Coriolisovy průtokoměry v kryotechnice

Coriolisovy průtokoměry v kryotechnice

V článku jsou uvedeny základní informace a doporučení ohledně použití Coriolisových průtokoměrů k měření průtoku kapalin s teplotami v kryogenní oblasti. Vesměs jde o údaje získané při výzkumu a provozních zkouškách prováděných v souvislosti s vývojem průtokoměrů značky Micro Motion. Není-li výslovně uvedeno jinak, jde o informace, které mohou být užitečné i při použití Coriolisových průtokoměrů jiných značek.

Kryogenní děje

Pro účely tohoto článku se jako kryogenní (tj. běžně „velmi chladný„) označují děje probíhající za přítomnosti kapalin s teplotou nižší než –100 °C. Jako příklady lze uvést tekuté helium a zkapalněný zemní plyn s jejich teplotou syté páry při tlaku 0,1 MPa o hodnotě –268,9 °C, popř. –153,1 °C (obdobně se hovoří o kryogenních kapalinách, teplotách apod.).

Skladovat a přepravovat kryogenní kapaliny je v mnoha případech výhodné. Například tekuté helium a jemu příbuzné plyny se používají pro svou schopnost rychle ochladit okolí. U zemního plynu je zase důležité, že v kapalném stavu ho lze skladovat i dopravovat mnohem efektivněji než v plynném.

„Kryogenní problémy„

Práce při kryogenních teplotách s sebou přináší mnoho logistických problémů. Velmi nízké teploty mají obecně nepříznivý vliv na materiály použité v příslušných zařízeních. Pohyblivé mechanismy a těsnění smáčené tekutým plynem mohou přestat fungovat, mohou předčasně stárnout či být příčinou jiných problémů.

Udržet kryogenní kapaliny natolik chladné, aby nepřešly v plyn, je tím nákladnější, čím nižší je teplota, na které se pohybujeme. Proto se teplota těchto látek často udržuje jen něco málo pod teplotou jejich bodu varu. Proudí-li látka v tomto stavu potrubím, popř. přes překážku (ventil apod.), může i malá tlaková ztráta zapříčinit, že se v kapalině vytvoří malé či větší plynové kapsy, které znesnadní anebo vůbec znemožní měřit její průtok.

Požadavky na měření při kryogenních dějích

Poměrně novou a velmi důležitou oblast kryotechniky představuje práce s kapalným zemním plynem. Zemní plyn se nachází na mnoha místech po celém světě. V důsledku rostoucí poptávky a stále dokonalejších metod a zařízení používaných ke zkapalňování a při přepravě zemního plynu vzniklo po celém světě mnoho závodů na jeho zpracování. Na své cestě z místa, kde je poprvé zkapalněn, do místního distribučního centra, kde je opět definitivně převeden zpět do své plynné formy, prochází kapalný zemní plyn mnoha rukama. Při každé změně vlastnictví, bez rozdílu zda jde o prvotního dodavatele, dopravce nebo místního distributora, je nutné přesně měřit hmotnost paliva procházejícího potrubím.

Dostupné metody a zařízení

Stejně jako ve většině ostatních případů měření průtoku je i v kryotechnice zpravidla nejvhodnější použít přístroje měřící přímo hmotnostní průtok, jejichž údaje nejsou ovlivňovány změnami teploty a tlaku měřeného média. Přesto se zde hmotnostní průtok dosud počítá z objemového průtoku média stanoveného průřezovým měřidlem na základě měření spádu tlaku na překážce v potrubí a hustoty média měřené jiným měřidlem. Ze známého objemu a známé hustoty lze vypočítat hmotnost.

Běžný převodník rozdílu tlaků ovšem nelze vystavit působení kryogenní kapaliny. Výsledkem by byla okamžitá ztráta funkce anebo jeho nevratné poškození. Aby bylo možné ji měřit, musí se kapalina nechat zahřát a přeměnit v plyn. Zahřátím kapaliny se ovšem do měření vnáší významná nejistota. Navíc se zužuje pásmo, v němž lze využít přestavitelnost převodníku rozdílu tlaků. Příčinou je nárůst šumu v měřeném rozdílu tlaků způsobený zplyňováním kryogenní kapaliny. Oba uvedené jevy, nárůst nejistoty měření a zúžení měřicího rozsahu převodníku, mohou být v mnoha případech nepřijatelné. Kromě toho mohou být k dosažení nejistot požadovaných při měření v obchodním styku nutné složité a nákladné kalibrace měřicího zařízení při jeho skutečných pracovních teplotách.

Přednosti Coriolisových hmotnostních průtokoměrů

Coriolisovy průtokoměry měří aktuální hmotnostní průtok s využitím tzv. Coriolisova jevu. Stručně řečeno se využívá toho, že setrvačné jevy způsobené průtokem kapaliny trubkou jsou přímo úměrné hmotnostnímu průtoku této kapaliny. V Coriolisově průtokoměru se rozkmitává trubka (častěji dvě) protékaná měřenou kapalinou a poté se snímá hmotnostní průtok měřením fázového posuvu mezi kmitavými pohyby jednoho a druhého konce trubice.

Konstrukce Coriolisových průtokoměrů jako by je k použití v kryotechnice přímo předurčovala: jejich dílům neškodí ani extrémně nízké provozní teploty (žádné pohyblivé smáčené součásti nebo materiály citlivé na teplotu) a jejich nejistota vyhovuje téměř libovolným požadavkům, a to i v regulovaných oblastech obchodních měření. V dalších odstavcích je uvedeno několik tipů, jak s Coriolisovými průtokoměry dosahovat v kryotechnice co nejlepších výsledků.

Snížení tlakové ztráty použitím většího průtokoměru

Prvořadý problém v kryotechnice představuje tlaková ztráta v potrubí. Není-li kompenzována odpovídajícím snížením teploty média, je příčinou tvorby význačných bublin plynu a přeměny proudu kapaliny v potrubí na tzv. dvoufázový (jedna fáze je kapalina, druhá plyn). Praktická zásada vhodná pro většinu kryogenních úloh je udržovat tlak v potrubí za průtokoměrem minimálně na hodnotě rovnající se tlaku nasycené páry kapaliny zvýšené o trojnásobek tlakové ztráty měřidla (obr. 1). Tento konzervativní přístup pomáhá minimalizovat sklon kapaliny vytvářet v měřicích trubicích přístroje bubliny.

Obr. 1. Doporučený standardní způsob ochrany před tvorbou bublin v průtokoměru protitlakem

Coriolisovy průtokoměry jsou mimořádně přesné, měří-li průtok samotné kapaliny nebo samotného plynu. Dvoufázový proud, častý v kryotechnice, jim však způsobuje problémy (zejména při požadavku na velmi přesné měření, např. v obchodním styku). Předcházet vzniku dvoufázového proudu sice lze naznačeným zvýšením statického tlaku v potrubí nebo snížením teploty kapalného plynu, u velkých systémů to však může být ekonomicky neúnosné.

Měří-li Coriolisův průtokoměr poblíž horní meze měřicího rozsahu, měří sice nejpřesněji, ale současně s největší tlakovou ztrátou. Tlaková ztráta se zmenší při použití měřidla s vyšší horní mezí měřicího rozsahu, tj. rozměrnějšího. Protože moderní metody číslicového zpracování signálu umožňují odfiltrovat šum vlastní velkému měřidlu s elektronicky roztaženým měřicím rozsahem, lze i touto cestou dosáhnout velmi dobrých výsledků.

Nicméně platí, že kryogenní teploty mají nelineární vliv na korekce měřicího signálu na teplotu, které jsou standardně používané u všech Coriolisových průtokoměrů. Pro dosažení co nejlepších výsledků je tudíž třeba volit velmi kvalitní průtokoměr s nelineární kompenzací teploty v kryogenní oblasti¹⁾.

Nulování průtokoměrů v provozu

Mají-li být průtokoměry nulovány na místě své instalace, musí k nim být z obou stran nainstalovány rychlouzavírací ventily. Ty je třeba současně uzavřít, poté vynulovat průtokoměr a ventily zase rychle otevřít. Neprovede-li se celá tato procedura dostatečně rychle, kryogenní kapalina v průtokoměru se začne zahřívat, což ohrožuje přesnost vynulování přístroje. Potrubí a přístroj mezi ventily navíc musí být chráněny před vznikem nebezpečného přetlaku při zavřených obou ventilech.

Měření hustoty má své meze

Měřit hustotu kryogenních kapalin je obtížné. Bývá snazší i přesnější pracovat s hodnotami vypočítanými ze stavových rovnic. Má-li být hustota měřena Coriolisovým průtokoměrem, doporučuje se přístroj kalibrovat měřenou kapalinou a použít převodní faktor hustoty.

Izolujte okolí měřidla, ale nikoliv nutně měřidlo samotné

Izolace má dvě důležité funkce:

• minimalizovat přestup tepla konvencí,
• minimalizovat sdílení tepla sáláním.

Co se týče přestupu tepla konvencí, nevyžadují Coriolisovy průtokoměry se sekundárním pouzdrem plněným inertním plynem žádnou doplňkovou izolaci (průtokoměry řady Micro Motion Elite^® Except jsou, vyjma odlitku s připojovacími šroubeními, izolovány stejně dobře jako většina potrubních systémů).

Jsou-li měřicí trubice průtokoměru vystaveny slunečnímu záření, pomůže izolace minimalizovat jeho sálavé účinky.

Tim Patten, Keven Dunphy,
Emerson Process Management,
Micro Motion Division

Z anglického originálu Working in the Cold: Using Coriolis Flow Meters in Cryogenic Service přeložil sk, úprava redakce; se svolením Emerson Process Management s. r. o.

¹⁾ Firma Micro Motion používá své vlastní patentované metody a prostředky pro zpracování měřicího signálu, nelineární kompenzaci při kryogenních teplotách a nastavování nulového výstupního signálu ve výrobním závodě. Existovat mohou i jiné metody, o nichž se však článek ani nezmiňuje, ani je nehodnotí. Čtenáři se doporučuje, aby se před rozhodnutím o koupi důkladně seznámil se specifikací toho kterého produktu (pozn. autorů).

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