Przepływomierze Coriolisa – technologia uniwersalna?

Możliwości obecnych urządzeń mogą sprawić, że będą one jednymi z najbardziej wszechstronnych urządzeń w zakładzie.

Przepływomierzy Coriolisa używa się od ponad 20 lat – na początku postrzegano je jako skomplikowaną technologię, nadającą się tylko do ograniczonych zastosowań związanych z pomiarem przepływu masowego. Wiele się jednak od tamtego czasu zmieniło. Dziś mierniki Coriolisa wykorzystuje się na szeroką skalę do pomiaru masowego przepływu cieczy i gazów, ale także do pomiaru gęstości, temperatury i lepkości. Wszystkie te pomiary wykonuje się za pomocą jednego urządzenia, bez potrzeby stosowania dodatkowych urządzeń czy linii próbkowania, co upraszcza systemy pomiarowe i zmniejsza koszty cyklu życia.
Dzięki jednoczesnemu pomiarowi wielu zmiennych, mierniki Coriolisa sprawdzają się w szerokim zakresie zastosowań, w tym nadzorowanym pomiarze przepływu, pomiarach ciężaru i analizie zawartości substancji.
Czy wszystko to sprawia, że mierniki Coriolisa to naprawdę uniwersalna technologia do pomiaru przepływu i innych związanych z tym pomiarów?
Garść informacji na temat mierników Coriolisa
Podstawowy miernik Coriolisa składa się z dwóch lub jednej rury pomiarowej (rys. 1) zamontowanej w taki sposób, że może wibrować. System pomiarowy ma wewnętrzny napęd lub jest pobudzany w taki sposób, by oscylował ze swoją częstotliwością rezonansu. Czujniki elektrodynamiczne połączone z rurą pomiarową monitorują częstotliwość drgania rury i różnicę w przesunięciu fazowym sygnału między odcinkiem wejściowym i wyjściowym.
Przy przepływie zerowym, tzn. wtedy, gdy płynne lub gazowe medium nie płynie, nie odbywa się ruch liniowy i w związku z tym z medium na rurkę nie są przenoszone żadne siły. Mówi się, że układ pomiarowy znajduje się w fazie.
Gdy tylko medium zacznie płynąć, ruch wywołany przez oscylującą rurę pomiarową nakłada się na liniowy ruch płynącego medium. Powoduje to powstanie niesymetrycznej siły, tzw. siły Coriolisa, za sprawą której rurka pomiarowa się skręca.
Czujniki elektrodynamiczne na odcinku dolotowym i wylotowym rejestrują przesunięcie fazowe, czyli w zasadzie zmiany położenia w czasie. Jeśli chodzi o czas, przesunięcie fazowe jest wprost proporcjonalne do szybkości przepływu masowego.
Mierniki Coriolisa mierzą przepływ masowy z maksymalną dokładnością wynoszącą ±0,05% i wysokim stopniem liniowości w szerokim zakresie rozdzielczości, czego niemal żadna inna technologia pomiaru przepływu nie jest w stanie zapewnić. Z tego powodu mierniki Coriolisa wykorzystuje się przy pomiarze nadzorowanym, kalibracji i w wielu innych zastosowaniach, w których decydujące znaczenie ma dokładny pomiar przepływu masowego.
Więcej niż tylko przepływ masowy
Miernik Coriolisa działa ze swoją częstotliwością rezonansu, która zależy od całkowitej masy rury i medium. Umożliwia to miernikowi obliczenie gęstości medium na podstawie zmierzonego sygnału częstotliwości. Nowoczesne mierniki Coriolisa wyposażone są także w czujnik temperatury, który określa faktyczną temperaturę rury pomiarowej. Wykorzystuje się to do kompensacji związanych z temperaturą efektów mechanicznych, takich jak rozszerzanie się rury, co poprawia stabilność miernika w zmieniających się warunkach procesowych.
Pomiar lepkości można wykonać w czujniku Coriolisa wyposażonym w jedną rurkę, ponieważ wewnętrzne przetworniki monitorują i kontrolują moc niezbędną do zachowania skrętnego ruchu rurki pomiarowej. Skrętna oscylacja rury pomiarowej wytwarza siłę ścinającą działającą na płynne medium, zależną od lepkości płynu. Jako że siła ścinająca zmienia prąd napędzający płynący przez układ, można na tej podstawie obliczyć lepkość.
Wykorzystywanie technologii Coriolisa do pomiaru lepkości in-line ma kilka zalet w porównaniu ze stosowaniem oddzielnego lepkościomierza, w tym zmniejszenie liczby niezbędnych urządzeń pomiarowych, zapewnienie wolnej od przeszkód drogi przepływu i wyeliminowanie elementów ruchomych związanych z sondami obrotowymi lub wibracyjnymi. Mierniki Coriolisa mogą także dokonywać precyzyjnego pomiaru lepkości w procesach, w których istotny jest czas lub siła ścinająca (rysunek 2).
Ponieważmiernik Coriolisa dokonuje pomiaru kilku zmiennych, można na tej podstawie określić inne zmienne procesowe. W tym celu uwzględnia się rozmaite właściwości medium poddawanego pomiarowi. Na przykład stężenie (rysunek 3) można wyliczyć z tabeli dotyczącej danego medium, jeśli tylko zna się gęstość. Inne wyliczane zmienne to między innymi:

  • znormalizowany pomiar gęstości względem określonych referencji temperaturowych,
  • pomiar ciężaru właściwego/Baume produktów lekkich lub ciężkich,
  • zawartość procentowa ciał stałych lub objętość procentowa i pochodne masy,
  • stopnie Brix w ICUMSA dla rozpuszczonej sacharozy,
  • stopnie Plato dla piwa lub przemysłu piwnego,
  • skala Ballinga dla produkcji wina,
  • pomiar zawartości alkoholu dla destylatorów wg TTB Gauging Handbook,
  • zawartość procentowa ługu czarnego – przemysł celulozowo-papierniczy,
  • ciężar dla cieczy innych niż woda w przemyśle naftowym,
  • analiza zawartości etanolu, metanolu, ropy naftowej i wody.

Jednoczesny pomiar wielu zmiennych i obliczanie związanych z nimi zmiennych procesowych często eliminuje konieczność stosowania dodatkowych specjalistycznych urządzeń, punktów próbkowania, kondycjonowania próbki, analizy laboratoryjnej i modelowania procesu. Wszystkie te podzespoły i procedury może zastąpić jeden miernik Coriolisa.
Pomiar przepływu gazu
Miernik Coriolisa mierzy masowy przepływ gazu, który może przeliczyć na skorygowane wartości objętości, takie jak metry sześcienne na minutę. Do przeliczenia niezbędna jest znajomość standardowej lub wzorcowej gęstości gazu, którą można znaleźć w tabeli. Wartość tę wprowadza się do przepływomierza Coriolisa jako wartość stałą. Nie jest potrzebny pomiar ciśnienia ani temperatury z innych czujników, więc ogólnie rzecz biorąc, miernik Coriolisa jest łatwiejszy w użyciu i często kosztuje mniej niż inne typy przepływomierzy gazowych.
Może pojawić się problem, gdy zmieni się skład gazu, jako że zmieni się także współczynnik konwersji. Jednym z rozwiązań dla zastosowań o krytycznym znaczeniu jest stosowanie chromatografu gazowego do obliczania składu w czasie rzeczywistym, a następnie wykorzystanie przelicznika gazowego do korygowania wyjścia masowego miernika Coriolisa stosownie do gęstości składu.
Przemysł gazu ziemnego przyzwyczajony jest do zmieniającego się składu chemicznego gazu i niektórzy użytkownicy po prostu ignorują ten problem. Zakładają oni, że zmiany składu równoważą się wzajemnie, dając w rezultacie stałą wartość i stosują współczynnik konwersji, opierając się na tym założeniu. Innym wyjściem jest stosowanie wartości przepływu masowego, takiej jak kilogramy na minutę zamiast metrów sześciennych na minutę.
Uniwersalny miernik?
W przypadku wielu zastosowań uważa się, że mierniki Coriolisa są najdokładniejszymi przepływomierzami dostępnymi w handlu i z pewnością najdokładniejszymi urządzeniami do pomiaru przepływu masowego. Dokonując bezpośrednich pomiarów przepływu masowego, miernik Coriolisa eliminuje konieczność kompensacji innych zmiennych procesowych, takich jak temperatura, ciśnienie, gęstość, lepkość i profil przepływu. Żaden inny typ przepływomierza nie jest w stanie zapewnić możliwości przeprowadzania pomiaru przepływu masowego, przepływu wolumetrycznego,przepływu całkowitego, gęstości, lepkości i temperatury.
Przepływomierze wolumetryczne są tańsze od mierników Coriolisa w przypadku wielu zastosowań, ale mogą tylko mierzyć przepływ objętościowo w przeciwieństwie do pomiaru wagowego. Aby obliczyć szacunkową wagę medium, miernik wolumetryczny musi polegać na wygenerowanych przez użytkownika wartościach gęstości. Wyliczona w ten sposób wartość przepływu masowego nie jest tak dokładna, jak pomiar wykonany za pomocą przepływomierza masowego, a różnica jest często znaczna.
Niezawodność mierników Coriolisa można kwestionować. Na przykład mierniki te mogą nie zapewnić doskonale dokładnej niepewności pomiaru w przypadku przepływu dwufazowego, zazwyczaj połączenia dwóch mediów, takich jak gaz i ciecz. Problemy może powodować powietrze dostające się do instalacji, a więc sytuacje, w których źródło cieczy może się wyczerpać i do rur dostanie się powietrze – jak się to zdarza przy rozładunku cystern – co może sprawić, że starszego typu mierniki Coriolisa po prostu się wyłączą. Większość nowoczesnych, zaawansowanych technicznie mierników Coriolisa ma wbudowaną „inteligencję” i nieźle sobie radzi z zapowietrzeniem.
Procesy okresowe były kolejnym źródłem problemów dla mierników Coriolisa. W procesie takim miernik zaczyna pracę „na sucho”, otrzymuje medium i dokonuje jego pomiaru, a następnie ma do czynienia z przerywanym dopływem substancji i bąbelkami na koniec serii. Często niezbędne było stosowanie pętli recyrkulacyjnych, by miernik był zawsze wypełniony medium. Współczesne mierniki Coriolisa zaprojektowano tak, by radziły sobie z tego typu problemami i są one w staniezapewnić powtarzalne rezultaty.
Mierniki Coriolisa mają z przyczyn praktycznych ograniczoną wielkość maksymalną i rzadko kiedy produkowane są w wersjach z rurami większymi niż 300 mm, ale większość jest mniejsza. Z drugiej strony, dostępne są wersje z rurkami o średnicy 1 mm i mniejszymi do bardzo małych prędkości przepływu, często poniżej 0,045 kg/min lub 0,04 litrów wody na minutę. Inne problemy, które mogą negatywnie wpłynąć na pracę mierników Coriolisa, to m.in.:

  • niedopuszczalny spadek ciśnienia, powszechny problem w przypadku wielu typów przepływomierzy,
  • pod wysokim ciśnieniem, o wysokiej temperaturze, ścierające i/lub żrące, nieodpowiednie do konstrukcji czujnika i dostępnych materiałów,
  • kawitacja w przypadku pracy pod ciśnieniem pary cieczy,
  • duża ilość dostarczanej energii, sprzeczna z dotyczącymi bezpieczeństwa wymaganiami w strefach niebezpiecznych,
  • zbyt duża prędkość, która może doprowadzić do awarii czujnika spowodowanej zmęczeniem materiału.

Zastąpienie innych urządzeń pomiarowych
Nawet jeśli weźmie się pod uwagę wspomniane wyżej problemy, w wielu zastosowaniach związanych z pomiarami procesowymi mierniki Coriolisa często okazują się najlepszym wyjściem. Mierniki te mogą dokonywać pomiaru przepływu w wielu typach mediów, w tym w  środkach czyszczących, rozpuszczalnikach, paliwach, olejach roślinnych, tłuszczach zwierzęcych, lateksie, olejach silikonowych, alkoholu, roztworach soków owocowych, paście do zębów, occie, keczupie, majonezie, gazach, gazach skroplonych, gazie ziemnym i parze wodnej.
Zanim rozpoczął się niedawny kryzys gospodarczy, sprzedaż mierników Coriolisa rosła w tempie 12% rocznie. Powodem tego był szeroki zakres możliwych zastosowań, rosnący stopień akceptacji wśród użytkowników końcowych i zastosowanie w przypadkach, w których wcześniej stosować można było wyłącznie inne typy mierników.
Na przykład mierniki Coriolisa coraz częściej wykorzystuje się do nadzorowanego transportu płynów ropopochodnych, zazwyczaj zastępując nimi mierniki wypornościowe.
Teraz mierniki Coriolisa stosuje się często zamiast densytometrów i lepkościomierzy, jako że przeprowadzają one te pomiary wraz z przepływem masowym i temperaturą. Używanie jednego miernika do jednoczesnego pomiaru większej liczby zmiennych skraca czas instalacji i może zmniejszyć koszty początkowe i koszty cyklu życia projektu.
Przepływ masowy często mierzy się za pomocą różnych typów urządzeń wagowych, jednak może to być problematyczne, zwłaszcza w procesach o charakterze ciągłym. Mimo że istnieją metody ciągłego pomiaru wagi płynącego medium, większość z nich jest nieporęczna i kosztowna w porównaniu z miernikiem Coriolisa.
Zastosowanie technologii cyfrowego przesyłu danych między miernikiem i systemem kierowania odblokowuje dostęp do wszystkich zmiennych i informacji diagnostycznych dostarczanych przez miernik Coriolisa. Protokoły cyfrowe takie jak EtherNet/IP pozwalają użytkownikom wysyłać zapytania bezpośrednio do sterowników przemysłowych spoza systemu sterowania. Zastosowanie standardowego protokołu wykorzystującego Ethernet zmniejsza koszt integracji, szkolenia i elektroniki, zapewniając „przezroczystość” urządzeń.
Współczesne czujniki Coriolisa to technologia prawdziwie „inteligentnych” mierników, umożliwiająca konserwację proaktywną, gdyż parametry diagnostyczne są monitorowane w czasie rzeczywistym w celu określenia skutków procesu. Jest to korzystne w wielu przypadkach, np. po oczyszczaniu lub w celu ustalenia wpływu procesu na czujnik za sprawą pokrycia go materiałem lub tworzenia się złogów. Konserwacja proaktywna może wydłużyć czas działania, prowadząc do znacznych oszczędności.
W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci w miernikach Coriolisa wprowadzono wiele ulepszeń – zmniejszono koszty, poprawiono niezawodność i zwiększono dokładność. Udoskonalenia te rozszerzyły zakres odpowiednich zastosowań, dzięki czemu mierniki te mogą zastąpić nie tylko inne przepływomierze, ale także inne urządzenia.
Jerry Stevens jest starszym kierownikiem ds. produktów i działalności w firmie Endress+Hauser z Greenwood, Indiana.
CE

Grzegorz Rudnicki, Flow Product Manager, Endress+Hauser Polska

Kto czyta, nie błądzi

Przepływomierze Coriolisa zdobyły sobie uznanie również na naszym rodzimym rynku. Są one coraz częściej stosowane w aplikacjach, w których jeszcze 2−3 lata temu w ogóle nie były brane pod uwagę. O ile wcześniej przepływomierz Coriolisa spotykany był w zasadzie tylko w chemii i petrochemii, to obecnie chętnie stosowane są w przemyśle spożywczym, spotyka się je nawet w oczyszczalniach ścieków. Ważnym czynnikiem skłaniającym użytkowników do wykorzystania przepływomierzy Coriolisa są zagadnienia Inline Quality Control, czyli kontroli jakości w procesie. Jednoczesny pomiar przepływu, gęstości, temperatury, stężenia, °Brix, °API, a nawet lepkości w przypadku przepływomierza Promass 83I, pozwala utrzymywać wysoką jakość produkcji, mając jednocześnie ciągły podgląd krytycznych parametrów. Dzięki temu zakłady produkcyjne mogą zminimalizować straty produkcyjne spowodowane np. niespełnieniem wymogów jakościowych.
Pomimo tego, iż wielu producentów specyfikuje wysokie dokładności pomiarowe swoich przepływomierzy Coriolisa, trzeba uważnie przeglądać ich dokumentację. Ważne bowiem jest, by przyrząd gwarantował ją w szerokim zakresie parametrów procesowych, a nie tylko w warunkach referencyjnych. Zmiany temperatury, ciśnienia czy gęstości w przypadku jednych przyrządówbędą miały niewielkie znaczenie, a w przypadku innych wpływ ten będzie powodował bardzo duże pogorszenie dokładności. Niestety te parametry są na etapie wyboru przepływomierza przez użytkowników i projektantów bardzo często pomijane, a szkoda.

Witold Nantka, Product Sales Manager, Newtech Engineering

Mierniki Coriolisa uniwersalne, ale…

Metoda pomiaru z wykorzystaniem prawa Coriolisa to metoda charakteryzująca się wieloma technicznymi zaletami. Jednakże, jak każda z metod pomiaru przepływu, ma ona również pewne wady, o których należy zawsze pamiętać:

  • przepływomierz Coriolisa to urządzenie o dość znacznych gabarytach (w porównaniu do innych urządzeń spełniających to samo zadanie)  i w związku z tym możliwości jego instalacji są czasem znacznie ograniczone;
  • z uwagi na samą zasadę działania czas odpowiedzi urządzenia jest dość wysoki. Dla przykładu przepływomierz turbinowy znacznie szybciej reaguje na zmiany przepływu niż Coriolis. Dla aplikacji szybkozmiennych stanowi to poważny problem;
  • dokładność pomiaru rzędu ±0,05% jest wartością teoretyczną, bardzo trudną do uzyskania w warunkach przemysłowych;
  • wykorzystanie przepływomierzy Coriolisa dla mediów lotnych jest teoretycznie możliwe, lecz praktyczne zastosowanie wymaga bardzo wysokich ciśnień w instalacjach. Ponieważ ciężar właściwy gazu jest relatywnie mały w porównaniu z ciężarem rurek urządzenia, przepływ nie jest możliwy do detekcji i zmierzenia przy niskich zakresach ciśnień.

Przepływomierz Coriolisa jest doskonałym urządzeniem pomiarowym charakteryzującym się szeregiem zalet, ale niepozbawionym wad. Najważniejszym aspektem w dalszym ciągu pozostaje dokładne poznanie danej aplikacji i dobranie odpowiedniego urządzenia wg jej wymagań. Ciągłe wykorzystywanie innych urządzeń pomiarowych wynika z faktu ich dopasowania do pewnej grupy produktu czy aplikacji. A jednym z podstawowych zadań producentów urządzeń pomiarowych jest pomoc  w dokonaniu właściwego wyboru.