Основні теоретичні відомості

Корі­олісові витратоміри належать до інерційних витратомірів, принцип дії первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП) яких полягає в тому, що в ПВП потоку рідини, витрати якої вимірюються, надається додатковий рух: коливальний або обертальний, або обидва одночасно. При цьому конструктивні елементи таких ПВП деформуються під дією сил інерції, а величина цієї деформації є мірою витрати. Коріолісовими називають витратоміри, в яких під впливом силової дії виникає коріолісове прискорення, що залежить від масової витрати. Коріоліса сила – одна із сил інерції, яка враховує вплив обертання рухомої системи відліку на відносний рух тіла. Ця сила пояснює, наприклад, закон Бера, який стверджує, що річки, що протікають вздовж мередіану, в північній півкулі підмивають правий берег, а в південній – лівий. Все пояснюється впливом прискорення Коріоліса та сили Коріоліса при добовому обертанні Землі на рух частинок води в річці. Прискорення Коріоліса (прискорення обертання) – це частина повного прискорення тіла, яке з’являється при його русі в обертальній системі відліку. Наприклад, для пояснення закону Бера - це по рух потоку води в річці по поверхні у вигляді кулі, яка в свою чергу обертається навколо осі.

Суть використовування ефекту Коріоліса в перевинному вимірювальному перетворювачі витрати полягає в тому, що вимірювальна трубка U-подібної форми коливається з миттєвою ку­товою швидкістю відносно осі 0-0', перпендикулярної до рукавів трубки (рис. 1,а). Ці коливання, що подібні коливанням камертона, спричиня­ються задавальною електромагнітною котушкою, розміщеною в центрі вигину вимірювальної трубки. Амплітуда

коливань становить менше 1 мм, а частота — близько 80 Гц.

 

г)

Рис. 1. Схеми динамічних процесів у коріолісовому витратомірі: а - коливна трубка; б - напрями дії коріолісових сил; в - крутильні коливання вимірювальної трубки; та г - вигляд вузла ПВП коріолісового витратоміра: 1 - вхідна ділянка трубопроводу; 2 - вхідний детектор; 3 - задавальна котушка; 4 - вихідний детектор; 5 - сенсорні трубки; 6 - вихідна ділянка трубопроводу.

 

Під час проходження рідини через U -подібну трубку зі швидкістю V та масової витрати G, поступальний рух рідини розділяється на 2 фази: рух середовища від основного трубопроводу до середини згину (вхідна сторона) та зворотний рух рух до трубопроводу (вихідна сторона), причому цей рух здійснюється при одночасному сінусоїдальному коливанні площини трубки. Це приводить до виникнення коріолісового прискорення, яке свою чергу, приводить до появи сили Коріоліса (рис.1,б). Сила Коріоліса спрямована в сторону протилежну напрямку руху трубки, що заданий електромеханічним ланцюгом збудження її коливань. Тобто, коли трубка рухається, наприклад, вверх під час половини її власного циклу, то для середовища, що її наповнює і рухається від основного трубопроводу до згину, сила Коріоліса спрямована вниз. Але, як тільки рідина проходить вигин трубки і рухається в зворотному напрямку, то для цієї ж половини власного циклу коливань трубки напрямок сили Коріоліса змінюється на протилежний. Таким чином, у вхідній половині трубки сила, що діє з боку середовища у трубці, перешкоджає переміщенню трубки, а у вихідній половині навпаки – прискорює це переміщення. Останнє призводить до деякої деформації (вигину) U-подібної трубки. Коли в другій фазі вібраційного циклу трубка рухається вниз, напрям вигину змі­нюється на протилежний. У результаті трубка здійснює крутильні коли­вання (коли потоку вимірюваної рідини у трубці немає, вона не вигина­ється).

Таким чином, у вхідній половині U-подібної трубки сила, що діє з бо­ку

рідини, перешкоджає зсуву трубки, а у вихідній - сприяє. Це призво­дить до вигину U-подібної трубки - ефект Коріоліса (рис.1,в). Коріолісова сила, а отже, й кут закручування сенсорної трубки пря­мо пропорційні кількості рідини, що проходить через трубку за одиницю часу, тобто масовій витраті рідини. Кут закручування можна виміряти сен­сорами положення, сигнали яких після перетворення дозволяють отримати напругу, пропорційну масовій витраті G.

Якщо р - густина рідини, F - площа поперечного перерізу сенсорної трубки, L - довжина одного з її рукавів, d - відстань між рукавами, то маса рідини, що перебуває в одному рукаві U-подібної трубки, дорівнює Тоді коріолісова сила, яка діє на рідину в одному з рукавів U-подібної трубки,

(1)

А з урахуванням того, що масова витрата G= Fрv, вираз (1) набуде вигляду

(2)

Тоді момент коріолісових сил, які діють на рідину в обох рукавах U-подібної трубки дорівнює:

(3)

Під дією моменту U -подібна трубка повертається на кут і зрівно­важується моментом сил пружності (с - модуль пружності трубки), які діють у напрямі, протиле­жному коріолісовим силам. У стані рівноваги матимемо: , (4)

звідки (5)

де k – сталий коефіцієнт,

Резонансна частота коливань трубки залежить від її геометрії, ма­теріалу, конструкції та маси. Остання складається із двох частин: маси самої трубки та маси вимірюваної рідини в трубці. Маса трубки (тру­бок) для конкретної конструкції ПВП є незмінною. Оскільки маса ріди­ни в трубці дорівнює добуткові густини рідини та внутрішнього об'єму трубки (який теж є константою для кожного типорозміру ПВП), то ре­зонансну частоту коливань трубки можна визначати з урахуванням гус­тини рідини через вимірювання резонансної частоти коливань, періоду коливань трубки та температури рідини (змінювання модуля пружності матеріалу трубки, спричинене коливаннями температури, враховують за допомогою температурного сенсора).

Основні переваги коріолісових витратомірів: висока точність вимірю­вання параметрів упродовж тривалого часу; можливість роботи незалежно від напряму потоку; відсутність прямолінійних ділянок трубопроводу пе­ред і після витратоміра; надійна робота в умовах вібрації трубопроводу, змінюваності температури та тиску контрольованої рідини; тривалий тер­мін служби та простота обслуговування, оскільки немає рухомих та зно­шуваних частин; немає потреби в періодичному перекалібруванні та регу­лярному технічному обслуговуванні.

Подібні ПВП дозволяють вимірювати витрату в дуже широких межах із

похибкою, що становить частки відсотка. Наприклад, коріолісів витра­томір із

сенсорами D фірми дозволяє вимірювати витра­ти від 55 до 680400

кг/год з похибкою 0,15 % та відтворюваністю 0,05 % від вимірюваної витрати