Co očekáváte od hmotnostního průtokoměru?

Co očekáváte od hmotnostního průtokoměru?

Hmotnostní průtokoměry na principu Coriolisovy síly jsou jednoduché i složité zároveň. Jak je to možné? Odpověď je skryta v definici pojmů jednoduchý a složitý.

Hmotnostní průtokoměry jsou jednodušší k použití a ke konfiguraci než např. clonová měřidla průtoku. Při měření clonovými měřidly jsou nutná tři nezávislá měření – rozdílu tlaků na cloně, statického tlaku a teploty. Uživatel musí instalovat rovné úseky potrubí a měl by znát efekty disturbancí rychlostního profilu měřeného média. K tomu je ještě nutné znát hustotu média (zjistí se výpočtem nebo měřením). Pro tato měření bývá často používán přepočítávač (flow computer). Hmotnostní průtokoměr naproti tomu nevyžaduje žádné další měření ani rovné úseky potrubí. Přímo měří hmotnostní průtok, hustotu a teplotu měřeného média, a to s přesností a přestavitelností několikanásobně lepší než „klasické“ měřicí principy.

Historicky je okolo hmotnostních průtokoměrů udržována bariéra složitosti instalace. Byla způsobena rigorózností některých výrobců při instalaci přístroje (ukotvení a nulování senzoru). Pouze společnost Micro Motion, jedna z více než šedesáti divizí světového koncernu Emerson Process Management, přichází s převratnou novinkou: průtokoměrem Enhanced Elite, který není nutné po jeho instalaci v provozu nulovat. Vývoj tohoto přístroje je podložen dlouholetými zkušenostmi z množství aplikací hmotnostních průtokoměrů v praxi (viz text v rámečku).

Očekávání, nebo slib?

Nové typy průtokoměrů Enhanced Elite měří kvalitně, stabilně a přesně za všech podmínek vyskytujících se v provozu. Jsou odolné proti všem efektům, které mají u klasických průtokoměrů vliv na kvalitu měření, jako např. mechanické namáhání potrubí, výrazné kolísání tlaku, výrazné kolísání teploty, kolísání okolní teploty a vlhkosti, změny hustoty média nebo vibrace.

Obr. 1. Výsledky testu snímače CMF300 Enhanced Elite provedeného laboratoří NIST na kapalném dusíku

Již „standardní“ průtokoměry Elite se vyznačují unikátními vlastnostmi, které z nich dělají velmi robustní snímače do značné míry odolávající dříve uvedeným vlivům. Každý snímač je ve výrobním závodě kalibrován vodou. Přístroje se vyznačují stálostí kalibračního faktoru při změnách měřeného média, teploty a tlaku. Ale jak je na tom „nula„ snímače? Všichni výrobci uvádějí chybu nuly závislou na teplotě i tlaku a na podmínkách při nulování. Jak zařídit, aby se „nula„ senzoru při změně provozních podmínek neposouvala?

Základní vlastností průtokoměrů Enhanced Elite je to, že nulu je možné nastavit jen jednou ve výrobním závodě, a jen při velmi specifických podmínkách je nutné ji znovu nastavovat na místě použití. Na obr. 1 jsou výsledky testu měření průtoku kapalného dusíku v nezávislé laboratoři NIST (nejistota měření v laboratoři je menší než 0,2 %). Tento přístroj byl ve výrobním závodě kalibrován vodou při 20 °C a při této teplotě vynulován. Při měření byla teplota média –190 °C. Výsledky testu potvrdily, že při změně teploty o více než 210 K není nutná žádná kalibrace, a to ani kalibrace nuly.

Co se týče kalibrace ve výrobním závodě, je nutné si uvědomit, že jde o nastavení kalibračních konstant pro hmotnostní průtok, hustotu a nulu senzoru. Přesnost měření ve všech laboratořích ve výrobních závodech společnosti Emerson Process Management, kde se vyrábějí Coriolisovy průtokoměry, je velmi vysoká (na úrovni národních etalonů jednotlivých zemí). Proto jsou kalibrační konstanty velmi přesně určeny; to spolu s konstrukcí průtokoměrů přispívá k tomu, že není nutné je na místě použití znovu nastavovat.

Zlepšené vlastnosti snímačů Enhanced Elite

Dynamika senzoru
Měřicí trubice Coriolisova snímače vibruje. To je skutečnost, která vyplývá z principu měření. Pro správné měření je ale nutné, aby její vibrace byly vybuzeny pouze zdrojem kmitů, který je součástí průtokoměru. Jsou-li vibrace nebo namáhání přenášeny z externích zdrojů, mívají s tím klasické senzory hmotnostních průtokoměrů problémy. Konstruktéři společnosti Emerson Process Management změnili vyvážení trubic snímače i vnitřní součásti snímače. Tyto změny umožňují vliv externích vibrací efektivně eliminovat. Jde o základní kritérium při konstrukci hmotnostního průtokoměru, jehož splnění umožňuje používat je i v extrémních podmínkách k měření médií s malou hustotou (vodík) i velkou hustotou (suspenze) od extrémně nízkých teplot (zkapalněné plyny) až po vysoké teploty.

Elektronika a software

První velký krok, který učinila společnost Micro Motion v roce 1999, bylo uvedení snímače MVD – prvního plně digitálního snímače, jenž je i v současné době komerčně dostupný, na trh. Vynikl výrazně větším výpočetním výkonem a zcela novými algoritmy filtrace.

Pro zlepšení měření nehomogeních médií byl vyvinut nový obvod řízení buzení kmitání trubic senzoru s adaptivní filtrací, který umožňuje měřit kapalná média s 10 % plynné fáze. Vedlejším efektem tohoto zlepšení je možnost měření (validace) integrity struktury trubic senzoru. To dovoluje zjistit změny chování snímače způsobené korozí, erozí, poškozením přetlakem a usazováním média. To vše za plného provozu měření.

Měření teploty a hustoty

V každém snímači hmotnostního průtoku je instalováno integrální měření teploty trubic. Při změnách teploty se mění modul pružnosti materiálu trubice, což ovlivňuje měření. Tento vliv je kompenzován elektronikou snímače. Teplota je důležitá také pro měření hustoty. Standardní přesnost tohoto měření je ±1 K. Nový typ senzoru umožňuje měřit s přesností ±0,5 K a tím zlepšit přesnost měření hustoty na ±0,2 kg/m3 v rozsahu teplot od –20 °C do +40 °C. Tato přesnost je lepší, než mají speciální laboratorní hustoměry.

Verifikace vlastností snímačů Enhanced Elite

Společnost Micro Motion za poslední tři roky investovala více než 1,2 milionu dolarů do vybudování kalibračních laboratoří s možností měření za různých podmínek:

• měření průtoku vody při +20 °C až +85 °C,
• měření průtoku vysokoviskózních médií až do dynamické viskozity 100 Nsm^–2,
• měření průtoku médií s velkou hustotou až do 1 500 kg/m³,
• měření průtoku plynu až do tlaku 5,17 MPa a hmotnostního průtoku 15 kg/s,
• měření průtoku etalonem Brooks Compact Prover s průtokem až 190 kg/s,
• rychlé měření dávek (doba dávky kratší než 0,5 s),
• doba odezvy měření kratší než 10 ms,
• simulace vlivu deště, vlhkosti a změn teploty mezi –40 a +55 °C.

Všechny výrobní závody jsou navázány na etalony a mají nejlepší měřicí schopnost BMC¹⁾ 0,014 %, validovanou podle standardu ISO 17025 (odpovídající ČSN EN ISO/IEC 17025 Posuzování shody – Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří).

Závěr

Nový typ senzoru hmotnostního průtokoměru, který je v současné době uváděn na trh, umožňuje posunout mez použitelnosti těchto měřidel o velký kus dopředu. Základní vlastnosti senzoru Enhanced Elite jsou přesnost měření průtoku 0,05 % z měřené hodnoty, přesnost měření hustoty 0,2 kg/m³, měření nehomogenních směsí až do 10 % plynné fáze v kapalině a verifikace změn kalibračního faktoru na místě instalace bez nutnosti nulování senzoru.

V příštím čísle budou poněkud podrobněji probrány některé technické detaily nového senzoru Enhanced Elite.

Literatura:
[1] PATTEN, T.: The Elite promise. Micro Motion white paper, October 2005.

Dr. Ing. Radek Strnad,
Emerson Process Management, s. r. o.

Emerson Process Management, s. r. o.
Hájkova 2747/22
130 00 Praha 3
tel.: 271 035 600
fax: 271 035 655
e-mail: info.cz@emersonprocess.cz
http://www.emersonprocess.cz

¹⁾ Nejlepší měřicí schopnost (BMC, best measurement capability) je nejmenší nejistota měření, které může v rámci akreditace laboratoř dosahovat při provádění více či méně rutinních kalibrací téměř ideálních měřicích etalonů, kdy cílem je definovat, realizovat, uchovat či reprodukovat jednu či více jednotek dané veličiny, nebo které může dosahovat při více či méně rutinně prováděných kalibracích téměř ideálních měřicích zařízení určených pro měření dané veličiny (zdroj: ČMI; podle EAL R2).