Повышение точности жидкостных сенсоров для точного измерения промышленных процессов

Заведите машину, налейте стакан воды из крана или смешайте растительное масло в тесто для брауни — и вы используете жидкость, которая была тщательно извлечена, обработана и оценена по качеству. Огромная предвидение и технологии, вложенные в то, чтобы сделать такие жидкости пригодными для потребителей, часто находятся вне поля зрения, но требуют точного измерения и мониторинга.

При обработке фармацевтических продуктов, как определить, что жидкость высокого качества? Если вы работаете с нефтянкой, как узнать, сколько вы извлекаете? Если вы транспортируете воду, как узнать расход?

Вопросы вроде этих, влияющие на уверенность и конечные результаты для компаний водоснабжения, пищевой промышленности, бионаук и нефтегаза, решаются производителями расходомеров, устанавливаемых в трубопроводах и другом оборудовании. В Endress+Hauser команды разработки продуктов работают над разработкой и поддержкой точных сенсоров для различных веществ, требующих разных методов измерения.

Измерение сил Кориолиса

Для определения свойств жидкости, текущей в трубе, сенсоры, разработанные в Endress+Hauser, измеряют эффекты силы Кориолиса внутри устройства, вставленного в трубопровод, состоящего из одного или нескольких осциллирующих измерительных трубок.

Трубка возбуждается до входа любой жидкости в устройство. Когда жидкость в покое заполняет устройство, трубка осциллирует равномерно. Как только жидкость начинает течь через осциллирующую трубку, жидкость начинает оказывать силу на ее стенки. Осцилляция измерительной трубки воспринимается как вращение вокруг оси частицами жидкости. Поскольку частицы жидкости движутся в движущейся системе отсчета, они испытывают инерциальную силу, действующую перпендикулярно их направлению движения и оси вращения — силу Кориолиса. Поскольку скорость потока относительно оси вращения имеет противоположные направления во входном и выходном сечениях, индуцированные силы заставляют трубку деформироваться асимметрично, вызывая сдвиг фазы или временную задержку вдоль трубки.

Разные участки трубки начинают осциллировать с временным лагом или сдвигом фазы, вызванным крутящим компонентом движения трубки. Этот сдвиг фазы и новая осцилляционная частота трубки являются функцией массового расхода в трубках и плотности жидкости соответственно. Следовательно, сигналы от расходомера можно интерпретировать для измерения массового или объемного расхода и обеспечения того, что желаемое количество жидкости транспортируется.

Точно так же увеличение вязкости жидкости приводит к увеличении затухания осцилляций. Осцилляционная частота в основном является прямой мерой плотности жидкости. Например, осцилляции будут быстрее, но более затухающими с веществом вроде масла (ниже плотность и выше вязкость), чем с жидкостью вроде воды (выше плотность и ниже вязкость). Измерение частоты и затухания осцилляций позволяет определять плотность и вязкость и мониторить качество процесса, связанное с потоком жидкости. Те же физические эффекты применимы к объекту, такому как консоль, осциллирующему в движущейся жидкости.

Пример визкоакустического моделирования

Рисунок 1. Кориолисовский расходомер, разработанный в Endress+Hauser. (Изображение: COMSOL)

Доктор Вивек Кумар, старший эксперт по численному моделированию в Endress+Hauser Flow, отделе Endress+Hauser, производящем эти расходомеры (Рисунок 1), работает над улучшением производительности сенсоров. Его работа по моделированию помогла его команде понять акустические, структурные и гидродинамические эффекты в их расходомерах на глубоком уровне. Понимание того, как взаимодействие жидкости-структуры и виброакустика влияют на производительность сенсора, позволило им внести различные корректировки дизайна для улучшения производительности и качества измерителя.

Команда начала свой численный анализ с визкоакустической модели для понимания сложного вязкого затухания, происходящего, когда вязкая жидкость течет через осциллирующую трубку.

Рисунок 2. Результаты моделирования, показывающие изменение осцилляционной частоты трубки для разных вязкостей жидкости и результирующее механическое смещение (слева). Визуальный пример деформации трубки из-за осцилляционного движения (справа). (Изображение: COMSOL)

Используя программное обеспечение COMSOL Multiphysics®, они проанализировали эффекты вязкости жидкости на осцилляционную частоту трубки. Рисунок 2 показывает их результаты моделирования, предсказывающие частоту и смещение трубки для жидкостей разной вязкости. Благодаря способности моделировать и лучше понимать физические эффекты, вызывающие сдвиг в выходной частоте измерителя, команда может использовать эти эффекты для улучшения производительности измерителя. В этом случае вариация затухания трубки используется для компенсации эффектов вязкости на измеренную ошибку плотности.

«Мы хотели понять, как разные жидкости будут влиять на производительность сенсора», — сказал Кумар. «Используя моделирование, мы смогли проанализировать разные случаи и в конечном счете оптимизировать дизайн нашего устройства, чтобы помочь нашим клиентам характеристиковать материальные свойства жидкостей, которые они используют или извлекают».

Микромасштабный пример: MEMS-чип Кориолиса

Рисунок 3. MEMS-чип Кориолиса, используемый для измерения плотности и вязкости. Слева — полный сенсор, зажатый плоскогубцами. Справа — компоновка чипа внутри устройства. (Изображение: COMSOL)

Рисунок 4. Два собственных режима осцилляционного микроканала. Цвет обозначает относительные уровни смещения разных областей канала. (Изображение: COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, дочерняя компания Endress+Hauser Flow, разрабатывает MEMS-устройства на основе похожей концепции. Они проектируют и тестируют осциллирующие сенсоры для измерения термофизических свойств жидкостей для многих разных применений. Команда разрабатывает сенсоры для специфических клиентских решений, поэтому важно, чтобы они знали, какой тип осцилляторов обеспечит лучшую чувствительность для уникальных случаев.

MEMS-чип Кориолиса (Рисунок 3) использует свободно вибрирующий микроканал, работающий по тому же принципу, что и более крупный сенсор потока Кориолиса. Как в случае с симуляциями Кориолиса, анализ вибраций должен быть выполнен на микроканале для определения фундаментальных собственных мод и частот осцилляции разных концов потокового канала (Рисунок 4). Этот конкретный сенсор используется для оценки плотности и вязкости жидкостей, таких как инертные газы, сжиженный нефтяной газ (LPG), углеводородное топливо или охлаждающие смазочные материалы. Благодаря своим размерам сенсор подходит для измерения очень малых количеств жидкости.

Рисунок 5. Тепловые результаты, показывающие температуру в MEMS-чипе Кориолиса в 2D (сверху) и 3D (снизу). (Изображение: COMSOL)

Одна конкретная проблема в таком маленьком устройстве — высокое напряжение, используемое для приведения возбуждения в движение, может вызвать перегрев устройства при электрической неисправности. Учитывая этот риск безопасности, они провели термический анализ (Рисунок 5), чтобы определить, где рассеивается тепло в чипе и не станет ли жидкость слишком горячей. Было подтверждено, что температура не превысила предел благодаря вакуумной камере, окружающей потоковый канал, которая минимизировала теплопередачу между электродами и жидкостью.

Оптимизация электромагнитных расходомеров

Рисунок 6. Электромагнитный расходомер Promag W 400 без входного или выходного участка (0 x DN), разработанный в Endress+Hauser. Электроды видны внутри трубы. Полиуретановая втулка обеспечивает электрическую изоляцию между трубой и жидкостью. (Изображение: COMSOL)

Другой тип расходомера — электромагнитный расходомер, который использует силу Лоренца. Сила Лоренца действует на заряженные частицы, движущиеся через магнитное поле (Рисунок 6). Для этих расходомеров частицы — ионы проводящей жидкости, движение происходит от жидкости, текущей через трубу, а магнитное поле поставляется набором катушек над и под трубой. Результатом является электромагнитный потенциал через трубу, который можно измерить парой электродов. Сигнал обычно составляет всего лишь несколько сотен мВ на м/с; если дизайн правильный, измеренный потенциал пропорционален скорости потока и независим от проводимости.

Моделирование электромагнитных расходомеров требует мультифизического программного обеспечения для расчета магнитного поля, генерируемого катушками, и распределения скорости потока в трубе, и их комбинирования для расчета электрического потенциала (Рисунок 7). Электромагнитные расходомеры обычно специфицируются с точностью измерения в несколько долей процента, поэтому симуляции должны быть экстремально точными. В Endress+Hauser Flow эксперты по моделированию доктор Симон Мариагер и доктор Симон Трибенбахер использовали такие симуляции для устранения одного из главных ограничений электромагнитных расходомеров: чувствительности к профилю потока.

Рисунок 7. Мультифизическая модель электромагнитного устройства. Ток катушки показан красными стрелками, а линий тока показывают силу магнитного поля внутри расходомера. Цветной срез показывает величину скорости на входе расходомера. Этот негомогенный профиль потока был сгенерирован восходящим 90-градусным поворотом (не показан). Половина среза в центре показывает гораздо более гомогенную функцию веса датчика полного прохода 0 x DN, указывая на дизайн, независимый от профиля потока и связанных с ним нарушений. (Изображение: COMSOL)

Хотя конвенциональные электромагнитные расходомеры удивительно надежны, изменения в профиле потока — например, возникающие после поворота в трубопроводе — приводят к ошибкам измерения. По этой причине производители рекомендуют, чтобы эти расходомеры имели определенную длину входного прямого участка трубы (обычно 10 раз размер номинального диаметра) перед сенсором. Однако эта рекомендуемая конструкция может сделать установку электромагнитных расходомеров сложным процессом, так как они доступны для размеров труб от нескольких миллиметров до нескольких метров. Устранение входного участка было целью недавнего проекта разработки в Endress+Hauser Flow. Задача заключалась в оптимизации функции веса расходомера. Теоретически это требует, чтобы ротор функции веса был нулем везде, но это математически невозможно с реальными геометриями.

Вместо этого использовались дополнительные измерительные электроды для предоставления необходимых степеней свободы. С этим команде все еще нужно было определить, сколько электродов требуется и где их разместить. Они использовали симуляции потока в трубе после нарушений потока, таких как повороты и клапаны, для предсказания производительности электромагнитных расходомеров в различных реальных приложениях и оптимизировали их дизайн до степени, когда новый расходомер стал практически независим от профиля потока.

Обслуживание потребностей компании и клиентов

Для команды моделирования Endress+Hauser функциональность программного обеспечения COMSOL Multiphysics® была полезна в их ежедневной НИОКР для оптимизации и разработки приборов измерения потока. Мультифизические анализы предоставляют им инсайты, снижающие общее время и усилия, затрачиваемые на тестирование и прототипирование, и позволяют производить сенсоры высочайшего качества.

Доктор Кристоф Хубер, главный эксперт по передовым сенсорным технологиям в Endress+Hauser Flow, вдохновляется, когда видит, как его модели приводят к изменениям в дизайне устройств, улучшающим опыт клиентов Endress+Hauser. «Эти инструменты используются для решения проблем клиентов; мы видим это работающим в поле, наша инновация на практике; мы видим возврат, причину, зачем мы это делаем», — сказал Хубер.

Статья написана Рэйчел Китли для COMSOL (Берлингтон, штат Массачусетс). Для дополнительной информации посетите здесь.