Coriolis måleprinsipp

I mange industrisektorer er det massestrømning og ikke volumstrømning som skal måles. I næringsmiddelindustrien, for eksempel, blir produkter som pasta, masse og yoghurt vanligvis dosert etter vekt, ikke volum. Derfor forteller etiketten på emballasjen forbrukeren vekten av produktet i stedet for volumet. En av grunnene til dette er at volumet til de fleste væsker kan variere mye under fysiske påvirkninger som trykk, temperatur og tetthet. Massen til en væske påvirkes ikke av disse faktorene, og derfor har massemåling noen fordeler som volumetrisk måling rett og slett ikke kan matche. Dette er et aspekt som er spesielt viktig for fiskal måling ved dosering og dosering av væsker.

Massen til et legeme bestemmes vanligvis ved veiing. Fra et teknisk synspunkt er det imidlertid store problemer med å veie en masse som strømmer kontinuerlig gjennom et rørsystem. Derfor har det i løpet av de siste tiårene dukket opp et måleprinsipp som gjør det mulig å måle massestrømmen i rør direkte og kontinuerlig - nemlig massestrømningsmåling etter Coriolis-prinsippet. I noen bruksområder er det mer fornuftig å bruke Coriolis-prinsippet enn å bestemme massen indirekte ved å måle volumstrøm og tetthet (volum × tetthet = masse).

Den tidligste beskrivelsen av dette prinsippet tilskrives vanligvis den franske fysikeren og matematikeren Gaspard-Gustave de Coriolis (1792 - 1843), som det i dag bærer navnet til.

Effekten oppstår bare i roterende systemer, for eksempel i karuseller på tivoli eller på vår roterende planet, men den må ikke forveksles med sentrifugalkraften. Til tross for at begrepet «Corioliskraft» er i utbredt bruk, er det ofte vanskelig å beskrive kraften, langt mindre å forklare den. Den oppstår alltid når rettlinjet bevegelse og rotasjon overlapper hverandre i et system.

Et praktisk eksempel er illustrert i figur 1: En person som står stille på en roterende dreieskive, trenger bare å lene seg litt innover for å motvirke sentrifugalkraften (til venstre). En person som beveger seg fra rotasjonssenteret mot kanten av dreieskiven, møter derimot en stadig økende rotasjonshastighet og må overvinne en kraft som kalles corioliskraften, fordi tregheten spiller inn. Corioliskraften fører til at personen avbøyes fra den korteste veien over dreieskiven (rett langs radiusen). Jo tyngre personen er, jo raskere rotasjonshastigheten er, og jo raskere personen går mot omkretsen («massestrømmen»), desto større blir tregheten, og desto kraftigere blir effekten av Corioliskraften.

Matematisk sett er Corioliskraften (FC) derfor proporsjonal med den bevegelige massen (m- ), rotasjonshastigheten (ω) og radialhastigheten (vr) i det roterende systemet:

F_c = 2 ⋅ m ⋅ ω ⋅ v_r

Corioliskreftene er alltid til stede når lineær bevegelse og rotasjon er overlagret i et system (fig. 1, til høyre). I fravær av lineær bevegelse (fig. 1, til venstre, en person som står stille), oppstår det bare sentrifugalkrefter.

I en Coriolis massemåler (se fig. 2) påvirkes de enkelte massepartiklene på samme måte som kroppen til personen på dreieskiven i illustrasjonen ovenfor. Den roterende bevegelsen som er beskrevet ovenfor, og som genererer Corioliskraften, erstattes i massemåleren ved at målerøret settes i svingninger med sin resonansfrekvens.

a = Null flow: svingningstilstand for målerørene ved null strømning
b = Flow → svingningstilstand for målerørene ved tidsintervall 1
c = Flow → svingningstilstand for målerørene ved tidsintervall 2

Ved null strømning, når væsken står stille, er det ingen lineær bevegelse (a). Følgelig oppstår det ingen Corioliskrefter. Når massen begynner å strømme, vil bevegelsen som oppstår som følge av svingning (= rotasjon) i målerøret, overlagre den lineære bevegelsen i den strømmende væsken. Corioliskraften får målerørene til å «vri seg» (b, c). Sensorer (A, B) ved inn- og utstrømningen registrerer tidsforskjellen i denne bevegelsen, med andre ord registrerer de faseforskjellen. Jo høyere massestrømmen er, desto større er faseforskjellen (se fig. 3).

Når væsken strømmer, beveger massepartiklene seg gjennom målerøret og utsettes for en overlagret sideakselerasjon av Corioliskreftene (FC ). Når de kommer inn i røret, driver massepartiklene (m) bort fra rotasjonssenteret (Z1), og vender tilbake mot senteret (Z2 ) når de nærmer seg utløpsenden. Corioliskreftene virker derfor i motsatt retning ved innløpet og utløpet, og målerøret begynner å «vri seg». Denne endringen i målerørets svingningsinduserte geometri registreres som en faseforskjell av sensorer (A, B) i hver ende av målerøret. Denne faseforskjellen (∆ϕ) er direkte proporsjonal med massen av væsken og strømningshastigheten (v), og dermed også med massestrømmen.

Det nominelle diameterområdet som er tilgjengelig i dag, strekker seg fra DN 1 til 300. Bruksområdene spenner derfor fra dosering av svært små mengder i farmasøytiske applikasjoner til lasting og lossing av skipslaster. Utvalget av design er tilsvarende stort.

Målerørene eksiteres kontinuerlig ved sin egen resonansfrekvens. Så snart væsketettheten endres, og dermed også massen til det oscillerende systemet (målerør pluss væske), justeres eksitasjonsfrekvensen tilsvarende. Resonansfrekvensen er dermed en funksjon av væsketettheten og kan brukes som et ekstra utgangssignal.

Temperaturen på målerørene bestemmes for å beregne kompensasjonsfaktoren på grunn av temperatureffekter. Dette signalet tilsvarer prosesstemperaturen og er også tilgjengelig som et utgangssignal.

Det finnes enkle, doble og fire målerør i et stort utvalg av former og bøyningsradier for å dekke ulike bruksområder i industrien på en optimal måte.

I de fleste dobbeltrørsmålere er målerørene eksitert slik at de svinger i motfase, et arrangement som effektivt frikobler hele massemåleren fra påvirkninger fra eksterne vibrasjoner. Det finnes ulike typer dobbeltrørsmålere. Når det gjelder geometriske egenskaper, varierer målerørene fra produsent til produsent, og det finnes både rette, sløyfede og lett bøyde utførelser. De rette eller lett bøyde rørene som brukes av Endress+Hauser, gjør det mulig å konstruere kompakte, plassbesparende sensorer.

Målesystemer med ett rør har en rekke fordeler sammenlignet med tilsvarende systemer med to rør:

• Enklere å rengjøre
• Betydelig lavere trykktap
• Mindre belastning på væsken fordi det ikke er behov for en splitter for å dele strømmen mellom to målerør

Fordelen med denne konstruksjonen - nemlig at det bare er ett oscillerende målerør - betyr uunngåelig at frakoblingen, som er et kjennetegn ved to-rørs målere, ikke automatisk blir realisert. Derfor må man på utviklingsstadiet sørge for å bygge inn egenskaper som effektivt frikobler systemet fra ytre påvirkninger.

«Torsion Mode Balancing-systemet":
Endress+Hauser oppnår denne frakoblingen ved å kombinere den karakteristiske høye resonansfrekvensen med sitt patenterte Torsion Mode Balancing System (TMB). Når det gjelder Proline Promass I-sensoren med ett rør, oppnås systembalansen som er nødvendig for korrekt måling, ved hjelp av en motsyklisk pendelmasse som er plassert eksentrisk på målerøret (torsjonsvirkning) (fig. 5). På grunn av denne innebygde systembalansen er Promass I like enkel å installere som målerøret med to rør. Det er ikke behov for spesielle vibrasjonsdempende fester oppstrøms eller nedstrøms for massemåleren.

Med Promass I-målesystemet kan til og med viskositeten bestemmes «in-line» som en ytterligere prosessparameter.

ω = vinkelhastighet
m1 = Masse av målerør og væske
m2 = pendelens masse
v1 = Hastigheten til m1
v2 = Hastigheten til m2
p = Impuls

Målesystemer med fire rør har likhetstrekk med systemer med to rør ved at de har motfaseoscillasjon som effektivt frikobler massemåleren fra installasjonsmiljøet. I tillegg har de den fordelen at de gir relativt sett høyere strømningsreduksjon og høyere gjennomstrømning med lavere trykkfall sammenlignet med tilsvarende to-rørsmålere med samme nominelle størrelse. Dette er spesielt verdifullt for rørledninger og lasteapplikasjoner.

Fordelene med Coriolis-massemåling er åpenbare: Dette måleprinsippet påvirkes ikke av fysiske faktorer som ledningsevne, trykk, temperatur, tetthet og viskositet. Det er ikke behov for rette inn- og utløp, noe som kan være en stor fordel når det er trangt om plassen. Det er derfor ikke overraskende at Coriolis-massemålere finnes i svært forskjellige bruksområder og industrisektorer, spesielt innen kjemisk og farmasøytisk industri.

Praktisk talt alle væsker kan måles: vaskemidler og løsemidler, fyringsolje og drivstoff, vegetabilske oljer, animalsk fett, lateks, silikonoljer, toluen, benzen, alkohol, metan, fruktjuice, tannkrem, matoljer, eddik, ketchup, majones, gasser, flytende gasser (butan, propan, naturgass) osv.

Coriolis-massemålere registrerer både væskens tetthet og massestrøm, og ved hjelp av temperatursensorer kan de også overvåke væsketemperaturen. Derfor kan denne måletypen virkelig betegnes som «multivariabel måling». De primære målte variablene, nemlig massestrøm, væsketetthet og temperatur, kan brukes til å beregne og vise andre variabler som volumstrøm, innhold av medfølgende faste stoffer, konsentrasjon eller avledede tetthetsverdier (f.eks. standard tetthet, °Brix, °Baumé, °API, °Balling, °Plato). Moderne målesystemer er utstyrt for å beregne og sende ut disse sekundære målevariablene direkte via transmitteren.

De enestående egenskapene til disse Coriolis-enhetene gjør dem til en utmerket match for et bredt spekter av bruksområder:

• Blanding og batching av ulike råmaterialer
• Styring av prosesser
• Måling av væsker med raskt skiftende tetthet
• Kontroll og overvåking av produktkvalitet
• Depotoverføring (Custody transfer) av væsker og gasser

Dette er noen av grunnene til at Coriolis-prinsippet har blitt etablert som en velprøvd måleteknikk i løpet av de siste 25 årene. Coriolis-strømningsmålere brukes ofte i kjemiske prosesser, først og fremst på grunn av følgende:

• Direkte massemåling med høy nøyaktighet (typisk ±0,1 %)
• Svært allsidig på grunn av et bredt utvalg av målerørmaterialer

Mange bruksområder finnes i næringsmiddelindustrien, f.eks. til dosering av minimale mengder ingredienser og til fylling (fig. 6). Coriolis-målere blir også mer og mer utbredt innen lavtrykks- og høytrykksgassmåling (fig. 7), f.eks. med komprimert naturgass (CNG). Det finnes også målere som egner seg for custody transfer, og de er tilgjengelige på markedet for en rekke bruksområder.

De fordelene som er skissert tidligere, har i lengre tid åpnet stadig nye områder for massemålere basert på Coriolis-prinsippet. Alt tyder derfor på at markedet for Coriolis-målere vil fortsette å vokse i samme takt som i dag, eller til og med vokse ytterligere i årene som kommer.

Egenskapene ved Coriolis-måling er spesielt attraktive og lovende for bruksområder som tidligere ble dekket av «tradisjonelle» måleteknikker. Eierskapskostnadene er en av de mange faktorene som spiller inn i denne sammenhengen. Den omfatter ikke bare den opprinnelige anskaffelseskostnaden, men også utgiftene og de faste kostnadene som påløper i løpet av hele apparatets livssyklus. Coriolis-målere har overraskende lave livssykluskostnader fordi de er relativt vedlikeholdsfrie og har en høy grad av fleksibilitet under svært varierende prosessforhold.

I applikasjonen i figur 7 måles etylen med et trykk på mellom 75 og 95 bar og en strømning på 10 til 40 t/t. Til tross for vibrasjoner i rørledningen krever Promass-strømningsmåleren absolutt ingen ekstra støtte eller festeanordninger.

• Universelt anvendelig prinsipp for måling av væsker og gasser
• Direkte måling av massestrøm (ikke behov for trykk- og temperaturkompensering)
• Måleprinsippet er uavhengig av væskens tetthet og viskositet
• Svært høy målenøyaktighet (typisk ±0,1 % o.r.)
• Multivariabelt sensorkonsept: samtidig måling av massestrøm, tetthet og temperatur
• Påvirkes ikke av strømningsprofilen
• Ingen innløps- og utløpsrør er nødvendig
• Ingen bevegelige deler inne i målerøret
• Ikke behov for filter
• Ikke behov for separat tetthetsmåling

• Relativt høy initial investering
• De fleste konstruksjoner medfører et visst trykkfall
• Begrenset anvendelighet hvis gassinnholdet i væsken er høyt, og i tilfelle flerfasevæsker