Основні теоретичні відомості. Коріолісові витратоміри належать до інерційних витратомірів, принцип дії

Резонансна частота коливань трубки залежить від її геометрії, матеріалу, конструкції та маси. Остання складається із двох частин: маси самої трубки та маси вимірюваної рідини в трубці. Маса трубки (трубок) для конкретної конструкції ПВП є незмінною. Оскільки маса рідини в трубці дорівнює добуткові густини рідини та внутрішнього об'єму трубки (який теж є константою для кожного типорозміру ПВП), то можна визначити густину рідини через вимірювання резонансної частоти коливань трубки або періоду коливань трубки. Для цього використовуються дві сенсорні трубки, які збуджуються на резонансній частоті за допомогою електромеханічного генератора з позитивним зворотнім зв’язком. Так як густина рідини залежить від її температури, то така зміна, що спричинена коливаннями температури рідини, враховується за допомогою додаткового температурного сенсора (термометра опору), який розміщується в ПВП масової витрати.

Основні переваги коріолісових витратомірів: висока точність вимірювання

параметрів упродовж тривалого часу; можливість роботи незалежно від напряму потоку; відсутність необхідності прямолінійних ділянок трубопроводу перед і після витратоміра; надійна робота в умовах вібрації трубопроводу, змінюваності температури та тиску контрольованої рідини; тривалий термін служби та простота обслуговування, оскільки немає рухомих та зношуваних частин; немає потреби в періодичному перекалібруванні та регулярному технічному обслуговуванні.

Подібні ПВП дозволяють вимірювати витрату в дуже широких межах із

похибкою, що становить частки відсотка. Наприклад, коріолісів витратомір із

сенсорами D фірми дозволяє вимірювати витрати від 55 до 680400

кг/год з похибкою 0,15 % та відтворюваністю 0,05 % від вимірюваної витрати.

3.2. Витратомір – густиномір Sitrans FC Massflo фірми «Siemens»

Kоріолісовий витратомір Sitrans FC Massflo складається із первинного вимірювального перетворювача (сенсора) витрати MASS 2100/M (рис.2,а) та вимірювального мікропроцесорного перетворювача MASS 6000 (рис.2,б). Сенсор безпосередньо вимірює витрату, густину і температуру, а перетворювач - конвертує отриману від сенсора інформацію в цифрову форму та стандартні вихідні сигнали.

Основними елементами ПВП витрати є дві витратомірні сенсорні трубки U-

подібної форми 5 (рис. 1,г). Підведена до сенсора вимірювана рідина розділяється на рівні половини, що протікають через кожну із сенсорних трубок 5. На сенсорних трубках монтуються з'єднувальна коробка із силовою електромагнітною (задавальною) котушкою збудження 3 та магнітом, два детектори 2 та 4 з магнітами й електромагнітними котушками і термометр опору (на рис. 1,г не показано). Сенсорні трубки закріплені до основного

трубопроводу так, що їхні площини утворюють між собою деякий кут.

Між площинами трубок на одинаковій відстані від середини згину

трубок і симетрично їм, розташована задаюча електромагнітна котушка, яка через спеціальний электромеханічний ланцюг збуджує механічні коливання сенсорних трубок, при чому трубки коливаються вверх-вниз у протилежних напрямках по відношенню одна до одної. Збудження самої електромагнітної котушки відбувається від задаючого електронного генератора сінусоїдальної

форми коливань з позитивним зворотним зв’язком на самозбудженні. При русі

вимірюваного середовища через трубку-сенсор з’являється фізичне явище,

відоме як ефект Коріоліса, яке спричиняє скручування трубок.

ПВП прямо вимірює масову витрату, густину і температуру. Перетворювач конвертує отриману від сенсора інформацію в стандартні вихідні сигнали.За отриманими значеннями масової витрати Q_м та густини ρ (із поправкою на температуру рідини) обчислюється об'ємна витрата Q_о. Дія задавальної електромагнітної котушки 3, що розміщена в центрі вигину вимірювальних трубок, призводить їх коливання, що подібні коливанням камертона.

а)б)

Рис.2. Загальний вигляд ПВП а) та мікропроцесорного перетворювача б) витратоміра Коріоліса фірми «Siemens».

Детектори вимірюють фазовий зсув під час руху протилежних сторін сенсорних трубок. Кожна котушка рухається в однорідному магнітному полі постійного магніту. Згенерована напруга від кожної котушки детектора має форму синусоїдної хвилі (рис. 3). Коли витрат у трубках 5 немає (рис.1,г), синусоїдні сигнали, що надходять із детекторів, мають однакову фазу (рис. 3,а). При зростанні витрати за рахунок вигину сенсорних трубок генеровані детекторами 2 та 4 сигнали не збігаються за фазою (рис. 3,б), оскільки сигнал від вхідного боку трубок запізнюється відносно сигналу з вихідного. Різниця в часі між сигналами Δ Т, вимірювана в мікросекундах, прямо пропорційна масовій витраті. Чим більша масова витрата, тим більша різниця Δ Т (у деяких коріолісових витратомірах за допомогою ПВП положення вимірюють кут закручування сенсорної трубки).

Рис. 3. Форми сигналів детекторів без витрати (а)та з витратою (б)у сенсорних трубках ПВП коріолісового витратоміра

ПВП MASS 2100/M одночасно вимірює густину середовища, яке протікає

через сенсор. При цьому використовується основний закон виміру густини у таких витратомірах - співвідношення між масою й власною частотою коливань сенсорної трубки. У робочому режимі задаюча котушка (рис. 1,г) працює на струмі від перетворювача, який збуджує механічні коливання сенсорних трубок на резонансній частоті, яка залежить від їхньої геометрії, матеріалу, конструкції й маси. Маса трубок складається із двох частин: маси самих трубок і маси вимірюваного середовища в трубках. Для конкретного типорозміру сенсора маса трубок постійна. Так як маса вимірюваного середовища в трубках дорівнює добутку густини середовища на його внутрішній об’єм, який є також постійним для конкретного типорозміру ПВП, то частота резонансних коливань трубок однозначно зв’язана з густиною середовища. Як тільки маса вимірюваного середовища збільшується із-за збільшення його густини, відповідно зменшується власна частота коливань трубок. І навпаки - при зменшенні маси вимірюваного середовища, власна частота коливань трубок збільшується. Таким чином, густина середовища в таких витратомірах визначається шляхом вимірювання частоти власних резонансних коливань

сенсорів.

Для забезпечення режимів вимірювання по витратам та густині, амплітуда

коливань трубок автоматично регулюється задаючою котушкою через схему автоматичного регулювання підсилення задаючого генератора, що забезпечує стабільність вихідного сигналу обох сенсорів в діапазоні від 80 до 110 мВ.

Для компенсації впливу зміни температури продукту на похибку витратоміра, у ПВП MASS 2100/M вимірюється також температура середовища, яке походить крізь сенсор. Для цього в ПВП додатково установлений термометр опору Pt100, який за схемою а чотири проводи з’єднується з незрівноваженим мостом. Пропорційний витратам сигнал від обох сенсорів, виміряне значення температури та частота збудження власних механічних коливань сенсорних трубок подаються у мікропроцесорний

преретворювач сигналов MASS 6000. де перетворюються в пропорційні

витратам сигнали, які використовуються для обчислення масової та об’ємної витрати, фракційних витрати, температури та густини продукту.

Таблиця 1 (* - в діапазоні 900-1100 кг/м )

Вимірювання не залежить від електрофізичних властивостей рідини, і для визначення масової витрати не потрібно заздалегідь знати її густину, в’язкість,

тиск і температуру, тому описаний витратомір особливо підходить для

вимірювання неелектропровідних, заряджених (суміші рідини із твердими

частинками), двофазних (емульсії), неньютонівських (у яких в’язкість залежить

від швидкості) рідин.

Основні метрологічні характеристики витратоміра визначаються ПВП.

Фірма «Siemens» випускає декілька модифікацій датчиків витрати (сенсо-рів) та мікропроцесорних перетворювачів до них, які дозволяють вирішувати задачі по автоматизації різних об’єктів. Широкий вибір перетворювачів, вміщує моделі, що сконструйовані на основі MVD технології, призначених для розміщення в небезпечних зонах технологічних процесів (вибухонебезпечних), а також моделі, які інтегрально вмонтовуються на сенсорі. Мікропроцесорні перетворювачі підтримують комунікаційні протоколи по обміну інформацією HART, Modbus, Profibus і ін. Основні метрологічні характеристики MASS 2100 приведені в таблиці 1. Абсолютна похибка вимірювання витрати ПВП залежить від вибраного умовного діаметру його основного трубопроводу, який повинен дорівнювати діаметру трубопроводу, по якому проходить продукт.