Precizia debitmetrelor Coriolis și gazele antrenate: efectul de bulă și efectul rezonator

Un debitmetru Coriolis funcționează prin oscilarea uneia sau mai multor tuburi de măsurare și detecția abaterii cauzate de efectul Coriolis pe măsură ce fluidul se deplasează prin aceste tuburi.

Această abatere este direct proporțională cu debitul masic; prin urmare, debitmetrele Coriolis pot măsura debitul masic real, spre deosebire de debitul volumetric, pe care se bazează majoritatea celorlalte tipuri de debitmetre. Această oscilație îi permite, de asemenea, aparatului de măsură să determine densitatea fluidului, prin monitorizarea frecvenței de rezonanță a tubului. Acest principiu de măsurare direct și fundamental constituie unul dintre motivele pentru care debitmetrele Coriolis sunt utilizate pe scară largă în aplicațiile care necesită o precizie ridicată a debitului masic și densității, fiind posibile măsurători cu o precizie de ±0,1% sau mai mare, în condiții de referință.

Gazul antrenat se referă la prezența unor cantități mici de gaz, de obicei sub formă de bule, într-un flux de lichid care, în mod normal, ar trebui să fie monofazat. Aceasta este o stare bine studiată și bine înțeleasă în cazul măsurării cu Coriolis: atunci când o a doua fază (de exemplu, gaz) este introdusă în lichidul care este măsurat, aceasta poate modifica efectul de abatere al tubului, precum și frecvența de rezonanță a acestuia. Fără o adaptare în cadrul procesului de măsurare bazat pe Coriolis, valoarea reală a masei lichidului ar putea fi afectată negativ.
Înțelegerea efectelor gazului antrenat asupra preciziei măsurării și a modului de gestionare a acestora începe prin a recunoaște faptul că gazul antrenat nu generează o eroare unică, previzibilă. Acesta ar putea duce la două tipuri de mecanisme de eroare: efectul de bulă și efectul rezonator (compresibilitate).

Efectul de bulă apare atunci când bulele de gaz sunt suficient de mari sau în cazul în care lichidul înconjurător nu este suficient de vâscos pentru ca bulele să se comporte independent de mișcarea lichidului, în loc să se deplaseze odată cu acesta. Acestea sunt cunoscute ca bule libere.

Deoarece gazul are o densitate considerabil mai mică decât lichidul care îl transportă, aceste bule libere tind să alunece în raport cu peretele tubului în timpul oscilației, în loc să îl urmeze cu precizie. Aceasta reduce inerția efectivă resimțită de tub, ceea ce determină aparatul de măsură să subestimeze atât debitul masic, cât și densitatea. În schimb, bulele în suspensie, adică bule mai mici sau bule reținute în interiorul unor lichide mai vâscoase, tind să urmeze mult mai fidel mișcarea lichidului și nu generează un efect de bulă considerabil.

Această distincție este importantă, deoarece bulele în suspensie, nu cele libere, cauzează a doua problemă, mai dificilă: efectul rezonator.

efectul rezonator apare atunci când bule mici, în suspensie reduc considerabil viteza sunetului din amestecul de fluide. Acest lucru nu necesită o cantitate mare de gaz antrenat; o proporție mică de bule minuscule, aflate în suspensie, este suficientă pentru a provoca o scădere considerabilă a vitezei acustice a unui amestec de fluide.

Acest aspect este important deoarece efectul rezonator introduce erori atât în ​​măsurătorile debitului masic, cât și în cele ale densității, nu doar într-o singură măsurătoare. Spre deosebire de bulele libere, bulele în suspensie urmează, în mare măsură, mișcarea lichidului și, prin urmare, nu reduc considerabil inerția efectivă resimțită de contor. În schimb, acestea reduc viteza sunetului în amestecul de fluide, deplasând rezonanța acustică a amestecului mai aproape de frecvența de antrenare mecanică a tubului de măsurare. Această interacțiune distorsionează răspunsul vibrațional al tubului și poate determina contorul să supraestimeze atât debitul masic, cât și densitatea.

Deoarece bulele în suspensie sunt mult mai greu de separat de lichid cu ajutorul echipamentelor convenționale de separare decât bulele libere, efectul rezonator tinde să fie problema dominantă și mai persistentă întâlnită în practică. De asemenea, acest aspect este mai pronunțat în cazul contoarelor cu diametre mai mari ale tuburilor, întrucât un diametru mai mare scade frecvența rezonanței acustice a sistemului tub-fluid. Acest lucru reduce marja dintre rezonanța fluidului și frecvența de antrenare a tubului, amplificând interferențele în cazul în care acestea nu sunt compensate.

În cadrul proceselor în care sunt prezente simultan atât bule libere, cât și bule în suspensie, cele două efecte se pot compensa parțial, reciproc în anumite momente, iar în altele se pot cumula, în funcție de distribuția reală a dimensiunilor bulelor existentă la un moment dat. De aceea erorile cauzate de gazul antrenat par adesea inconsecvente în condiții de teren, ceea ce le face și mai dificil de corectat.

Gazul antrenat poate pătrunde într-un proces în mai multe moduri, iar identificarea sursei reprezintă primul pas spre gestionarea acestei probleme.

Degazarea este o cauză frecventă, caz în care gazul dizolvat iese din soluție pe măsură ce aceasta trece dintr-o zonă cu presiune ridicată într-o zonă cu presiune scăzută a unui proces. Nivelurile insuficiente de lichid în rezervoarele din amonte pot permite pătrunderea gazului în conducta de aspirare. Împreună, contrapresiunea insuficientă și nivelul scăzut de lichid din rezervoare reprezintă cele mai frecvente cauze ale antrenării gazului.

Unele fluide sunt, pur și simplu, mai predispuse la transportul gazului antrenat, ca urmare a proprietăților lor fizice. Fluidele cu un nivel ridicat de viscozitate, cum ar fi țițeiul, tind să rețină bulele, în loc să le permită să se separe și să iasă. Anumite produse, precum produsele lactate lichide, conțin în mod natural microbule, ca parte a compoziției sau a procesării lor.

Distincția practică care contează aici este aceea că bulele libere, generate, de exemplu, de amestecarea turbulentă sau aerare, tind să se separe relativ ușor de lichid, în condițiile corespunzătoare. Bulele în suspensie, generate prin degazare sau reținute de vâscozitatea fluidului, nu fac acest lucru. Această distincție determină ceea ce poate fi realizat în mod realist doar prin proiectarea proceselor și care sunt aspectele care necesită o abordare diferită.

Îndepărtarea gazului antrenat înainte ca acesta să ajungă la contor este soluția cea mai eficientă și ar trebui să fie primul aspect luat în considerare în orice proces, în special dacă gazul antrenat este o problemă cunoscută sau suspectată, deoarece calibrarea standard a debitmetrului Coriolis nu poate remedia aceste erori. Efectul de bulă și efectul rezonator generează abateri inconsecvente și concurente, mai degrabă decât o abatere stabilă, neexistând astfel nicio eroare fixă ​​care să poată fi eliminată prin calibrare.

Mai multe măsuri practice, bine stabilite, pot reduce sau elimina bulele libere chiar la sursă:

• Menținerea unei contrapresiuni suficiente și minimizarea pierderilor de presiune dintre proces și intrarea contorului, pentru a suprima degazarea și a menține în soluție gazul dizolvat
• Instalarea unor eliminatoare de gaz sau a unor rezervoare de decantare în amonte de contor, oferind bulelor mai mari timpul și spațiul necesare pentru a se separa de lichid înainte de efectuarea măsurătorii
• Asigurarea unor niveluri adecvate de lichid în rezervoarele din amonte, pentru a preveni aspirarea de aer sau gaz de către pompă
• Evitarea umplerii din partea superioară a rezervoarelor prin turnare liberă, optând, în schimb, pentru umplerea prin partea inferioară
• Creșterea vitezei de curgere sau a turbulențelor, dacă este posibil, pentru a contribui la fragmentarea bulelor libere mai mari în bule mai mici, cu dimensiuni mai ușor de gestionat
• Instalarea contoarelor în poziție verticală, cu fluxul de lichid orientat în sus (instalare tip steag), pentru a permite evacuarea completă din contor a oricărui gaz liber tranzitoriu
• Utilizarea unui debitmetru Coriolis cu cea mai mică dimensiune nominală posibilă, pentru a crește viteza de curgere în tuburile de măsurare și a facilita o amestecare mai bună

În multe aplicații, optimizarea proiectării proceselor și a conductelor reprezintă o măsură eficientă pentru a preveni afectarea măsurătorilor de către gazul antrenat. În alte cazuri, însă, o anumită cantitate de gaz rămâne inevitabilă.

În unele aplicații, o anumită cantitate de gaz antrenat este, practic, inevitabilă. În aceste cazuri, vizibilitatea continuă asupra prezenței gazului și a caracteristicilor debitului în două faze este, în sine, extrem de valoroasă, sprijinind luarea unor decizii operaționale fundamentate și, în cele din urmă, calitatea produsului. Debitmetrele Proline Promass Coriolis de la Endress+Hauser asigură această vizibilitate cu ajutorul sistemului de gestionare a fracțiunilor de gaz (SGFG).

Sistemul de gestionare a fracțiunilor de gaz (SGFG) adaptează prelucrarea semnalului la starea reală a procesului, pentru a îmbunătăți stabilitatea măsurătorii atunci când gazul antrenat este prezent. Spre deosebire de filtrele statice, SGFG ajustează nivelul de amortizare aplicat semnalului de ieșire în funcție de intensitatea perturbației detectate. În timpul funcționării stabile monofazate, acesta nu intervine, menținând semnalul rapid și dinamic. Atunci când este detectată o a doua fază, cum ar fi gazul antrenat, se aplică o netezire specifică pentru a stabiliza valorile măsurate și a îmbunătăți repetabilitatea, fără a fi nevoie de intervenția operatorului.

Pe lângă stabilitatea măsurătorilor, SGFG contribuie la înțelegerea aspectelor din interiorul procesului. Cu ajutorul a doi indici de diagnosticare specifici, condițiile de proces în schimbare sunt evaluate și se poate determina dacă măsurătorile instabile sunt legate de bule de gaz, eterogenitatea fluidului sau microbule în suspensie:

1. Indicele de neomogenitate a fluidului (MI-MI) monitorizează gradul general de neomogenitate a fluidului asociat cu bule de gaz libere. Valoarea 0 indică un debit monofazat perfect, în timp ce o valoare de 10 sau mai mare indică un conținut ridicat de gaz și condiții de proces similare cu o fracție de goluri de gaz (FGG) de 10%. Indicele oferă o măsură relativă și reproductibilă a perturbațiilor cauzate de gaze, ajutând operatorii să înțeleagă condițiile de proces și să monitorizeze nivelurile de gaze antrenate în timp.
2. Indicele de bule în suspensie (MI-SB) oferă informații suplimentare de diagnosticare cu privire la cantitatea relativă de microbule aflate în suspensie în fluid, care, prin natura lor, sunt prea bine integrate în lichid. Într-un fluid vâscos, acestea ar fi foarte greu de separat într-un rezervor de decantare sau într-un eliminator de gaz și, totodată, prea mici pentru a fi fragmentate de un nivel ridicat de turbulență, așa cum se poate întâmpla în cazul bulelor libere.

Deși niciunul dintre indici nu asigură o măsurare directă a fracției de volum a gazului, ambii permit o analiză mai rapidă a cauzelor principale, o monitorizare mai fiabilă a tendințelor și decizii de proces mai bine informate cu ajutorul unei evaluări calitative și relative a efectelor legate de gaz.

SGFG ajută la stabilizarea valorilor măsurate și la identificarea perturbațiilor legate de gaze. Totuși, stabilizarea semnalului și diagnosticarea nu corectează eroarea de măsurare în sine. În acest scop, debitmetrul are nevoie de informații suplimentare de măsurare furnizate de tehnologia multifrecvență (TMF).

În procesele care implică degazarea, utilizarea fluidelor cu un nivel ridicat de viscozitate sau a produselor care conțin în mod natural microbule, este posibil ca microbulele în suspensie să persiste chiar și după aplicarea unei etape de separare a gazelor în cadrul procesului. În aceste cazuri, tehnologia multifrecvență oferă o modalitate specifică de a compensa efectul rezonator, care este cel mai persistent dintre cele două mecanisme de eroare descrise mai sus.

Pentru a înțelege de ce această compensare necesită o abordare diferită a măsurării, este util să analizăm de ce contoarele Coriolis convenționale nu pot face acest lucru. Un debitmetru convențional oscilează la o singură frecvență, primul mod natural al tubului de măsurare.

Atunci când gazul antrenat este prezent, valoarea densității aparente obținută prin acest mod unic este influențată de efectul rezonator, însă instrumentul de măsurare nu are posibilitatea de a diferenția între măsura în care această abatere se datorează densității reale a fluidului și măsura în care aceasta se datorează frecvenței de rezonanță acustică a amestecului gaz-lichid. Cu o singură măsurătoare și două necunoscute, eroarea datorată efectului rezonator nu poate fi calculată.

TMF, disponibil cu debitmetrele Proline Promass Q, oferă soluția, prin antrenarea tubului de măsurare, simultan, la o a doua frecvență: al treilea mod propriu al tubului, care rezonează la o frecvență de aproximativ cinci până la șase ori mai mare decât cea a primului mod.

Ambele moduri sunt antrenate de același element de acționare și prelucrate împreună de componentele electronice ale dispozitivului. Deoarece cele două moduri reacționează diferit la același amestec de gaze antrenat, sunt generate două valori independente ale densității aparente pentru același fluid, în același moment. Rezultatul constă în două ecuații cu două necunoscute, ambele putând fi rezolvate. Dacă frecvența de rezonanță acustică a amestecului este cunoscută, eroarea cauzată de efectul rezonator, atât asupra densității, cât și asupra debitului masic, poate fi calculată și compensată în timp real.
Dincolo de corectarea efectului rezonator, informațiile suplimentare de măsurare generate de TMF pot, de asemenea, să susțină determinarea fracției de goluri de gaz și măsurarea conținutului de apă, conform exemplelor de validare de mai jos.

În industria alimentară și băuturilor, o provocare este faptul că, la începutul traseelor ​​de colectare a laptelui, autocisternele sunt încărcate doar parțial, astfel încât, pe parcursul deplasării, aerul este încorporat continuu în produs prin agitare. La livrare și chiar și după separarea aerului, o parte din aerul rezidual afectează măsurarea. Micile erori procentuale de măsurare a debitului masic cauzate de acest aer antrenat se acumulează până la discrepanțe financiare considerabile în decursul unui an, în special în operațiuni la scară largă, cum ar fi cele ale fabricii germane de produse lactate Meierei Barmstedt. TMF reduce această eroare de măsurare aproape la zero în punctul de livrare, permițând o decontare mai precisă cu fermierii din sectorul produselor lactate, precum și o stabilire mai fiabilă a prețurilor bazate pe costurile totale pentru diversele produse.

În anumite aplicații din industria alimentară și băuturilor, gazul reprezintă un ingredient deliberat, esențial pentru calitate. În acest caz, provocarea nu este eliminarea gazului, ci măsurarea cu precizie a acestuia. Debitmetrele Coriolis convenționale întâmpină dificultăți la efectuarea cu precizie a acestei măsurători, deoarece efectul rezonator distorsionează atât valorile densității, cât și pe cele ale debitului masic, în special atunci când conținutul de gaz variază considerabil în funcție de condițiile de proces.

Un producător de glazuri s-a confruntat direct cu această problemă: un debitmetru Coriolis convențional, instalat pentru această aplicație, furniza valori corecte ale densității, dar nu oferea nicio indicație privind debitul. Aerul antrenat, în condițiile de proces, a făcut imposibilă măsurarea debitului masic. Testele efectuate cu Promass Q, cu o gamă variată de presiuni și viteze ale amestecătorului, au arătat că conținutul de aer din glazură a variat de la sub 1%, la presiune ridicată și turație mare, până la aproape 15% atunci când procesul era în repaus. Acest tip de interval dinamic face imposibilă utilizarea unui factor de corecție fix, însă este întocmai situația pentru care a fost conceput TMF. Prin caracterizarea continuă a aerului antrenat, în locul presupunerii unei corecții fixe, Promass Q a furnizat măsurări fiabile ale debitului masic și densității pentru întreaga gamă de condiții de proces.

Un producător de cafea și ceai a oferit cea mai directă comparație a preciziei, măsurând un extract de cafea cu un grad ridicat de viscozitate la o temperatură de aproximativ −3 °C și valori ale viscozității cuprinse între 839 și 2505 cP, în funcție de concentrație. Un contor convențional, instalat în paralel, a indicat o densitate de 1170 kg/m³, față de o valoare de laborator de referință de 1100 kg/m³. Aceasta a reprezentat o eroare de 6%, pe care producătorul o compensa manual cu ajutorul unui factor de corecție. Promass Q a indicat 1104 kg/m³ în aceleași condiții: o eroare de 0,4%. Îmbunătățirea a fost obținută nu prin modificarea procesului, ci prin compensarea efectului rezonator, aspect pe care contorul convențional nu îl poate gestiona în niciun fel.

TMF a fost validat în condiții reale de teren, în două laboratoare independente.

Fabrica Schlumberger din Porsgrunn, Norvegia, a testat Proline Promass Q cu TMF în apă salină saturată cu azot, în condiții controlate de degazare.

Un debitmetru Coriolis de referință a măsurat fluidul la presiune ridicată, stare în care acesta a rămas monofazat, în timp ce un contor de test a fost instalat în secțiunea de joasă presiune, unde degajarea de gaze a generat un regim de curgere omogen cu microbule.

Condițiile de testare au acoperit debite de la 7000 până la 18.000 kg/h la 50 °C, cu FGG ajungând la aproximativ 3%.

Fără TMF, eroarea de măsurare a debitului în aceste condiții a ajuns până la 2%. Cu TMF, eroarea a fost redusă la aproximativ 0,3% pe întregul interval al condițiilor de testare, fără nicio modificare a procesului în sine.

Într-un laborator separat, DNV GL, un al doilea test a evaluat capacitatea TMF de a măsura cu precizie conținutul de apă (adică proporția de apă dintr-un amestec de petrol și apă) în prezența gazelor antrenate. Rezultatele au confirmat acuratețea măsurării conținutului de apă în condiții de amestec petrol-apă-gaz, în condiții verificate în mod independent.

Deși aceste rezultate reflectă condiții specifice și realiste de testare și nu o garanție universală a performanței, acestea asigură o bază practică pentru a evalua dacă TMF este relevant pentru un anumit proces, în special în situațiile în care degazarea sau prezența microbulelor în suspensie constituie o problemă cunoscută.

• Deși tehnologia Coriolis rămâne cea mai precisă metodă disponibilă pentru măsurarea debitului masic, prezența gazului antrenat este un fenomen cunoscut și studiat temeinic, care afectează măsurarea debitului în anumite situații.
• Deoarece două mecanisme opuse (adică efectul de bulă și efectul rezonator) pot influența măsurătorile bazate pe efectul Coriolis, erorile cauzate de gazul antrenat pot fi inconsecvente și, prin urmare, mai dificil de corectat.
• Eliminarea gazului antrenat la nivelul procesului reprezintă cea mai eficientă măsură de gestionare și ar trebui să fie primul aspect luat în considerare în orice aplicație afectată.
• În situațiile în care gazul nu poate fi eliminat complet, prezența acestuia este intenționată sau nu este cunoscută, SGFG furnizează valori măsurate stabilizate și diagnosticare, în timp ce TMF compensează în mod specific efectul rezonator; este o soluție specifică, nu una universală.