Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Co očekáváte od hmotnostního průtokoměru aneb jsou bublinky problém?

číslo 3/2006

Co očekáváte od hmotnostního průtokoměru aneb jsou bublinky problém?

V minulém čísle tohoto časopisu vyšel příspěvek o základních vlastnostech nové generace hmotnostních průtokoměrů od společnosti Emerson Process Management (Micro Motion). V tomto čísle bude věnována pozornost jednomu z problémů, které nová generace průtokoměrů výrazně eliminovala. Jde o problém dvoufázového toku. Různé společnosti se s ním více či méně úspěšně potýkají – viz [2] a [3].

Coriolisovy hmotnostní průtokoměry jsou v různých aplikacích velmi dlouho používány s výraznými úspěchy. Stále však platilo omezení jejich použití pouze pro jednofázový tok. Přítomnost plynné fáze v kapalině způsobuje dynamické změny v trubicích Coriolisových průtokoměrů, které v jednofázovém toku nenastávají. Tyto změny vedou k chybě ve výsledném měření.

Coriolisův hmotnostní průtokoměr pracuje na principu řízení kmitání jedné nebo dvou trubic na rezonanční frekvenci. Elektronika (nebo převodník) pošle řídicí signál do senzoru a řídí frekvenci kmitání trubic stejně jako jejich amplitudu. Řízení frekvence je důležité, protože umožňuje přesné měření hustoty média a minimalizaci spotřeby energie.

Obvody senzoru všech moderních Coriolisových průtokoměrů jsou jiskrově bezpečné, tj. je omezena maximální možná hodnota proudu pro řízení kmitání trubic. Bublinky, které se pohybují v trubicích, výrazně ovlivňují dynamiku kmitání a tím kladou velké požadavky na energii potřebnou pro udržení rezonanční frekvence o stabilní amplitudě. Velmi často tyto požadavky převyšují možnosti jiskrově bezpečných obvodů. Proto amplituda kmitů poklesne. Tato situace někdy bývá nazývána „zácpa„. Trubice pak sice kmitají, ale matematicky se toto kmitání jen obtížně popisuje.

Obr. 1.

Obr. 1. Distribuce vzduchu při měření Coriolisovým průtokoměrem

Poklesne-li amplituda kmitání trubic, poklesne také poměr signál-šum, a pro elektroniku přístroje je tudíž náročné nalézt a zpracovat „správnou„ měronosnou složku signálu. Starší analogové systémy jsou velmi citlivé na přítomnost plynné fáze v kapalině, protože hodnota signálu klesne pod jimi detekovatelnou hodnotu a neexistuje algoritmus pro extrakci měronosného signálu. Digitální systémy se naproti tomu vyznačují stabilními výsledky i při vysokých úrovních šumu a celý systém měření se významně zlepší.

I u digitálních systémů je ale třeba si uvědomit, že přístroj měří průtok i hustotu směsi, tedy kapaliny s plynnou fází, ne jen kapalinové složky.

Vliv dynamiky tekutin

Coriolisovy hmotnostní průtokoměry nejsou citlivé na průtočný profil a ostatní vlivy, které je nutné brát v úvahu u jiných metod měření průtoku. Je-li ale v kapalině přítomna plynná fáze, je třeba vzít v úvahu i dynamiku průtočného profilu. Ačkoliv je primární měření nezávislé na průtočném profilu, trubice průtokoměru se vlivem velkého rozdílu hustot kapaliny a plynné fáze stávají nevyvážené. To může způsobovat chybu nuly, a proto zvláště měření malých průtoků může být problematické.

Obr. 2.

Obr. 2. Možná uspořádání vícefázového toku

Podobně významný problém může nastat při tak malém průtoku, že bublinky plynu zůstanou plavat v trubicích (vztlaková síla je v rovnováze s gravitační a tlakovou silou média). To se stává při rychlostech nižších než přibližně 0,6 m/s. Rychlost média není tak velká, aby strhla bublinky pryč, ani tak malá, aby plynná fáze „vybublala„. Řešení je držet rychlost toku na úrovni minimálně 20 % z nominální maximální hodnoty (1 m/s v trubici) a instalovat průtokoměry ve svislém potrubí. Na obr. 1 je ukázáno, jak může vypadat rozložení plynné a kapalné fáze. Pro vyhodnocení měření je důležité si uvědomit distribuci plynné fáze – viz obr. 2.

Speciální případ – dávkování ze zavzdušněného potrubí s profukem

Dávkování ze zavzdušněného potrubí s profukem (empty-full-empty batching) je případ vyskytující se v technické praxi poměrně často. Zde se lze pravidelně potkat se všemi dříve popsanými jevy. Výhodou je, pokud dávka trvá výrazně déle než průtok dvoufázové směsi. To je naštěstí obvyklý případ: dávka většinou trvá desítky minut, dvoufázový tok se vyskytuje několik sekund. Chyba, která je způsobena dvoufázovým tokem, je pak poměrně malá vzhledem k celkové velikosti dávky.

Jsou-li ale dávky kratší než přibližně jedna minuta, jsou chyby způsobené dvoufázovým tokem již signifikantní a je nutné je brát v úvahu. Největší část chyby je způsobena dobou napuštění systému. Pro ilustraci: při rychlosti proudění 3 m/s bude naplnění trubic o délce 0,3 m trvat 0,1 s. Při rychlosti 0,3 m/s to už bude celá sekunda. Zkušenosti z provozu krátkých dávek (do jedné minuty) ukazují, že drží-li se doba napouštění systému kratší než 0,1 s, je měření kvalitní.

Vliv vlastností média

Měření dvoufázového toku ovlivňují tlak, teplota a viskozita média. Při změnách tlaku se mění frakce plynné fáze (frakce je definována jako objemový poměr plynné fáze ke kapalné). To má za následek např. i to, že dva přístroje instalované na jednom potrubí v sérii nemají stejné podmínky. Druhý přístroj, který vlivem tlakové ztráty pracuje při menším tlaku, má vyšší frakci plynné fáze a také větší chybu.

Teplota ovlivňuje viskozitu média a hodnotu povrchového napětí kapaliny (vyšší teplota znamená vyšší hodnotu plynné frakce), ale při měření je méně důležitá než tlak.

Obr. 3.

Obr. 3. Výsledky měření referenčního přístroje (bez přítomnosti vzduchu) a hmotnostních průtokoměrů za přítomnosti 15 % vzduchu

Viskozita je velmi významná vlastnost měřené tekutiny, protože přímo ovlivňuje charakter jejího chování. V kapalinách o malé viskozitě (voda) jsou malé bublinky plynu shlukovány ve větší a ty se pak shromažďují v nejvyšších místech potrubí. Naopak u kapalin s velkou viskozitou bublinky plynu zůstávají distribuovány v médiu a měření je méně ovlivněno tzv. vzduchovými kapsami. Například při průtoku zubní pasty o kinematické viskozitě 10 N·s·m–2 s hodnotami plynné frakce 2 až 5 % a rychlosti média menší než 0,6 m/s je měření v mezích specifikace, tedy není ovlivněno dvoufázovým tokem. Při měření hmotnostního průtoku vody 38 000 kg/h toutéž rychlostí jsou bublinky shlukovány a chyba vzroste na pět a více procent.

Jak eliminovat vliv dvoufázového toku

Dvoufázovému toku není možné zabránit. Jeho vliv do značné míry může eliminovat výběr vhodného průtokoměru. Společnost Emerson Process Management vyvinula nový typ Coriolisova hmotnostního průtokoměru Micro Motion CMF, který se mj. vyznačuje výrazným zlepšením měření dvoufázového toku. Na obr. 3 je porovnání výsledku měření klasického, digitálního a nového měřidla oproti referenčnímu průtokoměru. První sekce (0. až 2. minuta) je klasický analogový průtokoměr, který za uvedených podmínek vůbec neměří. Druhá sekce (2. až 4. minuta) je klasický digitální průtokoměr s 20% chybou. Třetí sekce (4. až 6. minuta) je digitální průtokoměr se speciálním algoritmem řízení amplitudy kmitání s 5% chybou. Poslední sekce (6. až 8. minuta) je nová generace hmotnostního průtokoměru s 1% chybou.

Závěr

Přístroje, které se v současné době dodávají na trh, umožňují přesné měření i malých průtoků. Hranice měřitelnosti je dána fyzikálními vlastnostmi měřeného média. Moderní vývoj umožňuje stále více se k této hranici přibližovat.

Důležitá při měření libovolného dvoufázového toku (voda-vzduch, krmné směsi s pevnými částmi plovoucími ve vodě, ropa-voda atd.) je stabilita nuly. Je-li průtok nulový, fáze se díky gravitačním silám separují a způsobují nevyváženost trubic a změnu nuly. Moderní přístroje dokážou tento problém výrazně eliminovat, nikoliv však odstranit. Proto je důležité věřit svému „inženýrskému instinktu„ a při konkrétní aplikaci uvažovat všechny zmíněné vlivy.

Literatura:
[1] PATTEN, T.: Keep metering problems from Bubling up. Chemical processing, November 2005.
[2] BABB, M.: The dirty little secret about Coriolis mass flowmeters. Control Engineering Europe, September 1, 2003.
[3] –: Optimalizace chodu Coriolisova průtokoměru. Krátká zpráva. Automatizace, prosinec 2005, roč. 48, č. 12, s. 4.

Dr. Ing. Radek Strnad,
Product specialist Flow, Emerson Process Management, s. r. o.

Emerson Process Management, s. r. o.
Hájkova 2747/22
130 00 Praha 3
tel.: 271 035 600
fax: 271 035 655
e-mail: info.cz@emersonprocess.cz
http://www.emersonprocess.cz