Повышение точности датчика жидкости для точного измерения промышленных процессов

Заведите машину, налейте стакан воды из-под крана или добавьте растительное масло в тесто для пирожных, и вы используете жидкость, которая была тщательно извлечена, обработана и проверена на качество. Потрясающая предусмотрительность и технологии, которые используются для того, чтобы сделать такие жидкости пригодными для использования потребителями, часто остаются вне поля зрения, но требуют точных измерений и мониторинга.

Как определить высокое качество жидкости при обработке фармацевтических продуктов? Если вы работаете с сырой нефтью, как узнать, сколько вы ее добываете? Если вы перевозите воду, как узнать скорость потока?

Подобные вопросы, которые влияют на доверие и прибыль компаний, занимающихся водоснабжением, продовольствием, медико-биологическими науками и нефтегазовыми компаниями, решаются производителями расходомеров, которые устанавливаются в трубопроводах и другом оборудовании. В Endress+Hauser группы разработчиков продукции работают над разработкой и обслуживанием точных датчиков для различных веществ, требующих различных методов измерения.

Измерение сил Кориолиса

Чтобы определить свойства жидкости, движущейся по трубе, датчики, разработанные Endress+Hauser, измеряют воздействие силы Кориолиса внутри устройства, вставленного в трубопровод и состоящего из одной или нескольких колеблющихся измерительных трубок.

Трубка возбуждается до того, как жидкость попадет в устройство. Когда неподвижная жидкость заполняет устройство, трубка колеблется равномерно. Как только жидкость начинает течь по колеблющейся трубке, она начинает оказывать давление на ее стенки. Колебания измерительной трубки рассматриваются как вращение частиц жидкости вокруг оси. Поскольку частицы жидкости движутся в движущейся системе отсчета, на них действует сила инерции, действующая перпендикулярно направлению их движения и оси вращения, — сила Кориолиса. Поскольку скорость потока относительно оси вращения имеет противоположные направления во впускной и выпускной секциях, индуцированные силы отклоняют трубку асимметричным образом, вызывая фазовый сдвиг или задержку во времени вдоль трубки.

Различные участки трубы начинают колебаться с задержкой во времени или фазовым сдвигом, вызванным скручивающей составляющей движения трубы. Этот фазовый сдвиг и новая частота колебаний трубки являются функцией массового расхода в трубках и плотности жидкости соответственно. Следовательно, сигналы счетчика можно интерпретировать для измерения массового или объемного расхода и обеспечения транспортировки желаемого количества жидкости.

Аналогично увеличение вязкости жидкости приводит к увеличению затухания колебаний. Частота колебаний в основном является прямым показателем плотности жидкости. Например, колебания будут быстрее, но более затухать с таким веществом, как масло (более низкая плотность и более высокая вязкость), чем с такой жидкостью, как вода (более высокая плотность и более низкая вязкость). Измерение частоты и затухания колебаний позволяет определять плотность и вязкость, а также контролировать качество процесса, связанного с расходом жидкости. Те же физические эффекты применимы к объекту, например кантилеверу, колеблющемуся в движущейся жидкости.

Пример вязкоакустики

Рис. 1. Расходомер Кориолиса, разработанный Endress+Hauser. (Изображение:COMSOL)

Доктор Вивек Кумар, старший эксперт по численному моделированию в Endress+Hauser Flow, филиале Endress+Hauser, производящем эти расходомеры (рис. 1), работает над улучшением характеристик датчиков. Его работа по моделированию помогла его команде понять акустические, структурные эффекты и эффекты потока жидкости в их расходомерах на глубоком уровне. Понимание того, как взаимодействие жидкости со структурой и виброакустика влияют на работу датчика, позволило им внести различные изменения в конструкцию, чтобы улучшить производительность и качество измерителя.

Команда начала свой численный анализ с вязкоакустической модели, чтобы понять сложное вязкое демпфирование, которое возникает, когда вязкая жидкость течет через колеблющуюся трубку.

Рисунок 2. Результаты моделирования, показывающие изменение частоты колебаний трубки при различной вязкости жидкости и возникающее в результате механическое смещение (слева). Наглядный пример деформации трубки из-за колебательного движения (справа). (Изображение:COMSOL)

Используя программное обеспечение COMSOL Multiphysical®, они проанализировали влияние вязкости жидкости на частоту колебаний трубки. На рисунке 2 показаны результаты моделирования, позволяющие прогнозировать частоту, а также смещение трубки для жидкостей различной вязкости. Благодаря возможности моделировать и лучше понимать физические эффекты, вызывающие сдвиг выходной частоты измерителя, команда может использовать эти эффекты для улучшения характеристик измерителя. В этом случае изменение демпфирования трубки используется для компенсации влияния вязкости на ошибку измерения плотности.

«Мы хотели понять, как различные жидкости повлияют на работу датчика», — сказал Кумар. «Используя моделирование, мы смогли проанализировать различные случаи и в конечном итоге оптимизировать конструкцию нашего устройства, чтобы помочь нашим клиентам охарактеризовать свойства материалов для жидкостей, которые они используют или добывают».

Пример в микромасштабе

Рисунок 3. Чип MEMS Кориолиса, используемый для измерения плотности и вязкости. Слева — весь датчик, удерживаемый плоскогубцами. Справа — расположение чипа внутри устройства. (Изображение:COMSOL) Рисунок 4. Две собственные моды колеблющегося микроканала. Цвет обозначает относительные уровни смещения различных областей канала. (Изображение:COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, дочерняя компания Endress+Hauser Flow, разрабатывает устройства MEMS, основанные на аналогичной концепции. Они разрабатывают и тестируют осциллирующие датчики для измерения теплофизических свойств жидкости для самых разных целей. Команда разрабатывает датчики для конкретных решений клиентов, поэтому важно знать, какой тип генераторов обеспечит наилучшую чувствительность в уникальных случаях.

В микросхеме МЭМС Кориолиса (рис. 3) используется отдельно стоящий вибрирующий микроканал, который работает по тому же принципу, что и более крупный кориолисовый датчик расхода. Как и в случае моделирования Кориолиса, анализ вибрации необходимо выполнить на микроканале, чтобы определить основные собственные моды и скорости колебаний различных концов канала потока (рис. 4). Этот конкретный датчик используется для оценки плотности и вязкости жидкостей, таких как инертные газы, сжиженный нефтяной газ (СНГ), углеводородное топливо или смазочно-охлаждающие жидкости. Благодаря своим размерам датчик подходит для измерения очень малых количеств жидкости.

Рисунок 5. Термические результаты, показывающие температуру в чипе MEMS Кориолиса в 2D (вверху) и 3D (внизу). (Изображение:COMSOL) Рис. 6. Электромагнитный расходомер Promag W 400 без впускного и выпускного участка (0 x DN), разработанный Endress+Hauser. Электроды видны внутри трубы. Полиуретановый вкладыш обеспечивает электрическую изоляцию между трубой и жидкостью. (Изображение:COMSOL)

Одной из специфических проблем такого маленького устройства является то, что высокое напряжение, используемое для возбуждения возбуждения, может привести к нагреву устройства в случае электрического сбоя. Учитывая этот риск для безопасности, они провели термический анализ (рис. 5), чтобы определить, где в чипе рассеивается тепло и не станет ли жидкость слишком горячей. Было подтверждено, что температура не превысила предел благодаря вакуумной камере, окружающей канал потока, которая минимизировала теплообмен между электродами и жидкостью.

Оптимизация электромагнитных расходомеров

Другой тип расходомера — электромагнитный расходомер, в котором используется сила Лоренца. Сила Лоренца действует на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле (рис. 6). Для этих расходомеров частицы представляют собой ионы проводящей жидкости, движение происходит за счет жидкости, текущей по трубе, а магнитное поле создается набором катушек, расположенных над и под трубой. В результате получается электромагнитный потенциал на трубе, который можно измерить с помощью пары электродов. Обычно сигнал имеет величину порядка нескольких сотен мВ на м/с; если вы правильно спроектировали, измеренный потенциал будет пропорционален скорости потока и не зависит от проводимости.

Для моделирования электромагнитных расходомеров требуется программное обеспечение мультифизического моделирования для расчета магнитного поля, создаваемого катушками, и распределения скорости потока в трубе, а также их объединения для расчета электрического потенциала (рис. 7). Электромагнитные расходомеры обычно имеют точность измерения в несколько долей процента, поэтому моделирование должно быть чрезвычайно точным. Эксперты по моделированию из компании Endress+Hauser Flow д-р Саймон Мариагер и д-р Саймон Трибенбахер использовали такое моделирование, чтобы устранить одно из основных ограничений электромагнитных расходомеров:чувствительность к профилю потока.

Рисунок 7. Мультифизическая модель электромагнитного устройства. Ток катушки показан красными стрелками, а линии тока показывают напряженность магнитного поля внутри расходомера. На цветном срезовом графике показана величина скорости на входе в расходомер. Этот неоднородный профиль потока был создан изгибом на 90 градусов вверх по течению (не показано). Половина среза в центре показывает гораздо более однородную весовую функцию полнопроходного датчика 0 x DN, что указывает на то, что конструкция не зависит от профиля потока и связанных с ним возмущений. (Изображение:COMSOL)

Хотя обычные электромагнитные расходомеры удивительно надежны, изменения в профиле потока, например, возникающие после изгиба трубопровода, действительно приводят к ошибкам измерений. По этой причине производители рекомендуют, чтобы эти расходомеры имели входную прямую трубку определенной длины (обычно в 10 раз превышающую номинальный диаметр) перед датчиком. Однако рекомендуемая конструкция может затруднить установку электромагнитных расходомеров, поскольку они доступны для труб диаметром от нескольких миллиметров до нескольких метров. Избавление от длины впускного отверстия было целью недавнего проекта разработки Endress+Hauser Flow. Задача заключалась в оптимизации весовой функции расходомера. Теоретически это требует, чтобы ротор весовой функции был равен нулю везде, но это математически невозможно с реальной геометрией.

Вместо этого использовались дополнительные измерительные электроды для обеспечения необходимой степени свободы. При этом команде все еще нужно было определить, сколько электродов потребуется и где их следует разместить. Они использовали моделирование потока в трубе после возмущений потока, таких как изгибы и клапаны, чтобы спрогнозировать работу электромагнитных расходомеров в различных реальных приложениях и оптимизировать их конструкцию до такой степени, что новый расходомер стал практически независимым от профиля потока.

Обслуживание потребностей компании и клиентов

Для группы моделирования Endress+Hauser функциональные возможности программного обеспечения COMSOL Multiphysicals® оказались полезными в их повседневной научно-исследовательской работе по оптимизации и разработке устройств измерения расхода. Мультифизический анализ дает им информацию, которая сокращает общее время и усилия, затрачиваемые на тестирование и прототипирование, и позволяет им производить датчики высочайшего качества.

Доктор Кристоф Хубер, главный эксперт по передовым сенсорным технологиям в Endress+Hauser Flow, чувствует вдохновение, когда видит, как его модели приводят к изменениям в конструкции устройств, улучшающим качество обслуживания клиентов Endress+Hauser. "Эти инструменты используются для решения проблем клиентов; мы видим, как это работает на местах, наши инновации на практике; мы видим отдачу и причину, по которой мы это делаем", - сказал Хубер.

Эта статья была написана Рэйчел Китли для COMSOL (Берлингтон, Массачусетс). Для получения дополнительной информации посетите здесь  .