Verifikace Coriolisových průtokoměrů in situ

Verifikace Coriolisových průtokoměrů in situ

Tim Cunningham, Chuck Stack, Chris Connor

Zdokonalený vestavěný procesor umožňuje verifikovat Coriolisovy hmotnostní průtokoměry značky Micro Motion způsobem in situ. Článek podrobně popisuje princip nové metody, již dříve stručně zmíněné ve [3], způsob její realizace v průtokoměrech Micro Motion, její omezení a celkový přínos pro uživatele Coriolisových měřidel hmotnosti a průtoku tekutin.

1. Úvod

Nejobvyklejším údržbářským úkonem prováděným na průtokoměrném zařízení je kontrola platnosti jeho kalibrační závislosti. Například u průřezového měřidla taková kontrola spočívá v ověření nuly a rozpětí statické převodní charakteristiky převodníku rozdílu tlaků. To ovšem není kalibrace průtokoměru; jde o pouhé ověření, zda jeho jedna jediná komponenta, převodník rozdílu tlaků, nevybočuje z přípustných mezí.

Coriolisovy hmotnostní průtokoměry značky Micro Motion jsou široce používány mj. pro velkou stabilitu své kalibrační závislosti v čase. Přesto může být nutné jejich kalibrační závislost periodicky ověřovat, např. ke splnění požadavků norem ISO. Aby v tomto směru vyšla vstříc potřebám uživatelů, nabízí firma Micro Motion novou specifickou funkci s názvem structural integrity meter verification, tj. ověření celistvosti struktury měřidla. Uvedená metoda využívá nový zdokonalený vnitřní procesor od firmy Micro Motion ke kontrole platnosti kalibračních závislostí měřidel průtoku a hustoty na místě použití měřidla bez jeho vyjmutí z potrubí (in situ). Jde o metodu dokonalejší než již zmíněný způsob kontroly kalibrační závislosti např. clonového měřidla, resp. jeho převodníku rozdílu tlaků, neboť umožňuje ověřit jak vlastní čidlo (měřicí trubice), tak i elektronické obvody průtokoměru.

V článku jsou popsány základní principy uvedené nové metody verifikace Coriolisových průtokoměrů, způsob její realizace v průtokoměrech značky Micro Motion, její omezení a přínosy pro provozovatele průtokoměrných zařízení. Před vlastním výkladem metody je v kapitole 2 pro úplnost nejprve stručně připomenuto, jak Coriolisův průtokoměr měří hustotu a hmotnostní průtok tekutin.

2. Činitele ovlivňující kalibrační závislosti Coriolisova průtokoměru

2.1 Měření hustoty

Coriolisův průtokoměr lze pokládat za jednoduchou soustavu tvořenou hmotou upevněnou na pružině (obr. 1). Hmotnost měřicí trubice (popř. měřicích trubic) spolu s hmotností tekutiny v ní (nich) obsažené představuje celkovou hmotnost aktivní části průtokoměru. Měřicí trubice funguje(í) jako pružina (pružiny) a frekvence kmitání soustavy hmota-pružina je mírou hustoty tekutiny v trubici.

Obr. 1. Hmota na pružině

Podrobněji nahlédnuto je charakteristickou veličinou jednoduché soustavy hmota-pružina, a tudíž i Coriolisova průtokoměru, frekvence jejích vlastních kmitů f_v (rezonanční neboli vlastní frekvence), která je úměrná druhé odmocnině z podílu tuhosti pružiny K k celkové hmotnosti M_total, tedy

Protože M_total v (1) v sobě zahrnuje jak hmotnost měřené tekutiny (média) M_m, tak i hmotnost trubice M_t, lze (1) přepsat do tvaru (2) s izolovanou hmotností média

Vztah (2) je tudíž základním vztahem, podle něhož měří hustotu všechna měřidla založená na Coriolisově principu. Vlastní frekvence trubic Coriolisova měřidla se mění v závislosti na hmotnosti (hustotě) média, a z vlastní frekvence trubice lze tedy stanovit hustotu média. Vztah (2) ovšem obsahuje ještě další dva parametry, a to tuhost K a hmotnost měřicí trubice M_t. Má-li průtokoměr správně měřit hustotu, musí být oba tyto parametry konstantní. Protože jde o vlastnosti trubice důležité z hlediska dále popisované metody verifikace měřidla, je třeba je definovat. Hmotnost měřicí trubice je dána hmotností materiálu, z něhož je trubice zhotovena. Tuhost měřicí trubice K (na obr. 1 modelovaná jako tuhost pružiny) je parametr udávající velikost výchylky y trubice vlivem působící mechanické síly F. Jednoduchý vztah pro výpočet tuhosti K je

K = E/y           (3)

2.2 Měření průtoku
Tuhost měřicí trubice K je klíčovým parametrem i při měření hmotnostního průtoku. Coriolisovo měřidlo je schematicky znázorněno na obr. 2, kde médium vstupuje do jednoduché přímé měřicí trubice zleva a vystupuje z ní napravo, jak je patrné z vektorů rychlosti v. Měřicí trubice je udržována v kmitavém pohybu na své vlastní frekvenci. Z obr. 2, na němž je trubice znázorněna při výchylce směrem nahoru, je zřejmé, že na vstupu do měřicí trubice bude hmota média působit proti pohybu trubice (bude na měřicí trubici působit silou směřující „dolů“). Na výstupu z trubice je tomu naopak: tok média bude podporovat pohyb měřicí trubice silou působící směrem „nahoru“. Tyto dvě síly shodné velikosti, ale opačného směru jsou tzv. Coriolisovy síly, podle nichž se přístroj nazývá.

Obr. 2. Coriolisovo „zkroucení “

Coriolisova síla způsobuje přídavnou výchylku vibrující měřicí trubice. Na obr. 2 lze vidět, že je příčinou přídavného „zkroucení“ měřicí trubice okolo její osy souměrnosti. Velikost tohoto zkroucení je úměrná velikosti Coriolisovy síly (a tudíž hmotnostnímu průtoku trubicí) a tuhosti měřicí trubice. Správnost údaje hmotnostního průtokoměru závisí, stejně jako při měření hustoty média, na tom, že tuhost měřicí trubice je stále stejná.

3. Určení tuhosti měřicí trubice

3.1 Tuhost měřicí trubice jako kritický parametr
Z uvedeného je zřejmé, že parametrem kritickým z hlediska správnosti měření průtoku i hustoty je tuhost měřicí trubice. Vyvstávají tedy dvě základní otázky: jak tuhost měřicí trubice určit a vlivem kterých činitelů se tato tuhost může měnit.

Inženýrská mechanika určuje tuhost trubice z jejích rozměrů a vlastností použitého materiálu. Hlavními rozměrovými parametry jsou světlost měřicí trubice, tloušťka její stěny a celkový tvar trubice. Měřicí trubice s velkou světlostí je tužší než trubice s malou světlostí a při téže světlosti roste s tloušťkou stěny i tuhost trubic. Vliv na její tuhost má i celkový tvar trubice, její výška, šířka a zakřivení.

Tuhost měřicí trubice dále závisí na vlastnostech materiálu, z něhož je vyrobena. Titanové trubice jsou tužší než trubice z plastu a ocelové jsou tužší než titanové.

Uvedené vlastnosti – světlost a tloušťka stěny měřicí trubice, její tvar a celkové rozměry i volba materiálu – se při vývoji nového Coriolisova měřidla pečlivě zvažují. Vedle toho, že určují tuhost měřicí trubice, jsou také hlavními konstrukčními znaky určujícími citlivost měřicí trubice při měření průtoku i hustoty.

Při průtoku čisté tekutiny kompatibilní s materiály, z nichž jsou vytvořeny díly měřidla smáčené médiem, jsou rozměry a vlastnosti materiálu měřicí trubice vystavené provozním podmínkám tytéž jako při výrobě přístroje. Bylo již ukázáno, že převodní závislosti měřidla průtoku a hustoty jsou přímo závislé na tuhosti měřicí trubice. Sledováním tuhosti trubice v provozních podmínkách je tedy možné zjistit, zda trubice měřící průtok nebo hustotu je nebo není znehodnocena.

3.2 Vlivy působící na kalibrační závislost Coriolisových měřidel
Obecně se předpokládá, že vlastnosti měřicí trubice (trubic) se při běžném používání měřidla nemění, a tudíž se nebudou měnit ani její kalibrační závislosti pro průtok a hustotu. Za určitých provozních podmínek se ale vlastnosti měřicí trubice mohou měnit, např. když se v důsledku působení měřeného média s korozními nebo erozními účinky na měřicí trubici změní tloušťka její stěny, přičemž:

• koroze zpravidla změní tloušťku stěny celé měřicí trubice rovnoměrně,

• eroze obvykle zasáhne přední (vstupní) část trubice jinak než zadní (výstupní), což má za následek nerovnoměrné zeslabení stěny trubice.

Úbytek materiálu trubice, ať už rovnoměrný nebo nerovnoměrný, znamená pokles její tuhosti, a tudíž změnu vlastností měřidla jako průtokoměru i hustoměru. Nejsou-li včas zjištěny, mohou být koroze i eroze také příčinou roztržení měřicí trubice.

Vlastnosti měřicí trubice se mohou změnit i v důsledku jiných typů poruch. Například větší než jmenovitý provozní tlak média v měřicí trubici může způsobit nárůst její světlosti anebo vést ke změně jejího celkového tvaru. Také tento typ poškození trubice změní její tuhost, a tím způsobí chyby při měření průtoku i hustoty.

3.3 Měření tuhosti měřicí trubice
Podmíněnost kalibrační závislosti při měření hustoty a průtoku na tuhosti měřicí trubice lze tedy mít za prokázanou. Při měření tuhosti trubice se, stejně jako při měření hustoty média, vychází ze skutečnosti, že za model Coriolisova průtokoměru je možné použít jednoduchou soustavu hmota-pružina (obr. 1).

Vezměme soustavu na obr. 1 a působme na hmotu silou měnící se sinusově v čase frekvencí f. Výchylka hmoty z rovnovážné polohy (pohyb systému) je beze zbytku určena zákonem o zachování energie. Je-li pružina natažena, je v ní nashromážděna potenciální energie. Pohybující se hmota je nositelem kinetické energie a k aktivaci systému je nutná síla. Potenciální energie je součin tuhosti pružiny a výchylky jejího konce a kinetická energie je součinem hmoty a zrychlení. Při sinusovém pohybu se zrychlení rovná násobku výchylky a druhé mocniny úhlové rychlosti vibrací. Zákon o zachování energie lze v daném případě zapsat v podobě

MD(t)ω² – KD(t) = F(t)           (4)

kde M je hmota zavěšená na (nehmotné) pružině, K tuhost pružiny, D(t) sinusová výchylka v čase, F(t) sinusová síla působící v čase, ω úhlová rychlost vibrací.

První výraz na levé straně rovnice (4) představuje kinetickou (hmota × zrychlení) a druhý potenciální (síla × výchylka) energii systému. Pravá strana rovnice (4) reprezentuje přívod energie do systému.

Z rovnice (4) lze vyvodit tři zajímavé poznatky. Při velmi malých frekvencích (ω ≈ 0) je kinetická energie v podstatě nulová a vztah se redukuje na definici tuhosti, již zavedené jako poměr síly k výchylce (3). Při velmi velkých frekvencích ω (resp. ω²) narůstá: dominuje kinetická energie a vztah (4) se stává prvním Newtonovým pohybovým zákonem (hmota × zrychlení = síla). Třetím důležitým poznatkem je, že existuje frekvence, při níž se kinetická a potenciální energie sobě navzájem rovnají. Tato frekvence je již známá vlastní (rezonanční) frekvence soustavy f_v (které odpovídá úhlová rychlost ω_v), základ měření hustoty (1).

Obr. 3. Frekvenční charakteristika soustavy hmota-pružina

Ze vztahu (4) je zřejmé, že pohyb v soustavě hmota-pružina se mění se změnou frekvence budicí síly a závisí na množství hmoty a tuhosti pružiny v soustavě. Protože Coriolisovo měřidlo se chová jako jednoduchá soustava hmota-pružina, je také patrné, že zaváděním proměnné síly s různou frekvencí a měřením výchylky by mělo být možné měřit tuhost jeho měřicí trubice (měřicích trubic). Je tomu skutečně tak a jde o princip, na němž je založena popisovaná metoda kontroly tuhosti měřicích trubic průtokoměrů.

Na obr. 3 je ukázán průběh výchylky trubice Coriolisova měřidla při působení periodické síly o stálé amplitudě a proměnné frekvenci. Tuhost měřicí trubice odpovídá její výchylce při působení jednotkové statické síly. Vrchol křivky se nachází na vlastní frekvenci trubice: jde o frekvenci, při níž je k udržení soustavy v kmitavém pohybu třeba minimální síla. Vše, co je třeba udělat k nalezení závislosti podle obr. 3, je zavést tutéž kmitající sílu postupně na několika frekvencích. V praxi je nejsnazší použít sílu na frekvencích v okolí rezonanční frekvence, kde k vyvolání pohybu stačí malá síla (energie), a z naměřené odezvy (frekvenční charakteristiky) poté odhadnout tuhost při nulové frekvenci. To je základní princip měření tuhosti trubice, naznačený zákresem zkušebních tónů (frekvencí) na obr. 3.

4. Zjišťování změn kalibrační závislosti metodou kontroly tuhosti měřicí trubice

4.1 Tovární vs. provozní tuhost trubice
Zatím bylo ukázáno, jak kalibrační závislost Coriolisova měřidla závisí na tuhosti jeho měřicí trubice a jak se při metodě kontroly cestou sledování celistvosti struktury měřidla velmi přesně tato tuhost měří. Jak lze z takové informace zjistit změny kalibrační závislosti?

S kontrolou celistvosti struktury měřidla se začíná při kalibračním procesu ve výrobním závodě firmy Micro Motion. Výchozí hodnota tuhosti trubice se zjistí během standardního procesu kalibrace měřidla jako průtokoměru a hustoměru zavedeného u firmy Micro Motion. Výchozí naměřená hodnota tuhosti se označuje jako tzv. tovární.

Výsledky kontrol vykonávaných uživatelem po instalaci a během používáni měřidla v technologickém zařízení (změřená tzv. provozní tuhost) se poté porovnávají s továrními hodnotami tuhosti. Případná zjištěná odchylka indikuje, že došlo ke změně vlastností měřicí trubice a že měřidlo je třeba ověřit nebo znovu kalibrovat.

Ověřovací procedura spočívá v porovnání údaje průtoku získaného z měřidla značky Micro Motion s údajem z jiného průtokoměrného zařízení. Tímto sekundárním referenčním průtokoměrem může být tzv. prover, běžně používaný v ropném průmyslu, nebo jiný vhodný etalon s dobře známými vlastnostmi. Někdy se používají jiné metody, méně přesné, jako např. zachycení a zvážení proteklého množství kapaliny.

Nová kalibrace, k níž je nutný primární etalonový průtokoměr, se obvykle provádí buď v samostatné kalibrační laboratoři nebo ve výrobním závodě firmy Micro Motion.

Změna tuhosti může také indikovat potřebu kontroly fyzické celistvosti měřidla. Příčinou změny tuhosti může být koroze, eroze anebo jiné mechanické poškození měřicí trubice. Fyzickou celistvost měřidla lze zkontrolovat jeho vizuální prohlídkou s použitím boroskopu (tj. pevného endoskopu).

4.2 Verifikace měřidla potvrzuje správnost údajů průtoku a hustoty
Vcelku platí, že vlastnosti Coriolisových průtokoměrů se v převážné většině úloh, v nichž jsou použity, po dobu provozního života přístrojů nemění. Je známo, že měřidla jsou provozována po dobu delší než deset let s původní přesností bez potřeby jakékoliv změny kalibrační závislosti. Kontrola celistvosti struktury měřidla, při níž se nezjistí žádná změna tuhosti měřicí trubice, potvrzuje, že měřidlo měří průtok i hustotu s přesností odpovídající prvotním výrobním specifikacím. Jeli měřidlo takto úspěšně verifikováno, může si uživatel být navíc jist tím, že není nijak narušena fyzická celistvost jeho měřicích trubic.

Je-li měřicí trubice poškozena působením koroze nebo eroze, při kontrole se zjistí změna její tuhosti. Protože existuje v podstatě přímá závislost mezi tuhostí a parametry kalibračních závislostí trubice pro průtok a hustotu, je změna tuhosti pro operátora zařízení upozorněním, že měřidlo je nutné zkontrolovat. Pro úplnost je ovšem třeba poznamenat, že uvedená závislost není úplně přesná a že je podmíněna tvarem měřicí trubice a způsobem poškození (rovnoměrné, nebo místní).

4.3 Provozní podmínky při verifikaci měřidla
Co se týče provozních podmínek, je při kontrole celistvosti struktury měřidla kladeno jen několik málo omezujících požadavků. Na hustotě měřené tekutiny nezáleží, neboť má vliv pouze na celkovou hmotnost měřicí trubice a tuhost nezávisí na hmotnosti.

Eliminován je také vliv teploty média. Verifikace bude beze změny účinná v celém stanoveném rozsahu pracovních teplot průtokoměru.

Při verifikaci měřidel uvedenou metodou není rovněž třeba přerušovat tok média potrubím. Dočasně zmenšit průtok může být nutné jen ve zvláštních případech extrémně velkých průtoků, kdy turbulence v potrubí mohou být zdrojem rušení při verifikaci.

Přestože tok potrubím při kontrole není třeba přerušovat, nejsou po dobu trvání verifikace k dispozici výstupní údaje z měřidla. Řešením je např. nastavit technologické proměnné v řídicím systému na implicitní nebo výstražné hodnoty, popř. je po dobu, kdy probíhá verifikace, udržovat na poslední naměřené hodnotě.

Co však je při verifikaci důležité, je udržet stálé pracovní podmínky měřidla. Vnitřní algoritmus měřidel značky Micro Motion sleduje, zda během verifikace kontroly nenastaly velké změny průtoku, hustoty anebo teploty média. Rychlé změny vnitřních nebo vnějších pracovních podmínek měřidla mohou způsobit selhání procesu verifikace. Dříve než verifikaci spustí znovu, musí uživatel zajistit obnovení ustáleného stavu uvnitř potrubí, ustálené teploty okolního prostředí apod.

4.4 Při verifikaci se ověří také elektronika přístroje
Aby byla správně změřena tuhost měřicí trubice, musí správně pracovat i elektronické obvody a software přístroje. Kontrolní algoritmus proto před vlastním měřením tuhosti trubice ověří chování elektroniky měřidla v uzavřené smyčce tak, že připojí její výstup přímo ke vstupu. Úspěšná verifikace je tak potvrzením toho, že nejen nedošlo ke změně mechanické struktury měřidla, ale že správně funguje i jeho elektronika.

4.5 Ověření konfigurace, nuly a výstupu
Přestože mechanická část i elektronické obvody přístroje fungují správně, uživatel může obdržet nesprávné hodnoty průtoku nebo hustoty. Je tomu tak tehdy, je-li použita jiná kalibrační závislost, než jaká byla do měřidla vložena ve výrobním podniku. Uživatel tudíž musí zabránit tomu, aby byla změněna kalibrační závislost v převodníku měřicího signálu z čidel pohybu měřicí trubice na výstupní signál měřidla, ať již záměrně, nebo náhodou.

Příčinou nesprávných výstupních údajů může být také nesprávné přestavení nuly měřidla uživatelem, což verifikace cestou kontroly celistvosti struktury měřidla neodhalí. U Coriolisových průtokoměrů je velmi důležité, aby byly nulovány náležitým způsobem při ustáleném stavu okolního prostředí. Coriolisova měřidla značky Micro Motion Elite^® není nutné znovu nulovat, kromě skutečně velmi výjimečných případů.

Při kontrole měřidla softwarovým nástrojem Micro Motion ProLink^® II verze 2.5 nebo vyšší se automaticky ověřuje, zde nedošlo ke změnám konfigurace anebo nastavení nuly přístroje. Je-li zjištěna změna, program upozorní obsluhu.

Algoritmus kontroly celistvosti struktury měřidla neověřuje správnost ani zapojení výstupní kabeláže, ani závěrečného převodu měřicího signálu z trubice na proudový nebo frekvenční výstup převodníku průtoku nebo hustoty. Neodhalí tedy přerušený vodič mezi převodníkem a návazným zařízením ani nesprávně zvolené měřítko při převodu měřicího signálu na výstup v miliampérech nebo hertzech, které rovněž může zapříčinit nesprávné údaje průtoku nebo hustoty. Doplňkové nástroje k ověření integrity výstupu z převodníku nabízí software Prolink II.

5. Přínosy uživatelům

Verifikace Coriolisova měřidla cestou kontroly celistvosti jeho struktury představuje jednoduchý, robustní nástroj k ověřování měřidel. Pro uživatele jsou zejména významné přínosy v oblasti zajišťování bezpečnosti a výkonnosti technologického zařízení a kvality produkce.

Verifikace měřidel uvedenou metodou pomáhá eliminovat prostoje výrobního zařízení, snižuje náklady na jeho údržbu a zvyšuje bezpečnost výrobních závodů. Používání měřidel s ověřenými vlastnostmi navíc umožňuje vyrábět kvalitnější produkty při minimalizaci množství odpadu i předělávek nepodařených produktů.

6. Souhrn

Verifikace cestou kontroly celistvosti struktury měřidla (tuhosti měřici trubice) využívající základní fyzikální zákony pohybu hmotných těles zajišťuje, že průtokoměry značky Micro Motion téměř bezpochyby správně měří příslušné technologické veličiny. V kombinaci se spolehlivostí vlastní Coriolisovým měřidlům umožňuje tato metoda vyloučit finanční výdaje a pracovní úsilí dosud vynakládané uživateli na nezbytné kontroly metrologických vlastností měřidel průtoku a hustoty tekutin, a tím maximalizovat návratnost vynaložených prostředků.

Literatura:
[1] STRNAD, R.: Co očekáváte od hmotnostního průtokoměru? Automa, 2006, roč. 12, č. 2, s. 50–52.
[2] STRNAD, R.: Co očekáváte od hmotnostního průtokoměru aneb jsou bublinky problém? Automa, 2006, roč. 12, č. 3, s. 36–37.
[3] STRNAD, R.: Verifikace kalibračního koeficientu on-line aneb aktivně proti zanášení a korozi. Automa, 2006, roč. 12, č. 4, s. 32–34.

Tim Cunningham, Chuck Stack, Chris Connor:
Micro Motion, Inc., Emerson Process Management

Z anglického originálu Using Structural Integrity Meter Verification to Verify Coriolis Flowmeters, Micro Motion White Paper WP-00948, 2007, přeložil Karel Suchý, úprava a odkaz na literaturu redakce; otištěno se svolením Emerson Process Management, s. r. o.