Что такое кориолисовый массовый расходомер и как он работает?

Измерение массового расхода лежит в основе многих ключевых процессов в промышленности, включая разработку большинства рецептур, определение материального баланса, а также операции по выставлению счетов и сдаче-приёмке продукции. Поскольку эти измерения являются наиболее важными на перерабатывающем предприятии, надёжность и точность измерения массового расхода крайне важны.

Краткая история измерения массового расхода

В прошлом массовый расход часто рассчитывался по показаниям объёмного расходомера и денситометра. Изменения плотности либо измерялись напрямую, либо рассчитывались по показаниям датчиков температуры и давления процесса. В конечном счёте, поскольку соотношение между давлением или температурой процесса и плотностью не всегда точно известно, эти измерения были не очень точными.

Одна из ранних конструкций автономных массовых расходомеров, работающих с использованием углового момента– Он имел рабочее колесо с электроприводом, которое создавало угловой момент (вращательное движение) путём разгона жидкости до постоянной угловой скорости. Чем выше плотность, тем больший угловой момент требовался для достижения этой угловой скорости. После рабочего колеса, на неподвижную турбину, удерживаемую пружиной, воздействовал этот угловой момент. Результирующий крутящий момент (крутящий момент пружины) служил показателем массового расхода. Однако из-за сложной механической конструкции и высоких затрат на техническое обслуживание эти типы расходомеров были в значительной степени заменены более надёжными и менее требовательными к обслуживанию конструкциями.

Одной из таких конструкций является кориолисовый массовый расходомер, который считается самым точным типом массовых расходомеров и широко используется в промышленности для точных измерений. Кориолисовые расходомеры представляют собой приборы, работающие по принципу измерения массового расхода .– Примечательное (и странное) явление, при котором масса, движущаяся во вращающейся системе, испытывает силу, действующую перпендикулярно направлению движения и оси вращения. Первые промышленные патенты на кориолисовы расходомеры относятся к 1950-м годам, а первые кориолисовы массовые расходомеры были созданы в 1970-х годах.

Принцип работы кориолисового расходомера

Французский инженер Г. Г. Кориолис первым заметил, что все тела, движущиеся по поверхности Земли, имеют тенденцию к боковому дрейфу из-за вращения планеты на восток. В Северном полушарии отклонение происходит вправо от направления движения; в Южном полушарии — влево. Этот дрейф играет важнейшую роль как в приливной активности океанов, так и в погоде на планете. Поскольку точка на экваторе описывает за сутки больший круг, чем точка, расположенная ближе к полюсам, тело, движущееся к любому из полюсов, будет отклоняться на восток, поскольку оно сохраняет свою более высокую (восточную) скорость вращения при прохождении над более медленно вращающейся поверхностью Земли. Этот дрейф определяется как сила Кориолиса.

Когда жидкость течёт по трубе и подвергается ускорению Кориолиса за счёт механического введения в трубу видимого вращения, величина отклоняющей силы, создаваемой инерционным эффектом Кориолиса, будет зависеть от массового расхода жидкости. Если труба вращается вокруг точки, по которой течёт жидкость (к центру вращения или от него), эта жидкость создаёт инерционную силу (действующую на трубу), которая будет перпендикулярна направлению потока.

На рисунке 1 частица (dm) движется со скоростью (V) внутри трубки (T). Трубка вращается вокруг неподвижной точки (P), а частица находится на расстоянии одного радиуса (R) от этой точки. Частица движется с угловой скоростью (w) под действием двух составляющих ускорения: центростремительного ускорения, направленного к P, и ускорения Кориолиса, действующего перпендикулярно ar:

ar (центростремительный) = w2r

при (Кориолисе) = 2wv

Чтобы сообщить частице жидкости ускорение (at), определяемое измерителем Кориолиса , трубка должна создать силу at (дм). Частица жидкости реагирует на эту силу равной ей по знаку и противоположно направленной силой Кориолиса:

Fc = at(dm) = 2wv(dm)

Тогда, если технологическая жидкость имеет плотность (D) и течет с постоянной скоростью внутри вращающейся трубки с площадью поперечного сечения A, то сегмент трубки длиной X будет испытывать силу Кориолиса величиной:

Fc = 2wvDAx

Поскольку массовый расход равен dm = DvA, сила Кориолиса Fc = 2w(dm)x и, наконец:

Массовый расход = Fc / (2wx)

Таким образом, измерение силы Кориолиса, действующей на вращающуюся трубку со стороны потока жидкости, может дать представление о массовом расходе. Хотя вращение трубки не всегда является стандартной рабочей процедурой при создании коммерческого расходомера, колебания или вибрации трубки– что практично– можно добиться того же эффекта.