Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Optimální hmotnostní průtokoměry

číslo 2/2003

Optimální hmotnostní průtokoměry

Když se začátkem 80. let objevily na trhu první Coriolisovy hmotnostní průtokoměry, našly okamžité uplatnění v průmyslu. Hmotnostní průtok byl dříve počítán z objemového průtoku a hustoty. Možnost měřit hmotnostní průtok jediným přístrojem byla významným technickým i ekonomickým přínosem.

Mnohé z prvních konstrukcí Coriolisových průtokoměrů bohužel nesplnily všechna očekávání. Obvyklé uspořádání měřicího ústrojí – zakřivená trubice, trubice tvořící jeden či více závitů nebo rozdělení průtoku uvnitř průtokoměru do dvou paralelních trubic – bylo v mnoha aplikacích nevhodné. Samozřejmě většinou tam, kde by jinak přímé měření hmotnostního průtoku znamenalo největší přínos. Jen ve velmi omezené míře bylo možné tyto průtokoměry použít zejména u kapalin s velkou viskozitou, nenewtonovských kapalin a kapalin nesoucích nerozpuštěné abrazivní látky.

Vývoj průtokoměrů s přímou trubicí – od počátků po Optimass

Všechno se ale změnilo v roce 1994, kdy firma Krohne představila světu první hmotnostní průtokoměr s přímou měřicí trubicí. Ve srovnání s dříve vyráběnými typy byla jeho hlavní výhodou malá tlaková ztráta, jednoduché mechanické uspořádání a použití hygienicky nezávadného materiálu. Hmotnostní průtokoměry s přímou měřicí trubicí se osvědčily jako cenově výhodné přístroje k měření hmotnostního průtoku v nejrůznějších odvětvích průmyslu a s odstupem několika let je do svých výrobních programů zařadili i další výrobci měřicí techniky.

Obr. 1.

Na základě desetiletých zkušeností s vývojem, výrobou a dodávkami hmotnostních průtokoměrů s jednoduchou přímou měřicí trubicí představuje nyní firma Krohne novou řadu těchto průtokoměrů typu Optimass (obr. 1), která přináší nové aplikační možnosti techniky pro měření hmotnostních průtoků.

Hlavní výhodou nové řady průtokoměrů jsou jejich schopnost přizpůsobovat se, prostřednictvím techniky AST (Adaptive Sensor Technology), měnící se hustotě kapaliny, zdokonalené zpracování signálu a možnost instalace bez jakýchkoliv omezení ze strany přístroje (výrobce).

Hlavní principy

Základní principy přístrojů řady Optimass jsou obdobné jako u všech Coriolisových průtokoměrů s přímou měřicí trubicí. Přístroje se skládají z přímé měřicí trubice, budiče, který trubici udržuje v setrvalém kmitání na její vlastní (rezonanční) frekvenci, a dvou snímačů pohybu trubice, umístěných symetricky vůči budiči.

Je-li médium v měřicí trubici v klidu, vychází z obou snímačů shodný sinusový signál o frekvenci kmitání trubice (která je úměrná hustotě média). Uvede-li se médium v trubici do pohybu, začne na ni působit tzv. Coriolisova síla. Jde o sílu působící v rotačních soustavách při pohybu hmoty od osy nebo k ose rotace. Rotace je v tomto případě nahrazena kmitáním a osami rotace jsou konce trubice. Představíme-li si, že médium teče zleva doprava, potom se v levé polovině trubice pohybuje od levé osy rotace a v pravé polovině k pravé ose rotace. To, zda se hmota pohybuje k ose nebo od osy rotace, má vliv na směr Coriolisovy síly, která tedy má v jedné polovině trubice opačný směr než ve druhé. Působící síly způsobují deformaci měřicí trubice, která se projeví časovým (fázovým) posunem mezi signály snímanými snímači. Tento posuv je velmi malý, v časovém vyjádření asi jen 5 až 10 ms, je však přímo úměrný hmotnostnímu průtoku média trubicí.

Na senzory a obvody pro vyhodnocování fázového posuvu způsobeného Coriolisovým jevem jsou kladeny mimořádné požadavky. První konstrukce např. trpěly rušením „unikajícím“ z konců trubice, tj. vibracemi přecházejícími z přístroje do potrubí. Toto rušení, které se střídavě odráželo zpět do senzorů pohybu trubice, vedlo k chybám na jejich výstupech a následně i k chybám měření. Rušení může způsobit také změna hustoty média při změně jeho teploty, se kterou se mění hmotnostní průtok v měřicí trubici.

Firma Krohne vyřešila tento problém použitím pružinového tlumiče, umístěném kolem vnějšího pouzdra trubice a efektivně působícím jako protizávaží pohybující se trubice protékané kapalinou. Tím bylo rušení parazitními vibracemi minimalizováno.

Obr. 2.

Ale i s uvedenou kompenzací musely být přístroje montovány tak, aby se jejich upevňovací prvky nenacházely blíže než v doporučené vzdálenosti (asi deset průměrů trubice před průtokoměrem a za ním).

Nové řešení

Základní uspořádání nového Coriolisova hmotnostního průtokoměru řady Optimass s jednoduchou přímou měřicí trubicí bez rozdělovače průtoku je schematicky znázorněno na obr. 2. Cílem vývoje, který trval déle než čtyři roky, byl přístroj absolutně nezávislý na způsobu zástavby a změnách hustoty média. Pružinový tlumič byl nahrazen integrovaným systémem využívajícím dynamické chování trubice s vnitřním válcem, jež byly uloženy uvnitř vnějšího ochranného pouzdra. Konce připojovacích trubic se v použitém řešení chovají jako pružiny tlumiče hmotnostního systému. Hlavní výhodou je, že takováto „pružina“ sama sebe kompenzuje: se změnou hustoty protékajícího média se mění i tuhost konců trubic (pružnost spoje měřicí trubice s hmotou vnitřního válce). Tyto připojovací trubice jsou navrženy tak, aby se měřicí ústrojí přesně přizpůsobilo všem možným provozním podmínkám. Vnitřní válec s měřicí trubicí společně působí jako „plovoucí hmota“ (analogie elektrických zapojení s plovoucí zemí), která odfiltrovává všechna rušení přicházející z potrubí. Výsledkem takového uspořádání je samovyvažovací systém pracující stále stejně bez ohledu na provozní podmínky. Protože z něj neunikají žádné vibrace, vyznačuje se přístroj extrémně velkou stabilitou nuly. Jak toho bylo dosaženo?

Jádrem technického řešení průtokoměrů Optimass je již zmíněná AST. Základem řešení AST byl vývoj dvou polynomů, popisujících chování dynamického systému nového přístroje. V těchto polynomech se navzájem kombinují požadovaná délka připojovacích trubic, modul pružnosti materiálu, ze kterého jsou vyrobeny, jejich ohybový moment setrvačnosti, hmotnost vnitřního válce a vlastní frekvence měřicí trubice při jejím naplnění vodou. K řešení polynomů se využívají metody konečných prvků. Metoda AST zajišťuje aktivní adaptaci měřicího systému průtokoměru v provozu a tím jeho necitlivost na vnější síly působící na přístroj i na změny hustoty média.

Kromě AST má nový Optimass ještě dvě významná zlepšení. Prvním je dokonalejší elektronika a druhým nové řešené potrubního připojení pro potravinářský a farmaceutický průmysl.

Elektronika

V současné době nabízí firma Krohne hmotnostní průtokoměry v kompaktním provedení i s oddělenou elektronikou. Vzdálenost mezi snímačem a převodníkem však dosud byla omezena na pět metrů. Průtokoměr Optimass je navržen tak, že část elektroniky je přímo spojena se snímačem a je vždy jeho součástí. Signály ze snímače, nesoucí informaci o teplotě, mechanickém namáhání (napětí materiálu), frekvenci a fázovém posuvu pohybů měřicí trubice, jsou po digitalizaci zpracovávány v elektronice, která je součástí snímače. Data jsou dále přenášena linkou RS-485 do hlavního převodníku, který může být montován buď přímo na průtokoměr, nebo odděleně až 300 m daleko.

Elektronika na snímači obsahuje A/D převodník, procesor a potřebný software a jsou v ní uloženy všechny konstanty a základní nastavení snímače. Tato elektronika je vždy jiskrově bezpečná a jiskrově bezpečné mohou být také navazující obvody. Všechny konstanty a základní nastavení snímače jsou současně uloženy také v hlavním převodníku. Při výměně kterékoliv části elektroniky tak lze všechny údaje načíst z té zbývající. Hlavní převodník je navržen tak, aby mohl spolupracovat se všemi snímači z řady Optimass. Uživatelské údaje jsou zde uloženy v paměti EEPROM, takže při případné výměně není nutné převodník přeprogramovávat.

U odděleného provedení stačí k propojení snímače a hlavního převodníku pouze čtyři vodiče, zatímco u standardních průtokoměrů je třeba použít drahý mnohožilový kabel. Ve čtyřžilovém stíněném kabelu používaném u průtokoměrů řady Optimass je jeden pár vodičů využit pro napájení a druhý slouží k obousměrné komunikaci s hlavní elektronikou linkou RS-485. Hlavní převodník může mít jeden až tři proudové výstupy 4 až 20 mA a jeden pulsní/frekvenční výstup, stavový výstup, popř. i řídící vstup.

Nová elektronika umožňuje, ve srovnání s předchozím typem, snížit dolní mez měřicího rozsahu. Malé průtoky jsou tak měřeny podstatně přesněji bez nutnosti použít snímač s menším měřicím rozsahem (menší světlostí). Tato vlastnost bude oceněna zejména v aplikacích v potravinářství, farmacii a při měření hmotnostních průtoků viskózních kapalin.

Nový způsob řešení hygienických připojení

Velký zájem ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu budí nové, patentované řešení hygienických připojení, které je dodáváno pro všechny typy průtokoměrů řady Optimass. U většiny jednotrubkových Coriolisových průtokoměrů je základem měřicí trubice bezešvá trubka ze slitiny titanu (ASTM Grade 9). Její připojení na korozivzdorná šroubení používaná v hygienických aplikacích bylo dlouhou dobu pro výrobce měřicích přístrojů problémem. Standardní pokusy, prosté přidání hygienických šroubení k měřicím přístrojům, se ukázaly extrémně těžkopádné, protože ve skutečnosti byla pro každou instalaci nutná přídavná sada těsnění navíc.

Způsob patentovaný firmou Krohne u řady Optimass řeší problém svaru titan-korozivzdorná ocel pomocí speciálního adaptéru, který se jednoduše našroubuje na přivařenou koncovku na snímači a tím umožní použít šroubení podle DIN 11864-2 bez přídavných tzv. O-kroužků. Podobně je tomu u celosvařovaného řešení s objímkovým spojením (tri-clamp).

Rozšíření aplikačních možností

Největší výhodou snímačů řady Optimass oproti ostatním hmotnostním průtokoměrům je jejich velmi jednoduchá montáž bez jakýchkoliv omezení pravidly pro instalaci. Hmotnostní průtokoměry Optimass měří stejně dobře jako standardní přístroje při instalaci do potrubí nebo leží-li na zemi, popř. jsou ukotveny přímo za plášť.

Nové průtokoměry řady Optimass s přímou měřicí trubicí se vyrábějí v sedmi velikostech se jmenovitými průtoky od 950 do 430 000 kg/h (jmenovitým průtokem se rozumí hmotnostní průtok vody při tlakové ztrátě 0,1 MPa). Snímače všech těchto velikostí se vyrábějí s měřicí trubicí z titanu, korozivzdorné oceli nebo materiálu Hastelloy C22 s přírubovým připojením podle DIN, ANSI nebo JIS. Maximální pracovní teplota u průtokoměrů s titanovou trubicí je 150 °C a maximální tlak 6,3 MPa, u průtokoměrů s trubicí z korozivzdorné oceli a materiálu Hastelloy C22 je to 100 °C a 4 MPa. Pro všechny modely je charakteristický válcový plášť, který může být vybaven připojením pro otápění nebo čištění.

Typovou řadu hmotnostních průtokoměrů s přímou měřicí trubicí (typ MFS 7000) doplňuje řada nových průtokoměrů s trubicí ve tvaru Z (typ MFS 7100), vyráběných ve třech velikostech pro jmenovité průtoky od 15 do 350 kg/h. Tyto průtokoměry pracují se stejnými převodníky jako průtokoměry s přímou měřicí trubicí.

Obr. 3.

Všechny průtokoměry řady Optimass jsou důkladně zkoušeny. U každého výrobku se ověřuje stabilita nuly, linearita, přesnost, opakovatelnost a vlivy teploty média a okolí, tlaku a zástavbových podmínek na přesnost měření. Všechny výsledky zkoušek se ve výrobním závodě archivují a jsou na vyžádání k dispozici. Na obr. 3 je pohled na uspořádání pracoviště při jedné z provozních zkoušek u zákazníka, při které bylo prokázáno, že se průtokoměry Optimass položené na podporách a uchycené za plášť chovají stejně jako při standardním upevnění v měřicí trati.

Závěr

Hmotnostní průtokoměry řady Optimass byly ověřovány v provozu v mnoha chemických a potravinářských firmách. Při schopnosti měřit jedním přístrojem okamžitý hmotnostní průtok i proteklé množství, teplotu, koncentraci a hustotu média i další parametry současně nabízejí všechny výhody standardních hmotnostních průtokoměrů, a navíc ještě další významné přednosti. Vývoj a využití techniky adaptivního přizpůsobení snímače AST (Adaptive Sensor Technology) vedly k návrhu nového přístroje, jehož funkce je nezávislá na změnách hustoty a při jehož instalaci již není třeba respektovat žádná z omezení platných pro ostatní hmotnostní průtokoměry s přímou měřicí trubicí.

Ing. Miroslav Kmoch, Krohne CZ, spol. s r. o.

Inzerce zpět