اندازه گیری جرمی توسط فلومترهای Coriolis

امروزه در صنایع شیمیایی نیاز به افزایش بهره‌وری فرآیند، بهبود کیفیت، سودآوری و ایمنی بیش ازهر زمان دیگر احساس می‌شود و به همین دلیل تلاش می ­شود تمامی فرآیندها به صورت دقیق­تری کنترل شوند. فلومترهای Coriolis  که به ‌طور مستقیم هم جریان جرم و هم چگالی را اندازه‌گیری می‌کنند، ابزاری پیشرفته و ایده­ آل برای دستیابی به اندازه‌گیری‌های دقیق هستند که می‌توانند به برآورده شدن این نیازها کمک کنند.

فرآیندهای شیمیایی و فرمول‌های مرتبط با آن‌ها به‌طور معمول بر اساس جرم واکنش‌دهنده‌ها طراحی می‌شوند. همچنین مواد شیمیایی معمولاً بر اساس جرم خرید و فروش می‌شوند، چرا که جرم تحت تأثیر تغییرات شرایط فرآیند و تغییرات دما قرار نمی‌گیرد. اما اندازه­ گیری مایعاتی که داخل خطوط حرکت می­ کنند با پیچیدگی­ هایی همراه است. بسیاری از ابزارهای اندازه‌گیری معمولی جریان یا به عبارتی کنتورها یا فلومترها، ابتدا حجم سیال را اندازه‌گیری کرده و سپس با در نظر گرفتن ضرایبی برای اصلاح چگالی متناسب با دما و فشار، جریان جرمی را به طور محاسباتی به دست می‌آورند. اما فلومترهای Coriolis این امکان را فراهم می‌کنند که  جرم سیال را به ‌طور مستقیم اندازه‌گیری کرده و از پیچیدگی‌های اضافی که منجر به خطاهای محاسباتی غیرقابل اجتناب می­شوند جلوگیری شود. علاوه بر این، بیشتر فناوری‌های سنتی نیازمند لوله‌کشی اضافی هستند تا بتوان مسیر مستقیمی برای جریان ایجاد نمود تا جریان وارد شده به فلومتر تا حد امکان یکنواخت و فاقد جریان­های داخلی نامتقارن باشد، زیرا چنین جریان­هایی دقت اندازه‌گیری را کاهش می ­دهند. اما فلومترهای Coriolis ، به دلیل اینکه از اندازه ­گیری سرعت و حجم سیال، جرم آن را محاسبه نمی­ کنند نسبت به تغییرات سرعت سیال حساسیت بسیار کمتری دارند و در نتیجه نصب آنها در فضاهای محدودتر نیز ممکن است.همانگونه که پیشتر نیز اشاره شد، اندازه‌گیری مستقیم جرم معمولاً دقیق‌تر است و نیازی به اندازه‌گیری هم‌زمان چندین متغیر نیست. علاوه بر این، فلومترهای Coriolis نیازی به کالیبراسیون مجدد برای سیالات مختلف یا تغییر شرایط فرآیند ندارند و تغییرات در ترکیب جریان‌های محصول تأثیری بر دقت آن‌ها نخواهد داشت.

در این بخش نحوه عملکرد فلومترهای Coriolis، مزایا و محدودیت‌های آن، و مواردی که استفاده از آنها مناسب و نامناسب است بررسی می­ شود.

چگونگی اندازه‌گیری جریان جرم و چگالی توسط  فلومترهای Coriolis

در فلومترهای Coriolis، سیالی که باید اندازه‌گیری شود از یک یا چند لوله ارتعاشی عبور می‌کند. مقدار جرمی که از لوله ­ها عبور می ­کند بر ارتعاش لوله‌ها تأثیر گذاشته و از این طریق می‌توان هم جریان جرم و هم چگالی را اندازه‌گیری کرد. یک فلومترCoriolis، دو لوله‌ای ساده شامل دو لوله خمیده است که سیال از آن‌ها عبور می‌کند. یک سیستم درایو الکترومغناطیسی باعث می‌شود که لوله‌ها، مانند شاخک‌های یک دیاپازون، در فرکانس رزونانس خود ارتعاش کنند، این فرکانس با توجه به سختی و جرم لوله‌ها تعیین می‌شود. یک جفت سنسور الکترومغناطیسی (سنسورهای pickoff) ارتعاشات را در دو نقطه مختلف از هر طرف واحد درایو شناسایی می‌کنند.

اگر هیچ سیالی از لوله‌ها عبور نکند، لوله‌ها به‌طور موازی به‌هم نزدیک و از هم دور می‌شوند و خروجی سنسورهای حرکت بالا و پایین در فاز یکسان قرار دارند. اما وقتی سیال از لوله‌ها عبور می‌کند، اثر coriolis باعث می‌شود که لوله‌ها به‌طور جزئی پیچش پیدا کنند، به‌طوری که سمت پایین لوله کمی از سمت بالا جلوتر می‌رود. این پیچش جزئی باعث می‌شود که تفاوت فاز بین سیگنال‌های سنسورهای pickoff در بالا و پایین ایجاد شود، که این تفاوت به‌طور خطی با نرخ جریان جرم ارتباط دارد. این تفاوت فاز به زمان تبدیل می‌شود و تأخیر زمانی به‌طور مستقیم با نرخ جریان جرم تناسب دارد. این اصول به‌طور مشابه برای انواع مختلف سیالات، از جمله مایع، گاز یا لجن، قابل استفاده است.

اندازه‌گیری چگالی

فرکانس ارتعاش طبیعی لوله‌ها بستگی به سفتی و جرم آن‌ها دارد. از آنجا که حجم سیال در لوله‌ها ثابت است، تغییر در چگالی سیال باعث تغییر در جرم داخل لوله‌ها می‌شود. زمانی که جرم داخل لوله‌ها تغییر می‌کند، فرکانس طبیعی لوله‌ها نیز تغییر کرده و این تغییر توسط سنسورهای pickoff شناسایی می‌شود. فرکانس طبیعی به‌طور مستقیم با چگالی سیال داخل لوله‌ها ارتباط دارد. اگرچه اندازه‌گیری دما برای تعیین نرخ جریان جرم ضروری نیست، بسیاری از مترهای coriolis از سنسور دما برای جبران تغییرات جزئی در سفتی لوله‌ها به‌واسطه تغییرات دما استفاده می‌کنند. معمولاً دما به‌عنوان یک متغیر خروجی سوم، همراه با نرخ جریان و چگالی، ارائه می‌شود.

انواع دیگر مترهای Coriolis

فلومترهای coriolis با دو لوله خمیده بالاترین حساسیت به جریان را دارد. حساسیت جریان به این معناست که به ازای هر واحد نرخ جریان جرم، تغییر فاز چند میکروثانیه است. هرچه این سیگنال بیشتر باشد، دستگاه حساس‌تر است. به همین دلیل، فلومترهایی که حساسیت جریان بالاتری دارند، لوله‌های جریان بزرگتری دارند و افت فشار کمتری ایجاد می­ کنند. این نوع فلومترها همچنین دقت بالاتر در تعیین چگالی دارند و به خصوص برای اندازه­ گیری جریان­های گازی دقیق ­تر عمل می ­کنند. برای نصب در فضاهای محدود، فلومترهای Coriolis  کوچکتر با لوله‌هایی که خمیدگی کمتری دارند نیز وجود دارد. با این حال، فضای محدود باعث کاهش حساسیت جریان و دقت چگالی می‌شود، که به نوبه خود دامنه قابل استفاده و توانایی تنظیم دستگاه را کاهش می‌دهد. این فلومترها برای اندازه‌گیری جریان گازها مناسب نیستند.

نوع سوم فلومترهای Coriolis، دارای یک لوله مستقیم یا کمی خمیده است که سیال از آن عبور می‌کند و توسط یک لوله مرجع خشک بیرونی احاطه شده است. در این مدل، یک درایور الکترومغناطیسی باعث ارتعاش دو لوله در جهت‌های مخالف می‌شود و جفتی از سنسورهای الکترومغناطیسی که در هر طرف درایور نصب شده‌اند، حرکت نسبی دو لوله را تشخیص می­دهد..

مزایا و محدودیت‌ها

مزایا

1. دقت: اصلی‌ترین مزیت فلومترهای Coriolis در ارائه اندازه‌گیری دقیق نرخ و جرم سیال جابجا شده و چگالی آن است. از آنجاییکه خروجی این فلومترها مستقیماً متناسب با جرم است، برای محاسبه نرخ جریان یا مجموع جرم انتقال داده شده، نیازی به دخیل کردن ضرایب اصلاحی بابت جبران تغییرات دما یا فشار وجود ندارد. این ویژگی معمولاً نیاز به سیستم‌های پیچیده برای یکپارچه‌سازی داده‌های خروجی از چندین دستگاه و انجام محاسبات را از بین می‌برد. فلومترهای Coriolis دقت بسیار بالایی دارند و اغلب به‌ عنوان معیار استاندارد برای ارزیابی دقت سایر فلومترها مورد استفاده قرار می‌گیرند. دقت اندازه‌گیری جریان جرم مایع معمولاً 0.10% است و مدل‌هایی با دقت 0.05% نیز به‌راحتی در دسترس هستند. همچنین، دقت اندازه‌گیری جریان جرم گازها تا 0.25% نیز قابل دستیابی است.
2. کاربردی و منعطف: از آنجا که یک دستگاه واحد می‌تواند خروجی‌های چندگانه‌ای مانند جریان، چگالی و دما را ارائه دهد، تعداد ابزارهایی که باید مشخص، کالیبره و نگهداری شوند، کمتر است. همچنین، فلومترهای Coriolis دوطرفه هستند و جریان را در هر دو جهت با هیچ گونه تنظیمات اضافی مدیریت می‌کند.

محدودیت‌ها

1. قیمت: سرمایه گذاری اولیه برای تهیه فلومترهای Coriolis بیشتر از سایر فلومترها است و قیمت آن‌ها با افزایش  سایز فلومتر به شدت  افزایش می‌یابد. این فلومترها برای کاربردهایی که ارزش سیال یا اهمیت فرآیند توجیه‌کننده هزینه‌های بالای سرمایه‌ای نیست، مناسب نیستند. با این حال، با کمبود فزاینده اپراتورهای با تجربه در زمینه ابزارها، گاهی اوقات استفاده از فلومترهای Coriolis سرمایه‌گذاری معقولی است.
2. محدودیت سایز و وزن: فلومترهای Coriolis در اندازه‌های محدودی، به طور معمول  برای خطوط با قطر 2 الی 10 اینچ، موجود هستند. وزن آنها نیز با افزایش اندازه افزایش قابل توجهی می‌یابد — یک فلومتر 10 اینچ در حدود  500 کیلوگرم  وزن دارد.

نتیجه‌گیری

فلومترهای Coriolis جریان جرم و چگالی را به‌طور مستقیم اندازه‌گیری می‌کند و دقت بسیار خوبی را برای طیفی از سیالات فراهم می‌آورند. این تکنولوژی می‌تواند عملکرد اندازه‌گیری و کنترل را در انواع کاربردها بهبود بخشد. با اینکه معمولاً هزینه اولیه تهیه و نصب این نوع فلومترها قابل توجه است، به دلیل آسیب پذیری و خرابی کمتر، معمولاً هزینه کل مالکیت آن­ها کمتر از سایر گزینه‌هاست.

استفاده در پایانه اکسیر شیمی

در پایانه اکسیر شیمی از فلومترهای Coriolis برای اندازه گیری جرم سیالات تحویل شده و تحویل گرفته شده به کشتی­ها و شرکت­های مشتری استفاده می­شود. بدین ترتیب مشتریان ما توانایی اطلاع از میزان کالایی که به پایانه اکسیر شیمی تحویل داده­اند و یا تحویل گرفته­اند، با بالاترین دقت در مقایسه با سایر روشهای اندازه­ گیری دارند.