Aktuální vydání

celé číslo

04

2020

Balicí a plnicí linky, výrobní logistika

Příslušentví robotů

celé číslo

Hmotnostní průtokoměry Optimass k měření průtoku kapalin s obsahem plynné fáze

Hmotnostní průtokoměry mají velmi malou nejistotu měření, a proto jsou často používány k měření průtoku kapalin, past, kalů a kaší. Často jsou použity k měření v podmínkách, které jsou pro jiné měřicí principy nevhodné nebo přímo nepřípustné, např. pro malou vodivost měřené kapaliny, nedostatečnou pro indukční průtokoměry, nedostatečný prostor pro přímý úsek před měřidlem a za ním, potřebu snadné čistitelnosti sanitačními prostředky apod. Jedním z omezení pro Coriolisovy průtokoměry však byl až do nedávné doby obsah plynových bublin v měřené kapalině. Obsah plynné fáze způsoboval velké nepřesnosti a výpadky měření průtoku se všemi negativními důsledky pro dávkování kapalin a řízení technologického procesu.

 
Měření hmotnostního průtoku kapalin Coriolisovým průtokoměrem nezávisí na vodivosti a hustotě měřené kapaliny a Coriolisovy hmotnostní průtokoměry nevyžadují přímé úseky před průtokoměrem a za ním. Vnitřní povrch měřicí trubice může být leštěný, a tedy snadno čistitelný a sanitovatelný, což je obzvlášť důležité pro použití v potravinářském průmyslu, farmacii a biotechnologiích. Běžné Coriolisovy hmotnostní průtokoměry jsou však velmi citlivé na přítomnost plynné fáze v měřené kapalině. Plynná fáze se v kapalině vyskytuje zvláště při zahájení výrobního cyklu nebo při poruše v procesu výroby; někdy bývá v kapalině přítomna z technologických důvodů. Coriolisovy hmotnostní průtokoměry využívají vznik Coriolisových sil v řízeně rozkmitané měřicí trubici. Při vniknutí bublin do měřicí trubice naplněné kapalinou se silně utlumí kmitání a prudce se změní vlastní rezonanční frekvence měřicí trubice z důvodu rychlých změn hustoty dvoufázové směsi v měřicí trubici. Tyto změny musí elektronika průtokoměru sledovat a vyhodnocovat, jinak průtokoměr neměří správně.
 

Převodník pro hmotností průtokoměry Krohne MFC 400

Firma Krohne vyvinula pro snímače řady Optimass zcela nový převodník, který je schopen spolehlivě zpracovat signály ze senzoru i v případě, že se v měřicí trubici nachází spolu s kapalinou i plynná fáze, a to v jakémkoliv poměru, který se může i prudce měnit.
 
Rozlišovány jsou dva základní stavy přítomnosti plynné fáze v měřené kapalině. Kvazistacionární přítomnost plynu v měřené kapalině lze charakterizovat jako malý nebo střední obsah plynné fáze v kapalině. Plyn je ve formě náhodně rozmístěných bublin a je důsledkem provozních vlivů nebo důsledkem nedokonalého odplynění měřené kapaliny v předchozím stupni technologického procesu. Cílem měření je stabilní a pokud možno přesné měření hmotnostního průtoku. Objemový průtok, který se vypočítává z hmotnostního průtoku a měřené hustoty, bude v tomto případě nestabilní, protože měřená hustota je velmi ovlivněna plynnou fází, jejíž obsah se může měnit. Hmotnostní průtok, který je měřen přímo, je ovlivněn poměrně nevýznamně, protože hustota plynu je mnohem menší než hustota měřené kapaliny.
 
Druhý případ, přechodná přítomnost plynu v měřené kapalině, nastává např. v průtokoměru nainstalovaném na výtoku čerpadla při částečně zaplněném sacím potrubí. Lze ji charakterizovat jako velmi rychlou změnu fyzikálních podmínek proudění, hustota směsi kapaliny a plynné fáze v měřicí trubici průtokoměru se mění ve velmi širokém rozsahu mezi průtokem kapaliny bez plynné fáze a průtokem plynné fáze s kapkami kapaliny. V tomto případě je požadováno měření průtoku bez přerušení s dobrou opakovatelností tak, aby v žádném okamžiku nebylo přerušeno měření a v důsledku toho nezvnikly i chyby v řízení technologického procesu a v měření součtového množství kapaliny protečené průtokoměrem.
 
Pro návrh optimálního technického řešení je důležitá správná analýza vlivu přítomnosti plynné fáze na Coriolisův hmotnostní průtokoměr. Přítomnost plynné fáze v měřené kapalině způsobuje systematické a stochastické chyby měření.
 
Systematické chyby měření jsou způsobeny interakcemi mezi plynnou fází a kapalinou. Coriolisův hmotnostní průtokoměr je ovlivněn zejména:
  • dodatečnými rušivými kmity měřicí trubice vyvolanými přítomností plynné fáze,
  • změnami směru proudění kapaliny s plynnou fází v ohnutých měřicích trubicích hmotnostních průtokoměrů,
  • nesymetrickým rozdělením průtoku kapaliny a plynné fáze v případě několika paralelních trubkových hmotnostních průtokoměrů.
Tyto chyby mohou vést zejména k tomu, že změřené hodnoty hmotnostního průtoku budou podstatně nižší, než jsou hodnoty skutečné.
 
Stochastické chyby měření jsou způsobeny rychlými změnami průtoku a hustoty kapaliny s plynnou fází a zvýšeným útlumem kmitání měřicí trubice. Mohou způsobit výpadky měření v případě, že vyhodnocovací elektronika identifikuje nedostatečný odstup signálu od šumu nebo není schopna sledovat a řídit vlastní rezonanční frekvenci měřicí trubice z důvodu jejích rychlých změn.
 
Nové převodníky MFC 400, vyvinuté firmou Krohne, využívají zcela nové postupy generování budicího signálu a vyhodnocení signálu ze senzorů. Podrobný popis zpracování signálu nalezne čtenář v [1]. Tato metoda je patentována pod názvem Entrained Gas Management – EGM™. Převodník využívá velmi výkonný procesor, který zajišťuje zpracování fázového posuvu ze senzorů tak, aby bylo možné vyhodnocovat vlastní rezonanční frekvenci měřicí trubice při malé amplitudě signálu z budičů a při rychlých změnách vlastní rezonanční frekvence a generovat budicí signál, který není přímo závislý na odezvě senzorů.
 
Výsledky dosažené v praxi potvrdily spolehlivou funkci hmotnostních průtokoměrů např. v potravinářství. Uveďme zde dva příklady.
  • Při výrobě zmrzliny je do ní při teplotě –6 °C přidáván vzduch, aby zmrzlina byla jemnější. Směs zmrzlinové hmoty s jemně rozptýleným vzduchem lze s dostatečnou přesností měřit hmotnostním průtokoměrem Optimass 6400C s převodníkem MFC 400.
  • Při výrobě sójové omáčky jsou sójové boby drceny mezi válci. Vzniká tak směs viskózní kapaliny s bublinkami vzduchu a zbytky nerozdrcených sójových bobů. Během provozních zkoušek u zákazníka bylo při měření hmotnostním průtokoměrem Optimass 6400C s převodníkem MFC 400 dosaženo přesnosti měření srovnatelné s měřením průtoku vody za referenčních podmínek, tj. typická nejistota měření byla 0,1 % z měřené hodnoty.
V současnosti jsou všechny typy hmotnostních průtokoměrů Krohne řady Optimass dodávány s převodníkem MFC 400. Pro použití v potravinářském průmyslu, farmacii a biotechnologiích zejména vyniká průtokoměr Optimass 7400 s jednou přímou měřicí trubicí, s možností leštění až na drsnost povrchu Ra = 0,5 μm. Průtokoměr je vzhledem k přímé trubici snadno sanitovatelný, má malou tlakovou ztrátu a je použitelný i pro produkty s velkou viskozitou. Dodáván je i v provedení s otápěním a v kombinaci s převodníkem MFC 400 nyní zajišťuje přesné a spolehlivé měření i při obsahu plynné fáze v měřené kapalině.
 
Podrobné technické informace o hmotnostních průtokoměrech Krohne řady Optimass využívajících metodu EGM zájemci naleznou na internetových stránkách firmy Krohne.
 
Prodej a servis v České republice zajišťuje společnost KROHNE CZ, spol. s r. o., se sídlem v Brně a technickými kancelářemi v Praze a v Ostravě. Obchodně-techničtí zástupci společnosti Krohne CZ zájemcům rádi poskytnou další informace o hmotnostních průtokoměrech i o dalších přístrojích firmy Krohne.
 
Literatura:
[1] KUNZE, J. W. – STORM, R. – WANG, T.: Coriolis Mass Flow Measurement with Entrained Gas. In: Proceedings of 17. ITG/GMA Symposium Sensors and Measuring Systems. VDE, Norimberk, 2014. ISBN 978-3-8007-3622-5.
 
 

Obr. 1. Hmotnostní průtokoměry Optimass 1400 a Optimass 7400 v hygienickém provedení