Кориолисовые массовые расходомеры и плотномеры

Что такое кориолисовый массовый расходомер и что он измеряет?

Большинство промышленных технологий измерения расхода определяют объем. Чтобы перейти к массе, им нужны дополнительные данные о плотности, температуре и давлении, а также цепочка вычислений. Кориолисовый массовый расходомер работает иначе: он напрямую воспринимает массу среды через силу инерции, с которой поток действует на колеблющиеся измерительные трубки. Погрешность измерения определяется массовым расходом, поэтому выдаваемое прибором значение массы не смещается при изменении рабочей температуры, давления или состава среды.

Отслеживая собственную частоту трубок, тот же датчик измеряет плотность среды, а встроенный датчик температуры — температуру процесса. Объемный расход вычисляется по измеренным массе и плотности. Такая многопараметрическая схема служит основой и для производных величин — концентрации, массы нефти нетто или объемного газосодержания, — которые рассчитывает прикладное программное обеспечение преобразователя.

Описанные на этой странице приборы — не отдельное изделие, а платформа датчиков с различной геометрией трубок, типоразмерами, материалами проточной части и вариантами преобразователей. Поэтому точность, номинальное давление, температурный диапазон и присоединение к процессу зависят от выбранного типоразмера, материала и конфигурации. Подходящий расходомер определяется расчетом по данным процесса; для общего сравнения технологий обратитесь к разделу «Измерение расхода».

Как кориолисовый расходомер измеряет массу и плотность

Эффект Кориолиса — сила инерции, действующая на массу, которая движется во вращающейся системе отсчета. В кориолисовом расходомере вращение заменено управляемыми колебаниями измерительных трубок. Измерительная цепочка включает следующие этапы:

Возбуждение колебаний измерительных трубок

Узел возбуждения внутри датчика поддерживает непрерывные синусоидальные колебания трубок, по которым проходит среда. Это движение не является полным вращением по окружности, однако создает вращающуюся систему отсчета, необходимую для возникновения силы Кориолиса.

Закручивание трубок потоком и разность времени

При отсутствии потока обе трубки колеблются синфазно, и детекторы на входной и выходной сторонах формируют одинаковые сигналы. Когда среда начинает двигаться, ее масса создает на входном и выходном участках силы Кориолиса противоположного направления: трубки закручиваются, и между сигналами двух детекторов возникает измеримая разность времени.

Вычисление массового и объемного расхода

Разность времени между сигналами входа и выхода прямо пропорциональна массовому расходу. Преобразователь переводит ее в массовый расход с помощью калибровочных коэффициентов; объемный расход получают делением массового расхода на измеренную плотность.

Плотность по собственной частоте трубок

Трубки возбуждаются на собственной частоте. При изменении массы среды внутри них собственная частота соответственно смещается: более плотная среда ее снижает. Изменение частоты пересчитывается в значение плотности, которое выдается одновременно с массовым расходом.

Измерение температуры и компенсация свойств материала

Датчик температуры в сенсоре служит для коррекции влияния температуры на модуль упругости (модуль Юнга) материала трубок. Измеренная температура процесса может также передаваться в систему управления как самостоятельный выходной параметр.

Число Маха и потеря давления при измерении газа

При измерении газа выбор датчика определяется прежде всего числом Маха — отношением скорости газа в трубках к скорости звука в этом газе. Типовой номинальный расход газа рассчитывают при числе Маха 0,2, а рекомендуемый максимальный — при 0,3. При числе Маха выше 0,3 газ ведет себя как явно сжимаемая среда, и потеря давления резко возрастает; это ограничение газовой динамики, которое действует независимо от технологии измерения.

Максимальный расход газа, рассчитанный для датчика, не может превышать максимальный расход жидкости для того же датчика: действует меньшее из двух значений. Поскольку потеря давления и достижимый динамический диапазон в газе зависят от рабочей температуры, давления и состава, каждое газовое применение следует рассчитывать индивидуально, учитывая одновременно фактическую скорость потока и скорость звука.

Роль частоты возбуждения при двухфазном потоке

Пузырьки газа в жидкости или капли жидкости в газовом потоке влияют на кориолисовое измерение двумя путями. Снижение скорости звука в среде может приводить к завышению показаний из-за взаимодействия акустической моды с модой возбуждения, а относительное движение пузырьков или частиц относительно жидкости (эффект расцепления, decoupling) — к занижению. В соответствии с подходом рекомендации NAMUR NE 132 датчики с более высокой частотой возбуждения чувствительнее к пузырькам газа в жидкости.

Поэтому датчики платформы разделены на классы по частоте возбуждения: сверхнизкая (ниже 100 Гц) и низкая (100–150 Гц) — предпочтительный выбор для двухфазного потока; средняя (150–300 Гц) допустима в отдельных случаях; высокая (выше 300 Гц) для двухфазных сред не рекомендуется. Крупные датчики DN150 и выше относятся к классу сверхнизкой частоты. Основные средства ограничения неопределенности измерения в таких условиях — правильный подбор типоразмера, подходящая монтажная ориентация, сигнализация о степени многофазности и высокоскоростная цифровая обработка сигнала.

Стабильность нуля и точность при малых расходах

Номинальным называют расход, при котором вода в референсных условиях создает на датчике перепад давления около 1 бар. Когда расход опускается значительно ниже номинального, точность начинает определяться стабильностью нуля: погрешность рассчитывается как отношение стабильности нуля к фактическому расходу. Для одного из датчиков, приведенного в качестве примера, погрешность сохраняется на уровне 0,05 % до динамического диапазона 30:1 и может возрасти до 0,25 % при 60:1, тогда как потеря давления в том же диапазоне быстро снижается — пропорционально квадрату расхода.

Хотя измеренное значение массы не зависит от рабочей температуры, давления и состава среды, потеря давления на датчике от них зависит. Если температура процесса отличается от температуры калибровки, возникающее смещение расхода устраняется установкой нуля при обычной рабочей температуре; влияние давления процесса компенсируется либо текущим сигналом от датчика давления, либо фиксированным поправочным коэффициентом

Ключевые особенности платформы

Перечисленные ниже особенности относятся к платформе в целом; для отдельных типоразмеров или материалов часть опций может быть недоступна.

·         Многопараметрическое измерение одним датчиком: Массовый расход, плотность и температура процесса измеряются одновременно, а объемный расход вычисляется на их основе. Это снижает потребность в отдельной цепочке из плотномера, датчика температуры и вычислителя расхода.

·         Широкий ряд типоразмеров и производительностей: Датчики охватывают диапазон от DN1 до класса DN250–DN300; максимальный расход жидкости в зависимости от типоразмера составляет примерно от 40,9 кг/ч до 3 266 000 кг/ч.

·         Раздельно нормированные характеристики для жидкости и газа: Для жидкостей и суспензий предусмотрены стандартный и повышенный (премиум) классы точности, для газов — собственные нормы точности и линейности. По запросу возможна калибровка в независимой газовой лаборатории с многоточечной линеаризацией.

·         Низкочастотные трубки для двухфазного потока: Датчики со сверхнизкой и низкой частотой возбуждения рассчитаны на ограничение влияния газовых включений в жидкости или жидкости в газе. Функция обнаружения многофазности заблаговременно сообщает о таких условиях и их степени.

·         Верификация на месте установки: Целостность трубок, электроники и калибровки проверяется без прерывания процесса. Проверку можно запускать по расписанию, по месту или из операторной; результат доступен менее чем за 90 секунд.

·         Функция проверки нуля: Позволяет быстро оценить, требуется ли повторная установка нуля и достаточно ли стабильны условия процесса для ее выполнения. Конструкция датчика рассчитана на то, чтобы свести установку нуля на месте к минимуму.

·         Прикладное программное обеспечение: Лицензируемое ПО преобразователя охватывает дозирование, измерение концентрации, учет нефти и нефтепродуктов, расчет массы нефти нетто и объемного газосодержания, а также снижение влияния двухфазного потока.

·         Широкие возможности связи и ввода-вывода: До пяти конфигурируемых каналов ввода-вывода; двухпроводное, Ethernet- и беспроводное подключение; в зависимости от типа преобразователя — открытые протоколы 4–20 мА, HART, Modbus, PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP и FOUNDATION Fieldbus.

·         Гибкая компоновка: Электроника может монтироваться непосредственно на датчике, выносно, на стене или на DIN-рейке. Исполнение с удлиненным креплением электроники позволяет теплоизолировать корпус датчика, не закрывая преобразователь или соединительную коробку.

·         Корпус с опциями безопасности: Корпус датчика из нержавеющей стали можно заказать с разрывной мембраной или штуцером продувки. На моделях высокого давления разрывная мембрана входит в стандартное исполнение; стандартное давление срабатывания — 4,4 бар изб.

·         Журнал аудита и регистрация событий: Цифровые журналы аудита с метками времени, часы реального времени и встроенный регистратор данных упрощают прослеживание истории измерений при проверках по законодательной метрологии и аудитах качества (в зависимости от выбранного преобразователя).

Технические характеристики и метрологические данные

В таблице приведены диапазоны, охватывающие всю платформу. Значения для конкретной точки измерения следует подтверждать на этапе проекта с учетом выбранного типоразмера датчика, материала проточной части, присоединения к процессу, варианта калибровки и типа преобразователя.

Референсные условия нормирования: для жидкостей — вода при 20–25 °C и 1–2 бар изб., монтаж трубками вниз; для газов — воздух или природный газ при 20–25 °C и 34–100 бар изб., монтаж трубками вверх. Указанная погрешность по расходу включает повторяемость, линейность, гистерезис и влияние монтажной ориентации; при малых расходах определяющей становится стабильность нуля.

Основные преимущества

·         Измерение массы независимо от свойств среды: Для сред с переменным составом, температурой или давлением масса измеряется без пересчетов и принятых по умолчанию значений плотности — это устраняет источники неопределенности в расчетах рецептур, материальных балансов и запасов.

·         Больше данных о процессе при меньшем числе приборов: Получение плотности и температуры от того же датчика сокращает число отдельных приборов, точек врезки и работ по обслуживанию; производные величины, например концентрацию, можно рассчитывать по тем же данным.

·         Планирование калибровки на основе данных: Результаты верификации на месте позволяют оценить состояние расходомера без демонтажа и помогают назначать межкалибровочные интервалы исходя из фактического состояния прибора.

·         Устойчивость в сложных условиях потока: Трубки с низкой частотой возбуждения, обнаружение многофазности и высокоскоростная обработка сигнала поддерживают непрерывность измерения в жидкостях с пузырьками газа, аэрированных средах и быстро меняющихся процессах, таких как дозирование.

·         Широкий охват по температуре и давлению: Криогенные, стандартные, высокотемпературные исполнения и исполнения высокого давления позволяют закрыть разные условия процесса в рамках одной платформы, что упрощает унификацию запасных частей и знаний персонала.

·         Прослеживаемая калибровочная база: Метрологические характеристики основаны на калибровочных эталонах, аккредитованных по ISO/IEC 17025; опциональный аккредитованный сертификат калибровки и дополнительные точки поверки облегчают документирование при проверках по законодательной метрологии и аудитах качества.

·         Простая интеграция в систему: Аналоговые, импульсные, полевые шины, промышленный Ethernet и беспроводные варианты позволяют передавать данные измерений в ПЛК, РСУ, SCADA или ПАЗ в соответствии со стандартом предприятия.

·         Компенсируемые внешние влияния: Влияние температуры и давления процесса на показания задано нормированными коэффициентами; установка нуля при рабочей температуре и компенсация по текущему давлению систематически устраняют эти влияния.

Отрасли и области применения

Кориолисовые массовые расходомеры применяются там, где прямое знание массы, плотности или концентрации критично для управления процессом, качества продукции или коммерческих расчетов. Варианты материалов, температурных исполнений и сертификатов платформы поддерживают следующие области.

Нефтегазовая отрасль

Используются с ПО для учета нефти и нефтепродуктов при измерении сырой нефти и продуктов переработки, для расчета массы нефти нетто в обводненных потоках и для измерения массового расхода в газопроводах природного газа. Для узлов коммерческого учета рассматриваются исполнения преобразователя и калибровки с одобрениями законодательной метрологии.

Химия и нефтехимия

Применяются для регулирования соотношения по массе, контроля концентрации и дозирования. Для агрессивных сред можно выбрать детали из никелевого сплава C22, а для задач с высоким давлением и высокой температурой предусмотрены специальные исполнения датчиков.

Гигиенические процессы

На производствах с требованиями к гигиеническому исполнению, таких как 3A и EHEDG, датчики поставляются с чистотой поверхности проточной части 0,8 мкм и гигиеническими хомутовыми или стандартными гигиеническими присоединениями; самодренируемая конструкция упрощает мойку.

Криогенные среды и сжиженные газы

Криогенные датчики специального заказа применимы при температуре процесса до −240 °C. Ниже −100 °C погрешность по массовому расходу жидкости нормирована как ±0,35 % от измеренного значения; особые среды, например жидкий гелий или жидкий водород, требуют отдельной оценки.

Морской флот, шельф и бункеровка

Датчики с одобрениями международных классификационных обществ могут устанавливаться на судах и морских платформах. Для ряда крупных типоразмеров доступна опция калибровки по MID для бункеровки судов.

Налив, дозирование и управление рецептурой

Быстрая цифровая обработка сигнала и ПО для дозирования помогают воспроизводимо отрабатывать массовые точки отсечки в коротких операциях налива и дозирования.

Кислородное исполнение и газопроводы высокого давления

Опция декларации о чистоте для работы с кислородом и датчики высокого давления с номиналом до 413,69 бар изб. позволяют измерять массовый расход в линиях технических газов и технологических трубопроводах высокого давления.

Ключевые параметры выбора и подбора кориолисового расходомера

Кориолисовый датчик выбирают не только по диаметру трубопровода: поведение среды, допустимую потерю давления и целевую точность необходимо оценивать вместе. Для технической оценки рекомендуем уточнить следующее:

Данные о среде и процессе

·         Тип среды: жидкость, суспензия, газ или двухфазный поток; вероятность газовых включений в жидкости или жидкости в газе

·         Минимальный, номинальный и максимальный расход; плотность и вязкость (вязкость выше 500 сСт для фланцев DN100 и более следует рассматривать отдельно)

·         Минимальные / рабочие / максимальные температура и давление процесса

·         Химическая совместимость с материалами проточной части; содержание хлоридов, H₂S или абразивных частиц

·         Для газовых применений: плотность газа и скорость звука в рабочих условиях

Подбор типоразмера и целевые характеристики

·         Соотношение рабочего и номинального расхода; на линиях с ожидаемым двухфазным потоком расход не должен опускаться ниже номинального более чем в 5 раз (5:1)

·         Максимально допустимая потеря давления и производительность насоса / компрессора

·         Типоразмер датчика для газов по пределам числа Маха 0,2 (номинал) и 0,3 (максимум)

·         Влияние стабильности нуля на точность при минимальном расходе

·         Требуемая погрешность по массовому расходу и плотности (стандартная или премиум-калибровка)

Механическое исполнение и материалы

·         Материал проточной части: 316L, 304L, никелевый сплав C22 или супердуплекс

·         Стандарт присоединения к процессу и класс давления; максимальное рабочее давление, допускаемое датчиком и присоединением вместе

·         Предельное давление корпуса; необходимость разрывной мембраны или штуцера продувки

·         Требования к гигиенической поверхности и присоединениям; необходимость обогревающей рубашки или парового спутника

Условия монтажа и окружающей среды

·         Монтажная ориентация, соответствующая типу среды (для жидкостей и газов предпочтительна разная ориентация трубок)

·         Выносная электроника, если температура окружающей среды выходит за пределы −40 °C … +60 °C

·         Электроника с удлиненным креплением на теплоизолируемых высокотемпературных трубопроводах

·         Классификация взрывоопасной зоны, подгруппа газа и температурный класс

·         Уровень вибрации трубопровода и доступ к датчику для обслуживания

Электроника, связь и документация

·         Питание преобразователя (переменный ток, постоянный ток или двухпроводное питание от токовой петли) и способ монтажа

·         Аналоговый, импульсный, полевая шина или Ethernet-протокол и количество каналов ввода-вывода, требуемое системой управления

·         Применение в ПАЗ (SIS) и целевой уровень полноты безопасности (SIL2 или SIL3)

·         Необходимость одобрения для коммерческого учета, пакета верификации на месте и прикладного ПО

·         Требования к документации: аккредитованная калибровка, сертификаты на материалы по EN 10204 3.1, испытания давлением и на герметичность, радиографический контроль

Если нужен только объемный расход электропроводной жидкости, более экономичным решением могут стать электромагнитные расходомеры; для пара и измерения объемного расхода общего назначения — вихревые расходомеры; для газопроводов природного газа очень большого диаметра — ультразвуковые расходомеры газа. Технологию следует выбирать, сравнивая варианты по данным процесса.

Сертификаты, одобрения и применимые стандарты

Перечисленные ниже сертификаты и соответствия определены на уровне платформы; не каждый из них действует для любой комбинации типоразмера, материала и электроники.

Сертификаты для взрывоопасных зон определены для исполнения с выносной электроникой и четырехпроводным подключением к датчику; для исполнений с интегральной электроникой объем сертификации может быть уже. Итоговую комбинацию сертификатов следует подтверждать для каждого проекта совместно с инженерами TLY Enerji.

Инжиниринг кориолисовых узлов измерения с TLY Enerji

Успех кориолисового узла измерения обычно определяется еще до заполнения заказа: содержит ли среда газ, при каком числе Маха будет работать газовая линия, выдержит ли насос или компрессор потерю давления, как будет ориентирован датчик? Инженеры TLY Enerji прорабатывают эти вопросы по вашим данным процесса и готовят техническое предложение, в котором типоразмер датчика, материал проточной части, присоединение к процессу и вариант калибровки рассматриваются вместе.

В проектах с требованиями коммерческого учета, ПАЗ или гигиенического исполнения мы помогаем определить комбинацию сертификатов и поддерживаем интеграцию преобразователя в архитектуру ПЛК/РСУ/SCADA, подготовку проектной документации и пусконаладку. После ввода в эксплуатацию мы помогаем интерпретировать результаты проверки нуля и верификации на месте и оказываем поддержку на объекте для планирования обслуживания и калибровки, чтобы совместно обеспечивать долгосрочную надежность узла измерения.

·         Сбор данных процесса и анализ применения

·         Подбор типоразмера датчика, расчет потери давления и числа Маха

·         Проверка комбинаций материалов, присоединений и сертификатов

·         Интеграция в систему управления и проектная документация

·         Пусконаладка и поддержка на объекте

Часто задаваемые вопросы

Что такое кориолисовый расходомер и какие параметры он измеряет?

Кориолисовый расходомер — прибор, который напрямую определяет массовый расход, регистрируя силу Кориолиса, возникающую в колеблющихся измерительных трубках при движении среды. Тот же датчик определяет плотность по собственной частоте трубок, а температуру процесса — встроенным датчиком температуры. Объемный расход вычисляется по измеренным массе и плотности, поэтому один прибор выдает данные о массе, объеме, плотности и температуре.

Можно ли измерять расход газа кориолисовым расходомером?

Да. Для газов погрешность по массовому расходу нормирована как ±0,25 % от измеренного значения при повторяемости 0,20 %; после калибровки в независимой газовой лаборатории с многоточечной линеаризацией достижима погрешность ±0,1 % относительно эталона. Типоразмер определяется скоростью газа в трубках: номинальный расход рассчитывают при числе Маха 0,2, рекомендуемый максимальный — при 0,3. При более высоких скоростях потеря давления резко растет.

Какова точность измерения плотности кориолисовым расходомером?

Для жидкостей погрешность измерения плотности составляет ±0,5 кг/м³ при стандартной калибровке и ±0,2 кг/м³ при премиум-калибровке; для наименьших датчиков — ±2 кг/м³. Плотность измеряется до 5 000 кг/м³. При опциональной калибровке плотности по температуре нормы действуют в диапазоне от −17,8 °C до 60 °C. Для криогенных применений нормы точности по плотности не установлены.

Правильно ли измеряет кориолисовый расходомер при газовых включениях и двухфазном потоке?

Двухфазный поток вносит дополнительную неопределенность для любого кориолисового датчика, однако ее влияние можно существенно ограничить выбором датчика и правильным монтажом. Для таких условий предпочтительны датчики с низкой частотой возбуждения (ниже 100 Гц или 100–150 Гц), а датчики с частотой выше 300 Гц не рекомендуются. Необходимо в комплексе удерживать расход не ниже 1/5 номинального, выбирать правильную монтажную ориентацию, использовать сигнализацию о степени многофазности и ПО для двухфазных измерений.

Подходит ли кориолисовый расходомер для коммерческого учета?

Да. Платформа включает конфигурации с одобрениями по MID и OIML R 117 / R 137, а также с одобрениями законодательной метрологии NTEP, Measurement Canada и INMETRO. Пригодность для коммерческого учета зависит от комбинации датчика, преобразователя и калибровки. Национальные требования законодательной метрологии страны эксплуатации и требования к измерительной системе в целом следует оценивать отдельно для каждого проекта.

Что такое верификация расходомера на месте и заменяет ли она калибровку?

Верификация на месте — диагностическая функция, которая проверяет целостность трубок, электроники и калибровки без демонтажа датчика и остановки процесса. Проверку можно запускать по расписанию, по месту или из операторной, результат выдается менее чем за 90 секунд. Ее результаты — ценные исходные данные для назначения межкалибровочных интервалов; удовлетворяют ли они требованиям периодической поверки в рамках законодательной метрологии, нужно оценивать по применимым нормативным актам.

Как подобрать типоразмер кориолисового расходомера?

Типоразмер выбирают по диапазону расхода, допустимой потере давления и целевой точности, а не по диаметру трубопровода. Номинальный расход — это расход, при котором вода в референсных условиях создает перепад давления около 1 бар. Датчик меньшего типоразмера точнее измеряет малые расходы, но увеличивает потерю давления; в датчике большего типоразмера при малых расходах доминирует стабильность нуля. Для газов дополнительно проверяют пределы по числу Маха, для двухфазного потока — минимальное соотношение расходов.

Когда нужна установка нуля?

Датчик сконструирован так, что установка нуля на месте требуется редко. Однако если температура процесса заметно отличается от температуры калибровки, установка нуля при обычной рабочей температуре компенсирует влияние температуры на расход. Функция проверки нуля показывает, нужна ли повторная установка нуля и достаточно ли стабильны условия процесса для ее выполнения. Установку нуля выполняют при заполненной линии и полностью остановленном потоке.

При какой температуре среды работают кориолисовые расходомеры?

Стандартные датчики применимы в диапазоне от −100 °C до +204 °C, высокотемпературные исполнения — от −50 °C до +350 °C, криогенные исполнения специального заказа — до −240 °C. Температура окружающей среды для электроники должна оставаться в пределах от −40 °C до +60 °C; за этими пределами или при высокой температуре процесса выбирают выносную электронику. Для супердуплексных моделей применения выше 177,2 °C следует согласовывать заранее.