Massendurchflussmesser - Mass flow meter
Ein Massendurchflussmesser , auch als Trägheitsdurchflussmesser bekannt , ist ein Gerät, das den Massendurchfluss eines durch ein Rohr strömenden Fluids misst . Der Massendurchfluss ist die Masse des Fluids, die pro Zeiteinheit einen Fixpunkt passiert.
Der Massendurchflussmesser misst nicht das Volumen pro Zeiteinheit (zB Kubikmeter pro Sekunde), das durch das Gerät strömt; es misst die Masse pro Zeiteinheit (zB Kilogramm pro Sekunde), die durch das Gerät fließt. Der Volumenstrom ist der Massenstrom geteilt durch die Dichte der Flüssigkeit . Bei konstanter Dichte ist die Beziehung einfach. Wenn die Flüssigkeit eine unterschiedliche Dichte hat, ist die Beziehung nicht einfach. Beispielsweise kann sich die Dichte des Fluids mit Temperatur, Druck oder Zusammensetzung ändern . Das Fluid kann auch eine Kombination von Phasen sein, wie beispielsweise ein Fluid mit mitgerissenen Blasen. Die tatsächliche Dichte kann aufgrund der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der kontrollierten Flüssigkeitskonzentration bestimmt werden.
Funktionsprinzip eines Coriolis-Durchflussmessers
Coriolis-Durchflussmesser gibt es in zwei Grundkonfigurationen: den Bogenrohr-Durchflussmesser und den Geradrohr-Durchflussmesser . In diesem Artikel wird das gebogene Rohrdesign beschrieben.
Die Animationen rechts stellen kein real existierendes Coriolis-Durchflussmesser-Design dar. Die Animationen dienen dazu, das Funktionsprinzip zu veranschaulichen und den Zusammenhang mit der Rotation aufzuzeigen.
Flüssigkeit wird durch den Massendurchflussmesser gepumpt. Bei Massenstrom verdreht sich das Rohr leicht. Der Arm, durch den die Flüssigkeit von der Drehachse wegströmt, muss eine Kraft auf die Flüssigkeit ausüben, um ihren Drehimpuls zu erhöhen , sodass sie sich nach hinten biegt. Der Arm, durch den die Flüssigkeit zur Drehachse zurückgedrückt wird, muss eine Kraft auf die Flüssigkeit ausüben, um den Drehimpuls der Flüssigkeit wieder zu verringern, daher beugt sich dieser Arm nach vorne. Mit anderen Worten, der Einlassarm (der eine nach außen gerichtete Strömung enthält) hinkt der Gesamtrotation hinterher, der in Ruhe achsparallele Teil ist jetzt schief und der Auslassarm (der eine nach innen gerichtete Strömung enthält) führt die Gesamtdrehung Drehung.
Die Animation auf der rechten Seite zeigt, wie gekrümmte Rohr-Massendurchflussmesser aufgebaut sind. Die Flüssigkeit wird durch zwei parallele Rohre geleitet. Ein (nicht gezeigter) Aktuator induziert auf den achsparallelen Abschnitten gleiche Gegenschwingungen, um das Messgerät weniger empfindlich gegenüber äußeren Schwingungen zu machen. Die tatsächliche Frequenz der Schwingung hängt von der Größe des Massedurchflussmessers ab und reicht von 80 bis 1000 Hz. Die Amplitude der Schwingung ist zu klein, um gesehen zu werden, aber sie kann durch Berührung gefühlt werden.
Wenn keine Flüssigkeit fließt, ist die Bewegung der beiden Röhren symmetrisch, wie in der linken Animation gezeigt. Die Animation rechts veranschaulicht, was während des Massenflusses passiert: eine gewisse Verdrehung der Rohre. Der von der Rotationsachse wegführende Arm muss eine Kraft auf das Fluid ausüben, um die strömende Masse auf die Schwinggeschwindigkeit der Rohre außen zu beschleunigen (Zunahme des absoluten Drehimpulses), also der Gesamtschwingung nacheilt. Der Arm, durch den die Flüssigkeit in Richtung der Bewegungsachse zurückgedrückt wird, muss eine Kraft auf die Flüssigkeit ausüben, um die absolute Winkelgeschwindigkeit (Winkelimpuls) der Flüssigkeit wieder zu verringern, daher führt dieser Arm die Gesamtschwingung.
Der Einlassarm und der Auslassarm schwingen mit der gleichen Frequenz wie die Gesamtschwingung, aber bei Massenfluss sind die beiden Schwingungen nicht synchron: der Einlassarm ist hinten, der Auslassarm ist vorne. Die beiden Schwingungen sind gegeneinander phasenverschoben und der Grad der Phasenverschiebung ist ein Maß für die Masse, die durch Rohre und Leitung strömt.
Dichte- und Volumenmessungen
Der Massedurchfluss eines U-förmigen Coriolis-Durchflussmessers wird wie folgt angegeben:
wobei K u die temperaturabhängige Steifigkeit des Rohres ist, K ein formabhängiger Faktor ist, d die Breite ist, τ die Zeitverzögerung ist, ω die Schwingungsfrequenz ist und I u die Trägheit des Rohres ist. Da die Trägheit des Rohres von seinem Inhalt abhängt, ist die Kenntnis der Flüssigkeitsdichte für die Berechnung eines genauen Massendurchflusses erforderlich.
Ändert sich die Dichte zu oft, als dass eine manuelle Kalibrierung ausreicht, kann der Coriolis-Durchflussmesser so angepasst werden, dass er auch die Dichte misst. Die Eigenschwingungsfrequenz der Durchflussrohre hängt von der Gesamtmasse des Rohres und der darin enthaltenen Flüssigkeit ab. Indem man das Rohr in Bewegung setzt und die Eigenfrequenz misst, kann auf die Masse der im Rohr enthaltenen Flüssigkeit geschlossen werden. Wenn wir die Masse auf das bekannte Volumen des Rohres teilen, erhalten wir die Dichte der Flüssigkeit.
Eine momentane Dichtemessung ermöglicht die Berechnung des Volumenstroms pro Zeit, indem der Massenstrom durch die Dichte dividiert wird.
Kalibrierung
Sowohl Massendurchfluss- als auch Dichtemessungen hängen von der Schwingung des Rohres ab. Die Kalibrierung wird durch Änderungen der Steifigkeit der Durchflussrohre beeinflusst.
Temperatur- und Druckänderungen führen zu einer Änderung der Rohrsteifigkeit, die jedoch durch Druck- und Temperaturnull- und Spannweitenkompensationsfaktoren ausgeglichen werden kann.
Zusätzliche Auswirkungen auf die Rohrsteifigkeit führen zu Verschiebungen des Kalibrierungsfaktors im Laufe der Zeit aufgrund der Verschlechterung der Durchflussrohre. Zu diesen Effekten zählen Lochfraß, Rissbildung, Beschichtung, Erosion oder Korrosion. Es ist nicht möglich, diese Veränderungen dynamisch zu kompensieren, jedoch können Anstrengungen zur Überwachung der Auswirkungen durch regelmäßige Kalibrierung des Messgeräts oder Eichprüfungen unternommen werden. Wenn angenommen wird, dass eine Änderung eingetreten ist, aber als akzeptabel angesehen wird, kann der Offset zum bestehenden Kalibrierungsfaktor hinzugefügt werden, um eine weiterhin genaue Messung zu gewährleisten.