Coriolisovy průtokoměry pro dynamické aplikace

Coriolisovy průtokoměry pro dynamické aplikace

Coriolisovy hmotnostní průtokoměry jsou dobře známy svou vynikající přesností a opakovatelností při měření ustálených průtoků. Pokulhávají však, co se týče dynamických vlastností. Vývoj zaměřený na jejich zlepšení v poslední době přinesl určité slibné výsledky.

Význam Coriolisových průtokoměrů

Měření průtoku je základem mnoha řídicích úloh. Zmínit lze např. dodávku paliva do motorů, chlazení v elektrárnách a nespočetné množství aplikací měření průtoku plynů, čistých kapalin i splašků apod. v potravinářství a při výrobě nápojů, v chemickém a petrochemickém průmyslu atd. Úměrně jeho významu také existuje mnoho metod měření průtoku – od již dlouhodobě osvědčených (např. široce používaná clonová měřidla) po nově zaváděné (např. ultrazvukové průtokoměry, prosazující se v současné době při měření průtoku vody).

Coriolisovy hmotnostní průtokoměry se objevily na trhu v 80. letech minulého století. Jejich význam, počty instalovaných kusů i obrat na trhu od té doby neustále rostou. Podle údajů agentury ARC, zabývající se sledováním trendů na trhu s automatizační technikou, má celosvětový obrat v této komoditě vzrůst v několika málo letech ze současných 400 na 520 milionů USD ročně.

Základním citlivým prvkem Coriolisova průtokoměru je kmitající tzv. měřicí trubice, kterou protéká měřené médium. Při pohybu média trubicí dochází, v důsledku působení Coriolisovy síly, k asymetrické deformaci trubice přímo úměrné velikosti hmotnostního průtoku média. Coriolisův průtokoměr (na obr. 1 v základním provedení s několikrát zakřivenou měřicí trubicí) má jeden nebo dva budiče oscilací a dva snímače pohybu (umístěné tak, aby snímaly pohyby trubice). Napájení budičů, udržujících oscilace trubice, obstarává a výsledný elektrický signál, úměrný hmotnostnímu průtoku média, vyhodnocuje z fázového posunutí signálů ze snímačů oscilací (způsobeného deformací trubice) elektronický převodník.

Nejvýznamnější výhodou Coriolisových průtokoměrů je, že měří přímo hmotnostní průtok, což je důležité všude, kde má větší význam znalost proteklé hmotnosti než proteklého objemu média, např. v petrochemii. K přednostem Coriolisových průtokoměrů dále patří zejména velká přesnost měření (až 0,1 %) a přestavitelnost měřicího rozsahu (100 : 1 nebo lepší). Naopak mezi nedostatky patří nezbytnost zvláštního napájení a poměrně vysoká cena.

Směrem ke krátkým dávkám

S pohybem průmyslové výroby směrem k větší pružnosti nabývají na významu oproti klasické kontinuální výrobě krátké, dávkově (šaržově, anglicky batch) orientované procesy. Často se nyní pracuje s krátkými dávkami s dobou průtoku 1 s i kratší (např. 90 ms při stáčení parfémů). Ke zkrácení dob náběhu je třeba, aby průtokoměry dokázaly přesně měřit i dynamicky se měnící průtok. Studie nedávno vydaná agenturou ARC upozorňuje, že při výrobě spotřebního zboží, nápojů a potravin budou požadovány poměrně velmi krátké doby odezev (až 1 ms), a předpovídá, že k tomu, aby bylo možné s použitím provozních údajů v reálném čase lépe počítat provozní náklady a určovat výkonnost provozu nebo závodu, budou zapotřebí nové měřiče s funkcí optimalizačních nástrojů.

Jaké jsou z tohoto pohledu vlastnosti současných přístrojů? Na téma dynamické odezvy průtokoměrů toho zatím bylo publikováno překvapivě málo. Nicméně však jsou v jednom z nedávno publikovaných příspěvků [Wilkund – Peluso: Quantifying and specifying the dynamic response of flowmeters. ISA 2002 Technical Conference, Chicago] porovnány různé průtokoměry dostupné na trhu: jedenáct snímačů rozdílu tlaků (differential pressure – DP) s clonou, tři magnetickoindukční, šest vírových a jeden Coriolisův průtokoměr. Autoři modelovali a identifikovali odezvu každého z uvedených typů průtokoměrů jako soustavy prvního nebo druhého řádu. Na obr. 2 jsou ukázány jimi zjištěné přechodové charakteristiky vždy nejrychlejšího přístroje dané třídy. Jak je patrné, je snímač rozdílu tlaků s clonou rychlejší než vírový průtokoměr (vortex), mezi nimi se nachází indukční průtokoměr a vůbec nejpomalejší je konvenční Coriolisův průtokoměr. Lze tedy vyvodit, že přes svou vynikající statickou přesnost se současné komerční Coriolisovy průtokoměry svými dynamickými vlastnostmi ani zdaleka nemohou rovnat průřezovým měřidlům. Ale pozor! Vůbec nejrychleji reaguje na skokovou změnu průtoku nový typ Coriolisova průtokoměru (do původního obrázku autorů přidaný), jenž byl společně vyvinut Oxfordskou univerzitou a firmou Invensys Foxboro.

Plně digitální Coriolisův převodník

Nový elektronický převodník pro Coriolisovy průtokoměry vznikl ve spolupráci Sensor Validation Research Group Oxfordské univerzity a firmy lnvensys Foxboro v rámci řešení snímačů podle koncepce SEVA (SElf-VAlidating sensors), soustavně pokračujícího již patnáct let. Z prototypů snímačů vyvinutých k demonstraci použitelnosti koncepce SEVA je současný Coriolisův převodník nejpropracovanější. Nová, plně digitální konstrukce, eliminující určité druhy poruch a vykazující mnohem lepší dynamické chování, vznikla na základě důkladné analýzy nedostatků dosavadních řešení Coriolisových převodníků. O novém převodníku lze právem mluvit jako o zcela digitálním, neboť s výjimkou základních oddělovacích a zesilovacích obvodů neobsahuje jiné obvody než digitální. Především je digitálně syntetizován řídicí signál udržující oscilace měřicí trubice, což je u současných konstrukcí nabízených na trhu vždy řešeno zčásti nebo i zcela analogově. Firma Invensys Foxboro využila výsledky výzkumu ve svém novém komerčním výrobku nabízeném pod označením CFT50.

Základní uspořádání digitálního Coriolisova převodníku CFT50 je jednoduché (obr. 3). Pod označením codec se skrývá čip s kombinovanou funkcí A/D-D/A převodníku, běžně používaný v audiotechnice, se dvěma vstupními a dvěma výstupními kanály, to vše pracující nepřetržitě s taktem 40 kHz při rozlišení 24 bitů. Signál z každého snímače pohybu měřicí trubice průtokoměru je veden do jednoho z A/D převodníků a podobně každý z D/A převodníků napájí jeden budič. Data ze snímačů jdou do programovatelného hradlového pole (Field Programmable Gate Array – FPGA), kde jsou předzpracována a odkud postupují dále do procesoru k podrobné analýze. Procesor počítá okamžitý průtok spolu s hodnotami veličin potřebnými k udržení oscilací měřicí trubice. Ty jsou vedeny zpět do FPGA, kde se syntetizuje potřebný řídicí signál, dále procházející přes codec do budičů vibrací. Teplota měřicí trubice se měří při použití běžného obvodu SDADC s odporovým teploměrem (Resistence Temperatute Detector – RTD) ve čtyřvodičovém zapojení.

Programovatelné hradlové pole se 300 000 hradly je důležité pro zajištění dostatečně rychlé dynamické odezvy průtokoměru. Provádí časově kritické úlohy, včetně filtrace, syntézy řídicího signálu, funkce oddělovací paměti a ovládání periferií, to vše pod dohledem procesoru. Všechny tyto úlohy se efektivněji řeší ve skutečně paralelním režimu při použití vyhrazeného hardwaru než přepínáním jediného procesoru. Ekvivalentní výpočetní výkon použitého FPGA je 4 MFLOPS.

Coriolisův převodník musí plnit především dvě základní úlohy: udržovat v kmitavém pohybu měřicí trubici a extrahovat z vnitřních průtokoměrů signálů hodnoty průtoku média. Pro obě tyto úlohy, řízení i měření, byly vyvinuty nové algoritmy. Ve skutečnosti pak spolu rychlost odezvy vnitřní řídicí smyčky a rychlost odezvy průtokoměru velmi těsně souvisejí, zejména vezmou-li se v úvahu složité pracovní podmínky průtokoměrů v průmyslových aplikacích, jak je naznačeno dále.

Udržování oscilací měřicí trubice

Největší slabinou současných Coriolisových průtokoměrů je jejich neschopnost správně měřit průtok dvoufázových směsí kapaliny a plynu. Ať už jsou příčinou ne zcela zaplněné potrubí, kavitace a víry, nebo se jedná o inherentní vlastnost měřeného média (např. při měření průtoku ropy a plynu anebo nápojů). Začne-li např. do vyprázdněného Coriolisova průtokoměru proudit kapalina (řekněme na začátku během zpracování dávky média), trvá typicky 10 až 20 s, než se oscilace měřicí trubice ustálí. Po tuto dobu se tedy neměří. Největším problémem je tlumení oscilací měřicí trubice, jehož hodnota se přechodu mezi jednofázovým a dvoufázovým médiem může měnit až o dva řády.

Právě tento problém se podařilo vyřešit již popsaným čistě digitálním řešením Coriolisova převodníku s velmi rychlým řídicím systémem schopným nepřetržitě udržovat trubici v kmitavém pohybu, a tudíž schopnou měřit v přechodových podmínkách i při ustáleném průtoku dvoufázové směsi kapaliny a plynu.

Činnost převodníku je dále stručně popsána na případu přechodu průtokoměru z měření jednofázového průtoku při zcela zaplněném potrubí na měření průtoku dvoufázové směsi kapaliny a plynu.

Zpočátku je průtok jednofázový. Signál reprezentující amplitudu vibrací měřicí trubice má implicitní hodnotu např. 0,3 V a budicí proud je 10 mA. Náhle se v médiu objeví značný počet bublin plynu, takže prudce klesne jeho současně měřená hustota, např. z 1 000 na 300 kg·m–3. Průtok dvoufázové směsi trubicí je spojen s velkým tlumením trubice. Aby amplituda vibrací trubice neklesla pod určitou mez, kdy už průtokoměr neměří, musí odpovídajícím způsobem vzrůst budicí proud, v našem hypotetickém případě asi desetinásobně, tj. např. na 100 mA, a budicí obvody se nastaví do nového pracovního bodu. Měřicí schopnost průtokoměru je zachována.

Obdobný (popř. reverzní) děj probíhá při zaplňování průtokoměru na začátku nebo při jeho vyprazdňování na konci měřené dávky či při přechodu zpět z dvoufázového průtoku na jednofázový.

Popsaný mechanismus, implementovaný v podobě příslušných algoritmů, umožňuje Coriolisovu průtokoměru s převodníkem CFT50, aby jeho trubice trvale pracovala poblíž optimálního pracovního bodu, a tudíž průtokoměr dostatečně hodnověrně měřil okamžitý průtok i v neustálených režimech průtoku média. Zesílení budicího obvodu, definované jako poměr budicího proudu k amplitudě kmitů trubice, je úměrné tlumení pohybu trubice. Jeho typická hodnota při běžném provozu je 0,03 a v přechodových stavech při průtoku dvoufázových směsí kapaliny a plynu byly zaznamenány hodnoty až 5.

Průmyslové aplikace

Vlastnosti nového převodníku zjištěné v laboratoři byly ověřovány také v praxi. Například v chemičce Great Lakes Chemicals v Manchesteru byl průtokoměr CFT50 instalován v sérii s konvenčním Coriolisovým průtokoměrem v dávkové aplikaci, která vyžadovala, aby průtokoměr byl při zahájení a na konci zpracování dávky prázdný. Časový průběh výstupního signálu z obou průtokoměrů byl zaznamenáván liniovým zapisovačem spolu se signálem hustoty z CFT50 (indikujícím množství strhávaného vzduchu přítomného v potrubí).

Na obr. 4 je záznam získaný při spuštění typické dávky. Jak plyne z průběhu hustoty, jsou oba průtokoměry před spuštěním dávky již zčásti zaplněné. S počátkem proudění reagoval CFT50 ihned, zatímco konvenční průtokoměr až po asi 16 s. Na konci dávky, kdy se, počínaje 130. minutou, potrubí a průtokoměry vyprazdňují, začal konvenční průtokoměr téměř okamžitě ukazovat „za roh“ a po dobu asi šesti minut neměřil, takže vůbec nezaznamenal závěrečný výron produktu (obr. 5).

Uvedené příklady ukazují, že v reálných aplikacích v průmyslu je rychlé a přesné řízení kmitů měřicí trubice nezbytnou podmínkou robustní a rychlé dynamické odezvy průtokoměru jako celku a že čistě digitální převodník může otevřít Coriolisovým průtokoměrům cestu k novým typům aplikacím, jako je např. dávkování začínající i končící prázdným průtokoměrem a měření nepřetržitého průtoku dvoufázových směsí kapalin s plyny.

Dynamická odezva Coriolisových průtokoměrů zůstává středem zájmu

Poznatky získané při práci na konceptu SEVA a při spolupráci s firmou Invensys Foxboro na vývoji průtokoměru CFT50 a společné zájmy v oblasti vývoje Coriolisových průtokoměrů přivedly výzkumníky z oxfordské univerzity také ke spolupráci s obdobným pracovištěm – Flow Measurement Research Group na Brunel University. Brunelská skupina právě uskutečňuje výzkum zaměřený na dynamické chování Coriolisových průtokoměrů. Výzkumný program má tři etapy:

• teoretická analýza dynamické odezvy průtokoměru s přímou trubicí,

• simulace dynamického chování měřicích trubic složitějších geometrických tvarů při použití metody konečných prvků,

• experimentální vyšetření odezvy komerčně dostupných průtokoměrů na skokovou změnu průtoku i jeho nízkofrekvenční (vzhledem k frekvenci oscilací trubice) pulsace.

Klíčové je zjištění, že prvkem limitujícím rychlost odezvy průtokoměru je frekvence, s jakou kmitá jeho měřicí trubice. Kmitá-li trubice např. frekvencí 100 Hz, měl by být průtokoměr schopen rozlišit všechny změny průtoku trvající déle než 10 ms. Vzorek průtokoměru s trubicí kmitající na 800 Hz ověřovaný na Brunel University dokázal zachytit i velmi krátké, jen 5 ms trvající skokové změny průtoku a jeho teoretická i reálná mez leží v tomto ohledu ještě mnohem níže. Výpočty prováděné off-line ukazují, že hodnotu průtoku je možné měřit v každém jednotlivém cyklu periodického řídicího signálu, v daném případě tedy každých 1,25 ms. Příčinou toho, že většina současných komerčně dostupných Coriolisových průtokoměrů není uvedených výkonů ani zdaleka schopna, jsou omezení vlastní používaným nedokonalým konstrukcím jejich převodníků. Nejvíce se zatím k teoretickým mezím v praxi přiblížil již zmíněný převodník CFT50.

Jinak dále platí, že informací o dynamickém chování průtokoměrů je zatím velmi poskrovnu a lze jen doufat, že současná vlna zájmu o tyto jejich vlastnosti přiměje výrobce, aby jim věnovali pozornost a začali je v popisech svých přístrojů uvádět.

Budoucí vývoj

Firma Invesys Foxboro již zaznamenala se svým čistě digitálním převodníkem CFT50 první úspěchy jak u zákazníků, tak i u odborné veřejnosti – např. ziskem ocenění za nejlepší výrobek na výstavě ISA Show 2002 v Chicagu, USA, v říjnu loňského roku. Zájem zákazníků přitom ukazuje, že problém přítomnosti plynů ve směsi s měřenými kapalinami je mnohem častější a závažnější, než si sami zástupci firmy dříve uvědomovali. Zákazníci vítají nový přístroj proto, že pro ně znamená vyřešení i letitých problémů a že nejsou odbyti obecným „… problém není v průtokoměru, ten je v pořádku; upravte si svůj proces a uvidíte, že měření půjde“ [2]. Přes dosažené úspěchy však vývoj pokračuje dál.

Navzájem se doplňující znalosti a dovednosti univerzitních pracovišť v Qxfordu (validace snímačů, technika převodníků) a Brunelu (teoretické modelování, experimentální činnost) jim umožnily získat společný evropský výzkumný grant zaměřený na rozpoznání a co nejdokonalejší využití dynamických vlastností průtokoměrů založených na Coriolisově jevu.

Nastolovány jsou otázky jako „Bude možné zdokonalit elektronické převodníky pro Coriolisovy průtokoměry natolik, aby bylo možné v praxi dosáhnout teoretických rychlostí odezvy vysokofrekvenčních přímých měřicích trubic (až 1 kHz), nebo dokonce nových modelů Coriolisových průtokoměrů vyrobených mikrosystémovými výrobními metodami z křemíku, které mají rezonanční frekvence až 10 kHz?“ nebo „Jak by měla být měřicí trubice průtokoměru zkonstruována z hlediska optimálních dynamických vlastností?“

Oblasti vyžadující průtokoměry s krátkou až velmi krátkou dobou odezvy přitom daleko přesahují tradičně definované pole využití Coriolisových průtokoměrů. Velmi rychle, s typickou dobou odezvy 10 ms, a přesně potřebují sledovat a řídit přísun paliva např. výrobci plynových turbín. Ještě dobrodružnější aplikační oblastí je např. zjišťování časových průběhů jednotlivých vstřiků při dodávce paliva do válců automobilových motorů. V blízké budoucnosti by takové průtokoměry mohly být používány při výzkumu v oblasti dieselových motorů. V dlouhodobém výhledu není vyloučeno, že by se nemohly stát standardní součástí palivového systému všech motorových vozidel využívajících vstřik paliva.

Kolem společného výzkumného projektu obou univerzit nyní vzniká skupina uživatelů věnujících se tradičním i novým aplikacím Coriolisových průtokoměrů. Jednou z prvních akcí, na nichž participovala, byl seminář na téma Advanced Coriolis Mass Flow Metering, který se konal v Oxfordu 8. července 2003 (viz http://www.iee.org/events/Coriolis.cfm). Referující z akademických kruhů i z průmyslu na něm diskutovali současný stav techniky včetně otázek dynamické odezvy Coriolisových průtokoměrů a možnosti jejich použití k měření průtoku dvoufázových směsí kapaliny a plynu.

Invensys Automation Systems
Division Foxboro-Eckardt
Žirovnická 3124
106 00 Praha 10
tel.: 267 182 723
fax: 272 650 898
e-mail: martin.kraml@inensys.com
http://www.invensys.cz