Urządzeń do przemysłowych pomiarów przepływu jest przynajmniej kilka typów. Jednymi z najbardziej „przemysłowymi” są przepływomierze Coriolisa stosowane w szczególnie wymagających warunkach. Przyjrzyjmy się zatem konstrukcji takiego przepływomierza oraz zjawiskom fizycznym leżącym u podstaw jego działania. Zobaczmy także jakie są zalety i wady popularnych masowców.
Trochę teorii
W XIX wieku, francuski inżynier i naukowiec Gaspard-Gustave Coriolis zaobserwował, że gdy w wirującym układzie odniesienia zacznie się poruszać ciało o pewnej masie, to pojawi się siła działająca na to ciało prostopadle do kierunku jego ruchu. Zwrot tej siły jest zależny od kierunku ruchu ciała. Jeżeli ciało zbliża się do osi obrotu, siła działa zgodnie z kierunkiem obrotu układu, natomiast jeżeli ciało się oddala, siła działa przeciwnie do tego kierunku. 
Siły Coriolisa w obracającym się układzie
Oto wzór pozwalający wyznaczyć wartość siły Coriolisa oraz określić jej kierunek i zwrot zależnie od wektorów prędkości obrotowej układu i liniowej poruszającego się ciała:
gdzie:
Fc – siła Coriolisa
m – masa poruszającego się ciała
w – prędkość kątowa układu
v – prędkość ciała
(w x v) – iloczyn wektorowy
Można zauważyć, że dla stałej prędkości wirowania układu, wielkość siły Coriolisa jest zależna tylko od dwóch parametrów: masy obiektu i jego prędkości liniowej. Jak zostało to wykorzystane w przepływomierzach?
Wyobraźmy sobie, że rurka w kształcie litery U została wprawiona w ruch obrotowy wokół osi przechodzącej przez oba jej końce (wirujący układ odniesienia). Jeżeli teraz przez rurkę zacznie przepływać ciecz (poruszająca się masa), to zgodnie z podanym wcześniej wzorem, na ciecz wpływającą do rurki (oddala się od osi obrotu) zacznie działać siła skierowana przeciwnie do kierunku obrotu, a na ciecz wypływającą (płynie w kierunku osi obrotu) – siła skierowana zgodnie z kierunkiem obrotu. Obie siły działając w przeciwnych do siebie kierunkach spowodują odkształcenie rurki w sposób pokazany na rysunku:
Odkształcenia rurki powodowane przez siły Coriolisa
Łatwo sprawdzić, że po zmianie kierunku obrotu rurki na przeciwny (przy tym samym kierunku przepływu cieczy), zmienią się także kierunki działania sił Coriolisa na obie części rurki, a odkształcenie zmieni się na przeciwne. Opisany wyżej efekt został wykorzystany przy konstrukcji przepływomierza masowego. Element pomiarowy zbudowano z dwóch, umieszczonych równolegle do siebie rurek w kształcie litery U. Wcześniej, dla łatwiejszego wyjaśnienia efektu Coriolisa, założyliśmy, że nasza rurka wiruje. W rzeczywistości rurki wewnątrz przepływomierza nie wirują, ale zostają pobudzone do drgań. Ten rodzaj ruchu można traktować jako bardzo ograniczony ruch obrotowy przy ciągle zmieniającym się kierunku obrotów. Pojawiające się przy tym siły Coriolisa powodują cykliczne odkształcanie rurek.
Wielkość odkształcenia jest zależna od wielkości siły Coriolisa, a ta jest wprost proporcjonalna do prędkości przepływającej masy. Oznacza to, że im większa prędkość przepływu (i przepływ masowy), tym większe odkształcenia. Rurki są wzbudzane do drgań w przeciwnych kierunkach. Odkształcenia obserwowane w punktach A i B będą się zmieniały z taką samą częstotliwością (częstotliwość rezonansowa układu), ale będą przesunięte w fazie. Większe odkształcenia (czyli większy przepływ masowy) oznaczają większe przesunięcie fazowe sygnałów odbieranych w punktach A i B. Tak więc mierząc przesunięcie fazowe sygnałów jesteśmy w stanie mierzyć przepływ masowy przez układ pomiarowy:
Wspominane wzbudzanie układu rurek w drgania jest również wykorzystywane do pomiaru gęstości mierzonego medium, do czego przepływomierze Coriolisa są także stosowane. Ale to temat na inny artykuł.
Budowa przepływomierza Coriolisa
Przyglądając się typowej konstrukcji przepływomierza masowego, znajdziemy wszystkie istotne elementy spełniające opisane wcześniej funkcje:
– element pomiarowy (dwie, zabudowane równolegle U-rurki, pobudzane do drgań)
– oscylator elektromagnetyczny (układ wzbudzający)
– elektromagnetyczne sensory przemieszczenia (punkty A i B)
– czujniki temperatury (temperatura medium)
– przetwornik
– przyłącza procesowe (zabudowa przepływomierza w instalacji)
Sercem całej konstrukcji przepływomierza jest przetwornik. Ma on za zadanie sterować pracą całego układu. Musi także analizować wielką ilość danych pomiarowych przekazywanych przez sensor: częstotliwości drgań, przesunięcia fazowe, temperatura. Od sprawności i mocy obliczeniowej przetwornika zależą m. in. szybkość reakcji na zmiany przepływu i dokładność pomiaru. Przetwornik odpowiada także za transmisje danych pomiarowych w postaci sygnałów analogowych lub cyfrowych.
Zalety Coriolisa
- dokładność – najdokładniejsze modele mierzą przepływ masy z dokładnością ±0,1%
- możliwość pomiaru kilku parametrów za pomocą jednego urządzenia: przepływu masy, gęstości oraz temperatury medium
- wykonania Ex dla większości modeli
- możliwość montażu zarówno w pozycji horyzontalnej, jak i wertykalnej
- nie wymagają zachowania odcinków prostych (tak jak inne metody) – mniejsze koszty instalacji
- możliwość pomiaru dwukierunkowego
- mierzą niemal wszystko – od gazów, poprzez ciecze, po zawiesiny i pasty.
Wady Coriolisa
- cena, cena, cena! – najtańsze to minimum 10 000 zł a najdroższe (duże rurociągi i przepływy, super dokładne ) to ponad 100 000 PLN
- nie sprawdzają się w przypadku występowania słabego efektu Coriolisa – gdy medium (zazwyczaj gaz) posiada niską gęstość i tłoczone są przy niskich ciśnieniach
- w przypadku cieczy zanieczyszczonych lub zawierających dużą ilość łatwo wytrącających się zawiesin istnieje niebezpieczeństwo zatykania się rurek, a ich czyszczenie może być uciążliwe lub wręcz niemożliwe.
Przykład przepływomierza masowego Coriolisa >>>>
Autor:
Przepływu-entuzjasta
