1 / 2003 - strona startowa

PRZEPŁYWOMIERZE MASOWE CORIOLISA

dr inż. Piotr Dworak
PGNIG

Wstęp

W ostatnich latach pojawiło się bądź rozpowszechniło tak wiele nowych technik pomiaru przepływu, skutecznie wygrywających ze stosowanymi dotychczas rozwiązaniami opartymi najczęściej na metodach wykorzystujących pomiar spadku ciśnienia, objętości wypartego medium lub turbinę, że można dziś mówić o przełomie w technikach pomiaru przepływu. Do tych rozwijających się metod pomiaru należy zaliczyć pomiar przepływu masowego wykorzystujący efekt Coriolisa.

Działanie przepływomierza oparte jest na zjawisku opisanym w 1835 roku przez francuskiego inżyniera i matematyka Gustawa Gasparda Coriolisa. Polega ono na pozornym zakrzywianiu się toru ruchu ciała poruszającego się w wirującym układzie współrzędnych. Odchylenie toru ruchu ciała w takim układzie zależy od prędkości ruchu ciała i prędkości wynikającej z ruchu wirowego układu odniesienia. Zjawisku temu towarzyszy siła bezwładności nazywana siłą Coriolisa. Powyższe zjawisko ma fundamentalne znaczenie w astronomii, meteorologii i oceanografii pozwalając wyjaśnić między innymi powstawanie stałych wiatrów i prądów morskich. Na co dzień możemy obserwować efekt działania siły Coriolisa w postaci formowania się leja wodnego przy odpływie podczas opróżniania wanny.

W roku 1977 pojawiły się pierwsze przemysłowe przepływomierze masowe, wprowadzone przez firmę Micro Motion, która do dziś wyznacza drogę rozwoju technologii pomiaru przepływu masowego. W ofercie tej firmy znajdują się przepływomierze masowe Coriolisa pozwalające na pomiar przepływów o górnej granicy zakresu do 680 t/h, wykorzystywane powszechnie na instalacjach w przemyśle petrochemicznym i rafineryjnym, w Polsce np. w PKN Orlen. W przypadku pomiaru gazu ziemnego zakres pomiarowy (zależnie od ciśnienia gazu) może wynieść około 100 tys. normalnych m3/h (przy ciśnieniu 101,325 kPa i temperaturze 273,15 K).

Szybkiemu wzrostowi liczby przepływomierzy Coriolisa towarzyszy ich dalsze udoskonalanie techniczne. Podczas gdy jeszcze kilka lat temu stosowane były jedynie do pomiarów cieczy i zawiesin, obecnie przepływomierze Coriolisa znalazły zastosowanie również w pomiarach gazów, w tym w rozliczeniowych pomiarach gazu ziemnego. Przepływomierze Coriolisa dokonują pomiaru strumienia masy, co stanowi jedną z ich głównych zalet.

Masa jest sposobem wyrażania ilości medium często stosowanym do rozliczeń. W przeciwieństwie do objętości, masa medium jest niezmienna w funkcji ciśnienia i temperatury, nie jest więc konieczne określanie warunków odniesienia, dokonywanie pomiarów ciśnienia i temperatury oraz obliczeń korygujących objętość. Ze względu na eliminację czynności wnoszących błędy zastosowanie pomiaru masy pozwala na poprawę dokładności bilansowania. Dzięki zasadzie pomiaru możliwe jest mierzenie różnych mediów za pomocą tego samego przepływomierza i brak konieczności znajomości rodzaju i składu medium dla otrzymania poprawnych wyników pomiaru.

Chociaż współcześnie bywa stosowana termiczna metoda pomiaru masy oparta na proporcjonalności ilości odbieranego ciepła do ilości przepływającego medium, to jednak ze względu na wrażliwość tej metody na zmianę składu medium jest ona w praktyce ograniczona do mediów o stałym i znanym składzie.

Powszechny sposób wyznaczania masy medium, jakim jest przeliczenie objętości na masę przy znanej gęstości medium wymaga pomiaru gęstości medium za pomocą gęstościomierza lub obliczenia gęstości w oparciu o znajomość jego składu i warunków pomiaru, co stanowi dodatkowe źródło błędów.

Zasada działania przepływomierzy Coriolisa

Zasada działania przepływomierzy opiera się na pomiarze odkształcenia rury z płynącym medium wywołanego przez siłę Coriolisa. Wartość siły i powodowanego przez nią odkształcenia jest proporcjonalna do prędkości ruchu i gęstości medium. Tym samym odkształcenie rury z medium jest proporcjonalne do przepływającego przez nią strumienia masy medium.

Dla celów pomiaru rura z medium wprawiana jest w swobodne drgania sinusoidalne, których częstość wynika z częstości drgań własnych układu masowosprężystego przepływomierza, tj. rury wypełnionej medium, rys.1a. W praktyce częstość drgań rury przepływomierza wynosi od kilkudziesięciu do kilku tysięcy herców, zależnie od modelu i gęstości medium, a ich amplituda nie przekracza zwykle dziesiątych milimetra.

W czasie przepływu medium siła Coriolisa działając na drgającą rurę tak jak na rys.1b powoduje jej odkształcenie w sposób pokazany na rys.1c. Odkształcenie rury jest mierzone jako przesunięcie fazowe drgań przez nieruchome względem drgającej rury cewki elektromagnetyczne, rejestrujące zmiany pola magnetycznego od magnesów naklejonych na rurę przepływomierza. Przesunięcie fazowe sygnałów cewek jest proporcjonalne do odkształcenia rury powodowanego przez strumień masy medium. Masa przepływającego medium jest wyliczana w wyniku całkowania strumienia w czasie. Zmiana kierunku przepływu powoduje zmianę kierunku odkształcenia rury, co pozwala określić kierunek przepływu medium.

Częstość drgań rury przepływomierza Coriolisa wypełnionej medium jest odwrotnie proporcjonalna do gęstości medium. Pomiar gęstości medium może być realizowany przez przetwornik przepływomierza jako opcja. Pomiar gęstości jest stosowany między innymi do celów technologicznych, np. śledzenia zmian jakości medium lub wykrywania interfejsów, np. zmiany gatunku transportowanej ropy, co jest możliwe ze względu na dokładność pomiaru rzędu dziesiątych kg/m3. Na częstotliwość drgań własnych przepływomierza ma wpływ sztywność jego rury. Rozszerzalność cieplna rury powoduje zmiany jej sztywności. Układ kompensacji tych zmian wykorzystuje zintegrowany z rurą czujnik temperatury. Wartość temperatury jest opcjonalnie dostępna w przetwornikach przepływomierzy i bywa wykorzystywana np. do potwierdzania temperatury nalania medium do cysterny w przypadku mediów krzepnących w niższych temperaturach.

Główną zaletą przepływomierzy Coriolisa jest ich wysoka dokładność, dochodząca do 0,1% masy (dla gazów kilka dziesiątych procenta), wysoka powtarzalność i szeroki zakresu pomiaru natężenia przepływu. Istotna jest także możliwość dokonywania pomiarów w obu kierunkach z zachowaniem zwrotu, tj. prawidłowego zliczania wydawania i przyjmowania medium, co nie jest możliwe w przypadku wielu typów przepływomierzy, np. zwężek pomiarowych, turbin i przepływomierzy wirowych.

Brak wymagań co do profilu przepływu medium sprawia, że przepływomierze Coriolisa mogą być stosowane bez odcinków prostych przed i za przepływomierzem oraz prostownic strumienia, co obniża koszt i stanowi ułatwienie ich zabudowy.

Dzięki brakowi bezwładności i asymetrii elementu pomiarowego względem kierunku przepływu, przepływomierze masowe radzą sobie dobrze z przepływem pulsującym, jeżeli częstotliwość pulsacji jest niska w porównaniu z częstotliwością drgań rury przepływomierza, co jest na ogół spełnione. Przepływomierze Coriolisa dobrze sprawdzają się w dozowaniu, gdzie występują krótkie okresy odmierzania dawki. Jest to istotne zwłaszcza w przypadku mediów gazowych, które ze względu na niewielką lepkość stawiają tu szczególnie trudne wymagania, czego potwierdzenie można znaleźć np. w zaleceniach PTB odnośnie minimalnych czasów ciągłego pomiaru przepływu gwarantują-cych dokładność pomiaru za pomocą turbiny.

Ograniczenia w stosowaniu przepływomierzy Coriolisa wynikają z trudności w budowie przepływomierza dla dużych przepływów wynikających z przyczyn konstrukcyjnych, a konkretnie z wykładniczego wzrostu sztywności rury przepływomierza i znacznego przyrostu jego rozmiarów wraz ze średnicą rury. Z tego powodu nie spotyka się przepływomierzy o średnicy większej niż 6 cali. Dla obsłużenia strumieni występujących przy przesyłaniu paliw wymaga to niejednokrotnie instalowania baterii przepływomierzy. Nie jest to szczególnie kłopotliwe w przypadku terminali pomiarowych na rurociągach, gdzie z reguły wymagana jest redundancja pomiaru.

Uwagi dotyczące instalacji i eksploatacji

Dobrze dobrany do warunków eksploatacji przepływomierz masowy Coriolisa funkcjonuje bezobsługowo przez wiele lat, zapewniając wysoką dokładność pomiaru. Dzieje się tak dzięki brakowi części mechanicznych ulegających zużyciu oraz rurek impulsowych wymagających odpowietrzania lub spuszczania kondensatu.

W niektórych aplikacjach ograniczeniem w stosowaniu przepływomierzy masowych mogą być znaczne spadki ciśnienia przepływu i ryzyko ścierania powierzchni wewnętrznej rury pomiarowej przez drobiny ciał stałych w medium przy wysokich prędkościach przepływu. Sposobem ograniczania tego problemu może być przewymiarowanie przepływomierza, które przy dużej zakresowości (nawet 100:1) na ogół nie stanowi problemu.

W takich aplikacjach, w których możliwe jest odkładanie się w rurze przepływomierza zanieczyszczeń obecnych w medium lepsze mogą okazać się przepływomierze Coriolisa z prostą rurą. Przepływomierze z prostą rurą mają zastosowanie między innymi dla aplikacji podlegających wymaganiom sanitarnym w przemyśle spożywczym, czy procedurom GAMP w farmacji. Przepływomierz z prostą rurą łatwo poddać inspekcji i oczyścić. Jest to możliwe również na instalacji (po zabudowie z zawracaniem kierunku przepływu i dwoma trójnikami).

Rozwiązanie z prostą rurą, cechuje się niskimi spadkami ciśnienia, porównywalnymi do spadków dla rurociągu o średnicy rury przepływomierza. Ze względów konstrukcyjnych (wzrost sztywności rury) przepływomierze z prostą rurą występują dla średnic nie większych niż 3 cale.

Większość przepływomierzy Coriolisa stawia ograniczenie temperatury mierzonego medium do 100-200 oC w zależności od modelu przepływomierza. Jednak istnieją również wykonania do pomiaru przepływu asfaltu, pracujące w temperaturach rzędu 340oC.

Ze względu na wysokie dokładności pomiaru, kalibracja przepływomierzy jest prowadzona na specjalnych stanowiskach o wysokiej dokładności działania. Bez względu na rodzaj medium mierzonego prowadzi się wielopunktową kalibrację z wykorzystaniem wody jako medium. Wiele modeli przepływomierzy masowych, w tym wszystkie wymienione w tekście, posiada certyfikat GUM do pomiarów rozliczeniowych dla cieczy innych niż woda.

Kalibracja pomiaru gęstości dokonywanego przez przepływomierz odbywa się dwupunktowo przy zastosowaniu jako wzorców gęstości wody i powietrza atmosferycznego. Kalibracja gęstości nie wymaga przepływu medium i ze względu na liniowość sprawdza się również przy pomiarze mediów o gęstości większej niż gęstość wody.

Sprawdzanie przepływomierzy przez użytkownika jest możliwe w warunkach polowych z zastosowaniem pompy, cieczy (np. woda, olej napędowy, benzyna), zbiornika (może być cysterna) i wagi. Dla sprawdzenia działania przepływomierza należy doprowadzić do przepływu i porównać masę przepompowaną przez przepływomierz z różnicą wskazań wagi po i przed pompowaniem. Pożądane jest takie dobranie wielkości i czasu przepływu wody, aby błąd ważenia był mniejszy niż dokładność przepływomierza. W przypadku dużych przepływomierzy, w warunkach terenowych możliwe jest użycie np. wagi samochodowej.

Minimalne wymagania odnośnie warunków zabudowy sprawiają, że porównując koszty przepływomierzy Coriolisa i np. pomiarów opartych na spadku ciśnienia lub ultradźwiękowych należy uwzględnić nie tylko cenę zakupu przepływomierza, ale również brak potrzeby zapewnienia kompensacji temperatury i ciśnienia, odcinków dopływowego i odpływowego oraz przelicznika.

Pozycja pracy przepływomierzy Coriolisa jest dobierana do medium. Często wybiera się ją z uwzględnieniem takich wymagań dodatkowych jak samoopróżnianie się rury przepływomierza, stałe wypełnienie przez medium, zapobieganie gromadzeniu się kondensatu (media gazowe) lub par i gazów (media ciekłe).

Poza aplikacjami nietypowymi, w których mogą występować procesy pokrywania ścianek przepływomierza przez medium nie są wymagane żadne czynności obsługowe.

Te właśnie cechy decydujące o niskich kosztach eksploatacji i wysokiej niezawodności sprawiają, że przepływomierze Coriolisa wypierają tańsze na pozór techniki pomiaru przepływu.

Zakłócenia w pracy przepływomierza mogą być powodowane przez drgania instalacji. Przeciwdziała się im konstrukcyjnie. Micro Motion stosuje np. dwie rury pomiarowe drgające w przeciwfazie, które wzajemnie kompensują wpływ drgań zewnętrznych na przepływomierz. Innym sposobem jest zastosowanie układu tłumienia drgań osłabiającego wpływ drgań zewnętrznych czy też elementu odniesienia, który drga pod wpływem drgań zewnętrznych i jest wykorzystywany do ich kompensacji. Stosowane są również cyfrowe techniki filtracji zakłóceń, również pochodzących od szumów i pulsacji przepływu, wykorzystujące szybką transformatę Fouriera (FFT). Pozwalają one "oczyścić" sygnał z przepływomierza poprzez odfiltrowanie zakłóceń na drodze elektrycznej.

Potencjalnym źródłem zakłóceń pomiaru przepływu mogą być wzdłużne naprężenia rurociągu (np. termiczne) lub wynikające z braku osiowości rurociągu - przenoszące się na rurę przepływomierza. Przeciwdziała się im konstrukcyjnie po przez zaprojektowanie przepływomierza w sposób odciążający rurę pomiarową. Odporność na zakłócenia stanowi dla wielu przepływomierzy i ich użytkowników najtrudniejszą próbę.

Kłopotliwe bywa pojawianie się przepływu dwufazowego w przepływomierzu. Może tak dziać się w wyniku spadków ciśnienia lub wzrostu temperatury medium prowadzących do zmiany jego fazy. Jeżeli w objętości ciekłego medium pojawiają się pęcherzyki par uwięzione w medium lub ciała stałe w postaci zawiesiny nie musi to powodować błędów pomiaru. Pojawienie się dużych pęcherzy lub korków gazowych prowadzi do problemów z pomiarem, jednak dobry przepływomierz jest w stanie powrócić do normalnego działania po zaniku korka gazowego.

Podsumowanie

Chociaż przepływomierze masowe Coriolisa pojawiły się najpierw w przemyśle rafineryjnym i petrochemicznym, gdzie pozwoliły poprawić dokładność bilansu surowców i produktów o kilka procent, dzisiaj stosowane są do pomiaru przepływów we wszystkich branżach. Po opanowaniu nisz wymagających wysokich dokładności pomiaru widoczny stał się obecnie trend wypierania przez tanie pomiary masowe innych typów przepływomierzy. Badania marketingowe wyjaśniają tą tendencję. Ciekawe są tu wyniki ankiety przeprowadzonej wśród użytkowników przepływomierzy masowych w Stanach Zjednoczonych. Na zadane pytanie "Dlaczego stosujesz obecnie przepływomierze Coriolisa?" 70,4% respondentów odpowie-działo "ze względu na dokładność". Na drugiej pozycji znalazła się "niezawodność" z 14,8%. Te wyniki najlepiej pokazują, że przepływomierze Coriolisa znajdują zastosowanie tam gdzie pomiar jest naprawdę ważny, a jego dokładność i niezawodność są niezbędne.

Bibliografia:

1 Snell, M., Blain, J., Large metering project in Australia includes Coriolis, Pipe Line & Gas Industry, May 2000, vol. 83 No.5
2 Grimley, T.A., Metering Research Facility Program Coriolis Mass Flow Meter Performance with Natural Gas, Gas Research Institute, 01/2002
3 Messgeraete fuer Gas, Technische Richtlinien PTB, G13, 12/1994
4 Yoder, J., Mass appeal, Plant Services 04/2001

	drgająca rura przepływomierza
	siły oddziaływujace na rurę przepływomierza
	odkształcanie rury pod wpływem siły Coriolisa

Rys. 1 Zasada działania przepływomierza masowego Coriolisa

dr inż. Piotr A. Dworak Ukończył studia na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Warszawskiej, na którym w roku 1992 obronił pracę doktorską z zakresu monitorowania i diagnostyki procesów technologicznych. Jako stypendysta Fulbrighta w roku akademickim 1993/4 prowadził badania nad zastosowaniem sztucznej inteligencji do procesów wytwarzania w Engineering Systems Research Center UC Berkeley. Pracował dla Schenck Polska i Fisher Rosemount. Obecnie w dziale pomiarów Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa.