более калибровочными жидкостями (скорость потока равна нулю), плотность которых известна.