Измерение расхода жидкости

     Точность  и диапазоны расходов

 

     Кориолисовые  расходомеры обеспечивают относительную  погрешность измерения расхода  равную 0,1-2% в диапазоне расходов 100:1 (отношение максимального расхода  к минимальному). В общем случае конструкции с изогнутыми трубками обеспечивают больший диапазон (100:1 до 200:1), в то время как расходомеры с прямой трубкой ограничены диапазоном от 30:1 до 50:1 и их точность ниже. Суммарная погрешность прибора складывается из основной погрешности и погрешности нулевого сдвига (zero-shift error), т. е. погрешности, связанной с ошибочным выходным сигналом, генерируемым при отсутствии потока. Погрешность нулевого сдвига вносит большой вклад в суммарную погрешность в начале диапазона расходов, где она находится в пределах 1-2%. Некоторые производители устанавливают суммарную погрешность, как сумму относительных погрешностей измерения расхода в верхней и нижних частях диапазона, в то время как другие считают ее суммой основной погрешности и погрешности нулевого сдвига. Поэтому необходимо внимательно читать сопроводительную техническую документацию при сравнении различных устройств.

     При измерении плотности типичный диапазон погрешности кориолисова расходомера  равен 0,002-0,0005 г/см³.

     Погрешности обусловлены наличием газового фактора в жидкости (воздух, газ). При равномерном распределении маленьких пузырьков необходимо затратить больше энергии для вибрации трубок, поскольку если газовая фаза отделится от жидкости, то она ослабит силовое воздействие жидкости на трубки, следовательно, появится погрешность. Небольшие пустоты вызывают шум из-за ударов жидкости по трубам. Большие пустоты повлекут увеличение затрачиваемой энергии для вибрации трубок до недопустимого уровня, что может привести к аварии.

     Во  время работы на трубку действуют аксиальные, изгибающие и скручивающие силы. Если изменения температуры и давления жидкости или окружающей среды оказывают влияния на эти силы, то это может привести к изменению эксплуатационных свойств расходомера и может потребоваться его перенастройка.

 

      Размеры и падение  давления 

     Из-за широкого диапазона расходов кориолисового  расходомера (от 30:1 до 200:1), один и тот  же расход может измеряться двумя  или тремя разными размерами  трубок. Используя расходомер наименьшего  размера можно снизить затраты на его приобретение, но при этом возрастут скорости коррозии или эрозии, возникнет необходимость в увеличении давления в линии – все это повлечет за собой большие эксплуатационные убытки.

     Использование расходомера меньшего размера, чем  труба приемлемо тогда, когда  размер трубы завышен и жидкость не содержит механических примесей, а  также обладает низкой вязкостью. При  работе с коррозионными, абразивными  или вязкими средами уменьшение размеров расходомера не рекомендуется. Список приемлемых размеров труб и соответствующих падений давления, погрешностей и скоростей потока может быть получен у производителя.

     Обычно  кориолисовы расходомеры требуют  большего перепада давления, чем традиционные объемные расходомеры, которые обычно работают при перепаде менее 0,069 MПа. Это объясняется уменьшенным диаметром трубок, по сравнению с трубопроводом и криволинейной траекторией потока в расходомере (гидравлическое сопротивление).

     Применения  и ограничения

 

     Кориолисовы массовые расходомеры могут обнаруживать поток всех жидкостей, включая ньютоновских и неньютоновских, а также достаточно плотных газов. Они могут применяться  на производстве, где предъявляются  жесткие санитарные условия и  где требуется гигиеничность.

     При сливе жидкости из резервуара, автоцистерны, железнодорожной цистерны может  возникнуть поток, состоящий из двух отдельных фаз (жидкость и газ). При  этом показания прибора будут  ошибочными. Если контроллер имеет  функцию обнаружения двухфазного  потока, то измерения будут автоматически остановлены. Контроллер может обнаружить такой поток по чрезмерно высокой потребляемой приводом энергии или по падению плотности потока (уменьшение амплитуды выходного сигнала датчика).

     Количество  попутного воздуха, допускаемое прибором, зависит от вязкости жидкости. Жидкости с вязкостью до 300,000 мПа/c могут измеряться кориолисовым расходомером. Содержание газа в таких высоковязких жидкостях может быть до 20%, причем газ должен быть в виде мелких пузырьков, гомогенно диспергированных. Газ в жидкостях с низкой вязкостью, как молоко, отделится при концентрации газа до 1%.

     Стоимость расходомера среднего размера (до 2 дюймов (50,8 мм)) находится в пределах 4000-5000$. Применение таких расходомеров рационально там, где требуется высокая точность (узел коммерческого учета), а также там, где необходимо измерять несколько параметров (включая плотность, температуру, давление). С другой стороны их применение нерационально, при измерениях в простых системах, где объемные расходомеры достаточны и высокая точность не так важна.

     Конструкции с прямой трубкой обычно используются для жидких растворов и других многофазных жидкостей. Поток в  конструкции с двумя трубками разделяется на два потока и эти  потоки не обязательно должны абсолютно  одинаковый массовый расход (но они должны иметь одинаковую плотность). Разные плотности в двух трубках разбалансируют систему, и это создаст ошибки при измерении. Следовательно, если в потоке присутствует вторая фаза, то обычный разделитель может не распределить равномерно поток по трубкам.

     Конструкция с одной трубкой также предпочтительна  для измерения жидкостей, которые  могут создать отложения на стенках  и/или засорить прибор. Прямая трубка, если она подобрана так, чтобы  по ней проходила максимально  возможная по размеру твердая частица жидкости, имеет меньшую вероятность засорения, и она легче очищается. Прямые трубки могут быть очищены механическими средствами, в то время, как изогнутые обычно промываются специальным раствором при скоростях, превышающих 3 м/c. Прямые трубки также используются в санитарных условиях, т.к. они обладают требованием самозаполнения.

     Длинные изогнутые трубки изгибаются лучше, чем короткие и прямые, поэтому  они создают более сильный  сигнал в одинаковых условиях.

     Прямотрубные  расходомеры выдерживают большие напряжения трубы и вибрацию, легко устанавливаются, требуют меньший перепад давления, могут быть очищены механически, более компактны и требуют меньше места для установки.

     Они также используются при измерении  жидкости, которая может затвердеть при определенной температуре. 

     Кориолисов  расходомер может продолжительно работать с жидкостью, чья температура  достигает 230⁰С. Для этого используют следующую конструкцию: 

     

     Рис 

     Внутреннюю  полость заполняют азотом, т.к. он имеет малый коэффициент теплопроводности (0,0025 Вт/К*м) для того, чтобы быстро распределить теплоту во внешней U-образной трубке. Внешняя трубка покрыта слоем теплоизоляции. Такая конструкция обеспечивает постоянство температуры трубок, по которым течет жидкость. Это способствует увеличению точности показаний.  

     Рекомендации  по установке 

     Кориолисовы расходомеры не имеют ограничения  по числу Рейнольдса измеряемой жидкости. Они также не чувствительны к  изменению распределения скорости по сечению и к вихрям. Поэтому  не существует требования подвода и отвода жидкости по прямым трубам к расходомеру, чтобы подготовить поток. 

     

     Рис 

     Прибор  должен быть установлен так, чтобы он был постоянно заполнен и чтобы  не образовывалось воздушных пробок в системе. Наиболее предпочтительная схема установки является вертикальная с направлением движения потока вверх (рисунок 5-6B), но установка в горизонтальных линиях (рисунок 5-6A) тоже приемлема. Установка в вертикальном положении с направлением движения потока вниз не рекомендуется.

     В новейших конструкциях Кориолисовых расходомеров нормальная вибрация трубопровода не должна создавать помехи прибору, если он правильно установлен в трубопроводе (рисунок 5-6C). Прибору не требуется дополнительных суппортов, но стандартные конструкции суппортов должны быть расположены по обейм сторонам от прибора. Если в инструкции по установке упоминаются дополнительные средства, то вероятно, что этот прибор чувствителен к вибрации, и пульсационные демпферы, гибкие соединения и специальные разъемы, рекомендованные производителем должны быть установлены в надлежащем порядке.

     Если  существует большая вероятность  присутствия пузырьков воздуха  в жидкости, то рекомендуется установить воздушный дегазатор перед входом в расходомер. Рекомендуется устанавливать  фильтры или воздушные дыхательные клапаны для отвода воздуха или паров, т. е для удаления всех нежелательных вторичных фаз. 

     

     Рис 

     Рисунок 5-7С иллюстрирует установку устройства для удаления воздуха. Его функция  заключается в уменьшении скорости потока, в результате чего у воздуха, который находится в жидкости, имеется больше времени, чтобы выделиться из потока и удалиться вентиляцией. Увеличение или уменьшение уровня жидкости в емкости устройства для удаления воздуха, в результате его накопления, закрывает или открывает вентиляционный клапан и выпускает воздух (рисунок 5-7 A и В).

     Обязательным  требованием настройки расходомера (установки на нуль) является отсутствие воздуха в системе.

 

      Вывод 

     По  вышеизложенным фактам можно сделать  следующий вывод - установка современных приборов массовой расходометрии с малой относительной погрешностью измерения массы на узлах учета является целесообразной, несмотря на их дороговизну.

     Экономический эффект делает установку таких приборов быстро окупаемой за счет:

• увеличения точности, надежности и объективности измерений;
• уменьшения безвозвратных потерь при отпуске нефтепродуктов;
• автоматизированного сбора, обработки и передачи информации о продуктопотоках.

 

      2.7.1 Кориолисовые расходомеры

     Принцип действия основан на возникновении  ускорения и силы Кориолиса в массе жидкости или протекании их через вибрирующую U-образную трубку. Расходомер состоит сенсора и преобразователя сигнала. Сенсор состоит из одной или двух U-образных трубок (нержавеющая сталь), электромагнитной катушки, расположенной в центре изгиба, 2-х индуктивных датчиков и поверхностного термометра сопротивления. 

       

     Среда, расход которой измеряется, поступает  на вход преобразователя и изменяет направление движения по U-образной трубке. Среда проходит по одному колену трубки в прямом направлении, а по другому- в обратном. В середине U-образной трубке на её конце установлен электромагнит- вибровозбудитель, сообщающей трубке поперечное синусоидальное колебание. При этих условиях среда протекающая по трубке имеет поступательное и вращательное движение. Их совокупность вызывает появление ускорения и силы Кориолиса. За счёт разной направленности поступательного движения среды по коленам трубки сила Кориолиса в зоне перехода прямых участков трубки в дугообразные воздействует в противоположных направлениях и в зоне перехода на трубку действуют моменты сил, изгибающие трубку в вертикальной плоскости. Во входной половине трубки сила Кориолиса, действующая на трубку со стороны среды, расход которой измеряется, препятствует смещению трубки, а в выходной способствует смещению. В зонах перехода дугообразного участка трубки в прямолинейные участки установлены электромагнитные преобразователи результирующих колебаний трубки. Трубка колеблется в вертикальной плоскости с амплитудой пропорциональной массе среды протекающей через U-образную трубку. Электромагнитные преобразователи измеряют величину амплитуды колебаний и сдвиг фаз, который происходит за счёт отставания возникновения сил Кориолиса на сопряженных участках. Расход определяется путём измерения временной задержки между сигналами электромагнитных преобразователей, а плотность- измерением резонансной частоты колебаний (резонансная частота является функцией массы, а масса пропорциональна плотности). Термометр сопротивления на поверхности трубки учитывает изменение модуля упругости материала трубки.