Miernik przepływu masy - Mass flow meter
Przepływomierz masowy , znany również jako bezwładnościowy przepływomierza , to urządzenie środki masowe natężenie przepływu o płynu przejeżdżających przez rurkę. Masowe natężenie przepływu to masa płynu przechodzącego przez ustalony punkt w jednostce czasu.
Przepływomierz masowy nie mierzy objętości w jednostce czasu (np. metrów sześciennych na sekundę) przechodzącej przez urządzenie; mierzy masę w jednostce czasu (np. kilogramy na sekundę) przepływającą przez urządzenie. Objętościowe natężenie przepływu to masowe natężenie przepływu podzielone przez gęstość płynu . Jeśli gęstość jest stała, to zależność jest prosta. Jeżeli płyn ma różną gęstość, to zależność nie jest prosta. Na przykład gęstość płynu może zmieniać się wraz z temperaturą, ciśnieniem lub składem. Płyn może również być kombinacją faz, taką jak płyn z porwanymi pęcherzykami. Gęstość rzeczywistą można wyznaczyć na podstawie zależności prędkości dźwięku od kontrolowanego stężenia cieczy.
Zasada działania przepływomierza Coriolisa
Istnieją dwie podstawowe konfiguracje przepływomierza Coriolisa: przepływomierz z zakrzywioną rurą i przepływomierz z rurą prostą . W tym artykule omówiono konstrukcję zakrzywionej rury.
Animacje po prawej stronie nie przedstawiają faktycznie istniejącego projektu przepływomierza Coriolisa. Celem animacji jest zilustrowanie zasady działania oraz pokazanie związku z obrotem.
Płyn jest pompowany przez przepływomierz masowy. Przy przepływie masowym rurka lekko się skręca. Ramię, przez które płyn odpływa od osi obrotu, musi wywierać na płyn siłę, aby zwiększyć jego moment pędu , a więc wygina się do tyłu. Ramię, przez które płyn jest wypychany z powrotem do osi obrotu, musi wywierać na płyn siłę, aby ponownie zmniejszyć moment pędu płynu, a zatem ramię to pochyla się do przodu. Innymi słowy, ramię wlotowe (zawierające przepływ skierowany na zewnątrz) pozostaje w tyle za całkowitym obrotem, część, która w spoczynku jest równoległa do osi, jest teraz skośna, a ramię wylotowe (zawierające przepływ skierowany do wewnątrz) prowadzi ogólny obrót.
Animacja po prawej przedstawia sposób projektowania przepływomierzy masowych z zakrzywioną rurą. Płyn jest prowadzony przez dwie równoległe rurki. Siłownik (nie pokazany) indukuje równe przeciwdrgania na odcinkach równoległych do osi, aby urządzenie pomiarowe było mniej wrażliwe na drgania zewnętrzne. Rzeczywista częstotliwość drgań zależy od wielkości przepływomierza masowego i wynosi od 80 do 1000 Hz. Amplituda drgań jest zbyt małe, aby być postrzegane, ale może to być odczuwalne przez dotyk.
Gdy płyn nie płynie, ruch dwóch rurek jest symetryczny, jak pokazano na lewej animacji. Animacja po prawej ilustruje, co dzieje się podczas przepływu masy: pewne skręcenie rurek. Ramię odciągające przepływ od osi obrotu musi wywierać siłę na płyn, aby przyspieszyć przepływającą masę do prędkości drgań rur na zewnątrz (wzrost bezwzględnego momentu pędu), a więc pozostaje w tyle za drganiami całkowitymi. Ramię, przez które płyn jest popychany z powrotem w kierunku osi ruchu, musi wywierać na płyn siłę, aby ponownie zmniejszyć bezwzględną prędkość kątową płynu (moment pędu), stąd to ramię przewodzi całości wibracji.
Ramię wlotowe i ramię wylotowe wibrują z taką samą częstotliwością, jak drgania ogólne, ale gdy występuje przepływ masowy, te dwie wibracje nie są zsynchronizowane: ramię wlotowe jest z tyłu, ramię wylotowe jest z przodu. Te dwie wibracje są przesunięte w fazie względem siebie, a stopień przesunięcia fazowego jest miarą ilości masy przepływającej przez rury i linię.
Pomiary gęstości i objętości
Przepływ masowy przepływomierza Coriolisa w kształcie litery U podaje się jako:
gdzie K u jest sztywnością rury zależną od temperatury , K jest współczynnikiem zależnym od kształtu, d jest szerokością, τ jest opóźnieniem, ω jest częstotliwością drgań, a I u jest bezwładnością rury. Ponieważ bezwładność rury zależy od jej zawartości, znajomość gęstości płynu jest potrzebna do obliczenia dokładnego natężenia przepływu masowego.
Jeśli gęstość zmienia się zbyt często, aby ręczna kalibracja była wystarczająca, przepływomierz Coriolisa można dostosować również do pomiaru gęstości. Częstotliwość drgań własnych rur przepływowych zależy od łącznej masy rurki i zawartego w niej płynu. Wprawiając rurę w ruch i mierząc częstotliwość drgań własnych, można wywnioskować masę płynu zawartego w rurze. Dzieląc masę na znaną objętość tuby, otrzymujemy gęstość płynu.
Chwilowy pomiar gęstości umożliwia obliczenie przepływu objętościowego w czasie poprzez podzielenie przepływu masowego przez gęstość.
Kalibrowanie
Zarówno pomiary przepływu masowego, jak i gęstości zależą od wibracji rury. Na kalibrację wpływają zmiany sztywności rurek przepływowych.
Zmiany temperatury i ciśnienia spowodują zmianę sztywności rury, ale można to skompensować poprzez współczynniki kompensacji ciśnienia i temperatury zerowej i rozpiętości.
Dodatkowy wpływ na sztywność rurek spowoduje zmiany współczynnika kalibracji w czasie z powodu degradacji rurek przepływowych. Efekty te obejmują wżery, pęknięcia, powłoki, erozję lub korozję. Nie ma możliwości dynamicznej kompensacji tych zmian, ale wysiłki w celu monitorowania efektów można podejmować poprzez regularną kalibrację miernika lub kontrole weryfikacyjne. Jeśli uważa się, że zmiana nastąpiła, ale jest uznana za akceptowalną, przesunięcie można dodać do istniejącego współczynnika kalibracji, aby zapewnić ciągły dokładny pomiar.