Přesné měření malých hmotnostních průtoků

Je to dobře známá skutečnost: Coriolisovy průtokoměry jsou bezkonkurenční, když je vyžadována velká přesnost. Ale je také známé, že dosud nebyly na trhu žádné přístroje schopné nepřetržitě a spolehlivě měřit velmi malé průtoky. Jednoduchou, ale důmyslnou myšlenkou se společnosti Heinrichs Messtechnik, členu KOBOLD Group, podařilo tuto mezeru vyplnit. Nová a revoluční konstrukce umožnila vznik nejmenšího Coriolisova průtokoměru na světě: HPC (High Performance Coriolis; obr. 1). To vše s ještě nižší cenou než u běžných Coriolisových průtokoměrů. 

K měření malých průtoků se obvykle používají průtokoměry se dvěma trubkami. Budicí magnety jsou umístěny na jednu trubku a snímače na druhou. Tento systém ale má nevýhodu: čím menší je průměr trubky, a tudíž i průtok, tím větší je vliv prvků, které jsou na trubku připevněné. Například tam, kde extrémně malé průtoky vyžadují průměry trubek pouze 1 mm, může vibrace hmoty cívek významně ovlivnit výsledky měření.

Snímače s jednou trubicí s cívkami umístěnými na šasi snímače ale mají jiné nevýhody, např. výrazně větší vliv vnějšího rušení. Vzhledem k citlivosti Coriolisových snímačů s jednou trubicí je často vyžadováno nákladné mechanické oddělení, což je v mnoha úlohách špatně realizovatelné.

Základní problém snímačů se dvěma trubkami tedy spočívá v hmotnosti cívek. Odborníci firmy Heinrichs Messtechnik proto zkonstruovali průtokoměr, kde cívky senzorů nejsou namontovány na trubkách, nýbrž mezi nimi, čímž se odstranil vliv hmotnosti cívek a díky tomu lze měřit i při extrémně malých průměrech trubek v dvoutrubicovém provedení. Samotné měřicí trubice jsou zatíženy pouze velmi lehkými magnety, které s hmotností pouze 0,08 g nemají podstatný vliv na vibrační chování trubek (obr. 2).

Další přednost: při montáži cívek na pevně uchycenou desku plošného spoje, na rozdíl od běžné konstrukce s kmitajícími cívkami, nejsou v systému žádné flexibilní vodiče vibrující na stejné frekvenci jako měřicí trubice. Tato konstrukce navíc dovoluje použít čtyři cívky senzorů namísto dvou, které jsou pro dvoutrubicové provedení obvyklé, což umožňuje dosáhnout jemnějšího rozlišení. 

Omezení vlivu vibrací

Dvoutrubicová konstrukce Coriolisova průtokoměru HPC od Heinrichs Messtechnik s trubicemi délky 150 mm není citlivá na rázy a vibrace a umožňuje měření s chybou ±0,1 % z měřené hodnoty. Dlouhodobé zkoušky však ukázaly, že tento malý průtokoměr dosahuje přesnosti až ±0,05 % z měřené hodnoty. Rozsah pracovních teplot je do +180 °C a tlaku do 60 MPa, tedy více, než mají běžné průtokoměry. S nulovým bodem mezi 1 a 5 g/h jsou mechanické demontáže a často opakované kalibrace již minulostí. Rezonanční frekvence nad 200 Hz zabraňuje vzniku injektovaných vibrací.

S výjimkou laserově svařovaných měřicích trubek se průtokoměr HPC skládá v podstatě jen z bloku z korozivzdorné oceli s pevným závitem (obr. 3). Průtokoměr HPC nemá na přítoku obvyklý rozdělovač, ale rezervoár, z něhož provozní tlak tlačí kapalinu do obou měřicích trubic, čímž zabraňuje poruchám proudění obecně způsobovaným rozdělovačem. 

Velká přesnost za málo peněz

Všechny Coriolisovy průtokoměry na trhu, bez toho, zda jde o jedno- nebo dvoutrubicové, mají jednu věc společnou: vysokou pořizovací cenu. U průtokoměru HPC tomu tak není.

Celá vývojová fáze trvala jen jeden a půl roku. Pro zkrácení doby vývoje využil Heinrichs Messtechnik nejnovější simulační metody (obr. 4). Tak byl omezen počet nutných fyzických prototypů, což snížilo náklady na vývoj. Navíc díky simulacím je možné výrazně rychleji reagovat na specifické požadavky zákazníka a podle nich upravit konstrukci přístroje. Takto se společnost Heinrichs Messtechnik snaží udržet výrobní náklady snímače na minimu. 

Možnosti využití

Coriolisův průtokoměr HPC s dvěma trubicemi je výhodný tam, kde je omezený prostor, např. při montáži na stávající zařízení, ve zkušebních výrobních zařízeních, výzkumných reaktorech nebo při vstřikování chemikálií do reaktoru. K dispozici jsou různé konstrukční varianty. Kromě verze in-line, která může být vložena přímo do potrubí (obr. 1), jsou k dispozici provedení k montáži na stěnu nebo na stůl. Pro stolní model lze využít dvě možnosti: buď s měřicími trubkami směřujícími dolů, pod přívodní potrubí, nebo směřujícími nahoru, tedy nad přívodní potrubí (obr. 5). K měření plynů se doporučují trubky směřující vzhůru, aby se předešlo problémům s výskytem kapalin v trubkách. Opačné uspořádání je vhodnější pro měření kapalin.

Průtokoměry HPC jsou k dispozici se třemi rozsahy měření: 0 až 20, 0 až 50 a 0 až 160 kg/h. Na vyžádání jsou k dispozici i další úpravy, např. skříně, konektory nebo rozhraní. Zejména pro chemický průmysl nebo výrobu polovodičů jsou na vyžádání k dispozici také plně uzavřené skříně z korozivzdorné oceli.

Konstrukční řešení je chráněno patentem. V nabídce je i provedení do prostředí s nebezpečím výbuchu se schválením ATEX a IECEx. Paralelně se zahájením prodeje pracuje Heinrichs Messtechnik také na novém minia­turizovaném převodníku s různými výstupy.

(KOBOLD Messring GmbH. Obrázky: Heinrichs Messtechnik GmbH)

Obr. 1. Společnost Heinrichs Messtechnik GmbH vyvinula nejmenší dvoutrubicový Coriolisův hmotnostní průtokoměr na světě: HPC

Obr. 2. Místo montáže cívek na trubky se výrobce rozhodl namontovat je na desku plošných spojů umístěnou mezi měřicími trubicemi; současným znásobením počtu snímacích cívek ze dvou na čtyři se výrazně zvýší rozlišení

Obr. 3. S výjimkou laserově svařovaných měřicích trubek se HPC skládá v podstatě z bloku z korozivzdorné oceli s pevným závitem

Obr. 4. Pro zkrácení doby vývoje využila firma Heinrichs Messtechnik nejnovější simulace

Obr. 5. Varianta určená k montáži na stůl, měřicí trubice směřuje dolů (pro měření kapalin)

Obr. 6. Varianta určená k montáži na stůl, s korozivzdornou ocelovou skříní, měřicí trubice směřuje nahoru (pro měření plynů)