МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР
MASS FLOWMETER

Изобретение относиться к устройствам для измерения массового расхода жидкостей и газов, в том числе жидкостей с газовыми и другими включениями, и может быть применено в различных областях промышленности.
Известны вибрационные массовые расходомеры, действие которых основано на измерении усилий Кориолиса, возникающих при колебаниях консольно закрепленного участка трубопровода (1), также известны вибрационные массовые расходомеры содержащие две U-образные трубки, закрепленные в жестком корпусе, на трубках расположены узел возбуждения колебаний и узлы съема сигнала с колеблющихся трубок (адаптеры) соединенные с электронным блоком, в котором осуществляется измерения разности фаз в единицах времени между напряжениями на адаптерах и индицирование массового расхода в именованных единицах. (2)
Известны также массовые силовые (кориолисовые) расходомеры для измерения расхода двух фазных сред. (3)
Известны так же массовые вибрационные расходомеры, содержащие корпус с U-образными трубками с размещенными на них узлом возбуждения колебаний и узлами адаптеров, с возможностью коррекции массового расхода жидкостей с газовыми и другими включениями, коррекция заключается в сохранении значения расхода при поступлении сигнала - изменение плотности и/или напряжения на узле возбуждения. (4, 5)
U-образные трубки под действие узла возбуждения совершают колебания на собственной частоте в противофазе. При этом в жидкости, двигающейся в трубках возникает ускорение Кориолиса (пропорционально произведению переносной скорости жидкости на скорость жидкости) и соответствующие им силы, действующие на трубки. Эти силы приводят к появлению разности фаз на адаптерах, которая пропорциональна массовому расходу. При наличии в жидкости газовых или других включений, с плотностью отличающейся от плотности жидкости, не вся масса жидкости и включений участвует в переносном (вызванным колебанием трубки) движении, то есть, в отличие от однофазной жидкости переносные скорости разных фаз (включений) будут различные (так называемое «скольжение фаз»). При этом суммарная переносная скорость жидкости и включений будет меньше той же скорости однородной жидкости, следовательно меньше будет кориолисово ускорение, разность фаз и индицируемый массовый расход, то есть возникает отрицательная погрешность измерения расхода. Коррекция погрешности расхода осуществляется путем сохранения значения расхода от момента появления газовых или других включений до момента восстановления однородности жидкости. Сигналом включения и выключения функции коррекции служит изменение плотности и напряжения на узле возбуждения. Таким образом погрешность измерения расхода при наличии (кратковременном) газовых или других включений уменьшается.
Однако такая коррекция, во-первых, возможна только при кратковременном влиянии включений в жидкости, во-вторых, не учитывает возможность реального уменьшения массового расхода при наличии газовых включений (из-за увеличения гидравлического сопротивления), в-третьих, нестабильность «нулевой» точки функции коррекции, поскольку режим однородная жидкость или жидкость с включениями редок, чаще встречается режим с большим или меньшим количеством включений, что может приводить к большим ошибкам коррекции массового расхода.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности при коррекции массового расхода при наличии в жидкости газовых или других включений.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном вибрационном массовом расходомере содержащем корпус, скрепленные с ним трубки с расположенными на них узлом возбуждения колебаний и адаптерами с возможностью коррекции массового расхода жидкостей с газовыми и другими включениями в качестве сигнала коррекции массового расхода используется отношение амплитуды напряжения на адаптерах к амплитуде напряжения возбуждения колебаний, с помощью которого формируется аргумент функции коррекции в виде:
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mi>A</mi><mrow><mi>A</mi><mi>o</mi></mrow></mfrac></mrow>
, где
X - аргумент функции коррекции,
A - отношение амплитуды напряжения на адаптерах к напряжению возбуждения при наличии включений в жидкости,
Ao - то же, но при отсутствии включений в жидкости.
1. При этом функция коррекции имеет вид:
Go=G[1+δ(X)], где
Go - корректированный массовый расход,
G - массовый расход без коррекции,
δ(X) - ошибка, вызванная газовыми или другими включениями,
причем
<mrow><mi>δ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>X</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>X</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>b</mi><mi>X</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mo>−</mo><msup><mi>X</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>G</mi><mi>n</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
, где
a, b, c, d - постоянные коэффициенты, зависящие от типоразмера датчика,
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>G</mi><mi>o</mi></mrow><mrow><mi>G</mi><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow>
- относительный расход, Gmax - максимальный расход (предел измерения для данного типоразмера),
n - степень при G, n=1,0÷2,0, например, n=1,43.
Использование сигнала отношение амплитуды напряжения адаптеров к амплитуде напряжения возбуждения (далее отношение амплитуд) позволяет учесть большинство факторов, влияющих на погрешность измерения массового расхода при наличии в жидкости газовых или других включений.
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mi>A</mi><mrow><mi>A</mi><mi>o</mi></mrow></mfrac></mrow>
2
В частности, аргумент функции коррекции
прямо пропорционален «скольжению фаз» и, следовательно, погрешности измерения массового расхода, вызванного этим фактором (см. выше описание прототипа), а квадрат аргумента функции коррекции (X) пропорционален потерям или демпфированию колебаний в автоколебательном процессе, вызванный тем же фактором. При чем демпфирование (вне зависимости от его происхождения) оказывает на вибрационный датчик такое же воздействие как и «скольжение фаз» (качественно), например, при демпфировании, входных ветвей индицируется положительный расход, а при демпфировании выходных ветвей отрицательный. Поскольку массовый расход пропорционален разности фаз между адаптерами, можно записать вышеизложенное следующим образом:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Y</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>Y</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>Y</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>X</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>X</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>   </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Y1 - фаза входных ветвей, вызванная наличием кориолисового ускорения (силы),
Y2 - то же, выходных ветвей,
f1(X), f2(X) - соответственно изменения фаз (Y1 и Y2) за счет «скольжения фаз»,
2
2
f3(X), f4(X) - влияние демпфирования, соответственно на входных и выходных ветвях.
2
2
2
2
Из (1) видно, что при однородной жидкости f1(X), f2(X), f3(X), f4(X) стремятся к нулю и поэтому ΔY=Y1-Y2, то есть измеряется массовый расход без погрешности, связанной с наличием включений в жидкости. При наличии включений в жидкости X>0 и возникает погрешность измерения пропорциональная, во-первых, f1(X)+f2(X), а во-вторых, f3(X)-f4(X), последняя связана, прежде всего, со структуированием потока жидкости при прохождения участка трубок между адаптерами, то есть, демпфирование входного участка трубок датчика отличается, при чем в большую сторону, от демпфирования в выходном участке трубок. Структуирование это известный процесс перехода, при движении двухфазной жидкости по трубопроводу, от пузырькового к пробковому (снарядному) и кольцевому режиму (6). Причем, с точки зрения демпфирования колеблющейся трубы, кольцевой режим течения жидкости обладает наименьшим демпфированием, то есть минимальным скольжением фаз в тангенциальном направлении.
2
Если предположить линейную зависимость от X и X в соответствующих функциях, то выражение (1) можно представить в виде:
1
1
2
2
3
4
2
2
ΔY=[Y-KX]-[Y+KX]+КХ-КХ или
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Y</mi><mo>=</mo><msub><mi>Y</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Y</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>X</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>K</mi><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>X</mi><mn>2</mn></msup><mtext>       </mtext><mtext> </mtext><mi>и</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
учитывая, что ΔYo=Y1-Y2 - пропорционально истинному массовому расходу Go, a ΔY - массовому расходу с погрешностью от включений в идкости (G) то выражение (1) примет вид:
<mrow><mi>G</mi><mi>o</mi><mo>=</mo><mi>G</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>δ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>      </mtext><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
δ(X)=aX(c-X), причем a - коэффициент пропорциональности, а c - коэффициент структуирования, зависящий от типоразмера датчика (диаметра трубок и расстояния между адаптерами).
2
В действительности все коэффициенты K1, K2, K3, K4 выражения (2) являются: во-первых, функциями от X и Х, а во-вторых, функциями от расхода жидкости особенно K3 и K4, поскольку структуирование потока происходит не мгновенно, а зависит от времени прохождения жидкости расстояния между адаптерами, которое обратно пропорционально расходу. Поэтому функция коррекции погрешности δ(X) примет вид:
<mrow><mi>δ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>X</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>X</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>b</mi><mi>X</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mo>−</mo><msup><mi>X</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>G</mi><mi>n</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
, где
b, d - коэффициенты, зависящие от типоразмера датчика,
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>G</mi><mrow><mi>G</mi><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow>
- относительный массовый расход.
Таким образом, возможна коррекция массового расхода жидкостей с газовыми или другими включениями с использованием отношения амплитуды напряжения адаптеров к амплитуде напряжения возбуждения.
Источники информации
1. Патент США №4.096.746, июнь 27.1978 г.
2. Патент США №4.491.025, январь 01.1985 г.
3. П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. - Л.: Машиностроение, 1989 г., стр.636-637.
4 П.П. Кремлевский. Измерение расхода многофазных потоков. - Л.: Машиносторение, 1982 г.
2. Hanus Henry: Self-valdating digital Coriolis mass flow meter. Computing and Control Engineering journal. October 2000
3. Rota MASS 3-series Coriolis-Mass flowmeter. /Instruction Manual/ 2010/
Протокол испытаний датчика МАСК-20 №044 на жидкости: вода+воздух с коррекцией массового расхода
Расход, кг/м
Вес, кг
МАСК-Н -*, кг
МАСК-Н +*,кг
δ -*
δ +*
ρ кг/м<sup>3</sup>
A**
230
208,6
203,2
209,1
-2,59
+0,24
18
217,2
211,77
216,42
-2,5
-0,36
976,0
17
203,6
198,29
203,64
-2,6
-0,02
974,9
13
223,8
221,80
224,27
-0,894
+0,21
985,2
30
208,8
204,57
209,16
-2,03
+0,17
982,7
25
190,2
189,26
190,12
-0,494
-0,04
994,9
34
191,2
186,50
190,78
-2,46
-0,22
977,0
18
191,2
186,36
190,9
-2,53
-0,16
976,0
17
202,2
197,85
201,5
-2,15
-0,35
975,6
15
~85
134,6
134,45
134,65
-0,1
-0,04
993,8
146
198,4
197,54
197,96
-0,433
-0,222
989,4
80
145,0
144,76
144,95
-0,17
-0,03
992,5
80
146,6
144,11
146,14
-1,7
-0,31
963,6
22
123,0
120,57
122,62
-1,97
-0,31
951,1
19,5
149,2
148,01
148,86
-0,798
-0,228
978,0
33
181,4
178,45
181,68
-1,63
+0,16
956,9
20
170,0
169,41
170,14
-0,347
+0,08
989,3
54
~100
201,6
199,28
202,67
-1,15
+0,531
980,3
32
196,0
194,76
195,95
-0,633
-0,02
981,2
31
173,6
169,54
173,85
-2,34
-0,15
12
200,0
195,56
199,8
-2,22
-0,1
971,6
13
198,6
194,17
198,2
-2,23
-0,2
972,2
14
165
183,4
179,97
183,62
-1,87
+0,12
978,3
19,5
Примечание
-* - коррекция отключена
+* - коррекция включена
А** - отношение амплитуд адаптер/возбуждения в расчетных единицах