Vloeistofsensor Nauwkeurigheid Verbeteren voor Precieze Industriële Procesmeting

Start uw auto, vul een glas water uit de kraan, of meng kookolie in uw brownie deeg, en u gebruikt een vloeistof die zorgvuldig geëxtraheerd, verwerkt en beoordeeld is op kwaliteit. De staggerende vooruitzicht en technologie die erin gaat om dergelijke vloeistoffen bruikbaar te maken voor consumenten is vaak out of sight, maar vereist nauwkeurige meting en monitoring.

Bij het verwerken van farmaceutische producten, hoe weet u of een vloeistof van hoge kwaliteit is? Als u met ruwe olie werkt, hoe weet u hoeveel u extraheert? Als u water transporteert, hoe weet u de flowsnelheid?

Vragen als deze, die vertrouwen en bottom lines beïnvloeden voor water, voedsel, life sciences, en olie- en gasbedrijven, worden geadresseerd door de fabrikanten van flowmeters die in pijpleidingen en andere apparatuur geïnstalleerd zijn. Bij Endress+Hauser werken productontwikkelteams aan het ontwikkelen en onderhouden van nauwkeurige sensoren voor een verscheidenheid aan stoffen die verschillende meetmethoden vereisen.

Coriolis Krachten Meten

Om de eigenschappen van een vloeistof te bepalen die in een pijp reist, meten sensoren ontworpen bij Endress+Hauser de effecten van de Corioliskracht binnen een in de pijpleiding geplaatst apparaat bestaande uit een of meer trillende meetbuizen.

De buis wordt opgewonden voordat er vloeistof het apparaat binnenkomt. Wanneer een vloeistof in rust de apparatuur vult, trilt de buis uniform. Zodra de vloeistof begint te stromen door de trillende buis, begint de vloeistof een kracht op de wanden uit te oefenen. De trilling van de meetbuis wordt gezien als een rotatie om een as door de vloeistofdeeltjes. Aangezien vloeistofdeeltjes bewegen in een bewegend referentiekader, ervaren ze een inertiële kracht die loodrecht op hun bewegingsrichting en op de as van rotatie - de Corioliskracht. Aangezien de stroomsnelheid ten opzichte van de as van rotatie tegengestelde richtingen heeft in de inlaat- en uitlaatsecties, werken de geïnduceerde krachten om de buis asymmetrisch te vervormen, wat een fasverschuiving of tijdsvertraging langs de buis veroorzaakt.

Verschillende secties van de buis beginnen te trillen met een tijdsvertraging of fasverschuiving veroorzaakt door de wringende component in de beweging van de pijp. Deze fasverschuiving en de nieuwe trillingsfrequentie van de buis zijn een functie van de massastroom in de buizen en de dichtheid van de vloeistof, respectievelijk. Daarom kunnen de signalen van de meter geïnterpreteerd worden om de massa- of volumestroom te meten en te garanderen dat de gewenste hoeveelheid vloeistof getransporteerd wordt.

Evenzo leidt een toename in vloeistofviscositeit tot een toename in demping van de trillingen. De trillingsfrequentie is voornamelijk een direct maat voor de vloeistofdichtheid. Bijvoorbeeld, trillingen zullen sneller maar meer gedempt zijn met een stof zoals olie (lagere dichtheid en hogere viscositeit) dan een vloeistof zoals water (hogere dichtheid en lagere viscositeit). Het meten van de frequentie en de demping van trillingen maakt het mogelijk om dichtheid en viscositeit te bepalen, en de proceskwaliteit gerelateerd aan de vloeistofstroom te monitoren. Dezelfde fysica effecten zouden gelden voor een object, zoals een uithangende balk, dat trilt in een bewegende vloeistof.

Viscoacoustisch Voorbeeld

Afbeelding 1. Coriolis flowmeter ontworpen bij Endress+Hauser. (Afbeelding: COMSOL)

Dr. Vivek Kumar, een Senior Expert in numerieke simulatie bij Endress+Hauser Flow, de tak van Endress+Hauser die deze flowmeters fabriceert (Afbeelding 1), werkt aan het verbeteren van sensorprestaties. Zijn modelleerwerk heeft zijn team geholpen de akoestische, structurele en vloeistofstroom effecten in hun flowmeters op een diep niveau te begrijpen. Het begrijpen van hoe de vloeistof-structuur interactie en vibroakoestiek de prestaties van een sensor beïnvloeden, stelde hen in staat om diverse ontwerpaanpassingen te maken om de prestaties en kwaliteit van de meter te verbeteren.

Het team begon hun numerieke analyse met een viscoacoustisch model om de complexe viseuze demping te begrijpen die optreedt wanneer een viseuze vloeistof door de trillende buis stroomt.

Afbeelding 2. Simulatieresultaten die de verandering in buistrilfrequentie voor verschillende vloeistofviscositeiten en de resulterende mechanische verplaatsing tonen (links). Een visueel voorbeeld van buisvervorming door de trillende beweging (rechts). (Afbeelding: COMSOL)

Met de COMSOL Multiphysics® software, analyseerden ze de effecten van vloeistofviscositeit op de trillingsfrequentie van de buis. Afbeelding 2 toont hun simulatieresultaten die de frequentie alsook de verplaatsing van de buis voor vloeistoffen met verschillende viscositeiten voorspellen. Met de mogelijkheid om te simuleren en de fysieke effecten die een verschuiving in de frequentie-uitgang van de meter veroorzaken beter te begrijpen, is het team in staat om deze effecten te benutten om de prestaties van de meter te verbeteren. In dit geval wordt de variatie in de buisdemping benut om te compenseren voor de viscositeitseffecten op de gemeten dichtheidsfout.

"We wilden begrijpen hoe verschillende vloeistoffen de sensorprestaties zouden beïnvloeden," zei Kumar. "Met simulatie zijn we in staat om verschillende gevallen te analyseren en uiteindelijk ons apparaatontwerp te optimaliseren om onze klanten te helpen materiaaleigenschappen te karakteriseren voor de vloeistoffen die ze gebruiken of extraheren."

Microschaal Voorbeeld

Afbeelding 3. MEMS Coriolis chip gebruikt voor dichtheids- en viscositeitsmeting. Links is de complete sensor vastgehouden door tangen. Rechts is de chip layout binnen het apparaat. (Afbeelding: COMSOL) Afbeelding 4. Twee eigenmodes van de trillende microkanaal. Kleur geeft de relatieve verplaatsingsniveaus van verschillende regio's van het kanaal aan. (Afbeelding: COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, een dochter van Endress+Hauser Flow, ontwikkelt MEMS apparaten gebaseerd op een vergelijkbaar concept. Ze ontwerpen en testen trillende sensoren om thermofysische vloeistofeigenschappen te meten voor veel verschillende toepassingen. Het team ontwikkelt sensoren voor specifieke klantoplossingen, dus het is essentieel dat ze weten welk type oscillators de beste gevoeligheid voor unieke gevallen zou bieden.

De MEMS Coriolis chip (Afbeelding 3) gebruikt een vrijstaand trillend microkanaal dat op hetzelfde principe werkt als de grotere Coriolis stroomsensor. Net als in het geval van Coriolis simulaties, moet een trillingsanalyse uitgevoerd worden op het microkanaal om fundamentele eigenmodes en de trillingsfrequenties van de verschillende uiteinden van het stroomkanaal te bepalen (Afbeelding 4). Deze specifieke sensor wordt gebruikt voor het evalueren van de dichtheid en viscositeit van vloeistoffen, zoals inerte gassen, vloeibaar petroleumgas (LPG), koolwaterstofbrandstoffen, of koelsmerstoffen. Vanwege zijn afmetingen is de sensor geschikt om zeer kleine vloeistofhoeveelheden te meten.

Afbeelding 5. Thermische resultaten die temperatuur in de MEMS Coriolis chip in 2D (boven) en 3D (onder) tonen. (Afbeelding: COMSOL) Afbeelding 6. Een Promag W 400 elektromagnetische flowmeter zonder inlaat- of uitlaatloop (0 x DN) ontworpen bij Endress+Hauser. De elektroden zijn zichtbaar binnen de pijp. Een polyurethaan liner biedt elektrische isolatie tussen pijp en vloeistof. (Afbeelding: COMSOL)

Een specifieke uitdaging in zo'n klein apparaat is dat de hoge spanning die gebruikt wordt om de opwindingen aan te drijven, het apparaat kan laten opwarmen als er elektrische storing is. Gegeven dit veiligheidsrisico, voerden ze een thermische analyse uit (Afbeelding 5) om te bepalen waar warmte in de chip gedissipeerd werd en of de vloeistof te heet zou worden. Het werd bevestigd dat de temperatuur de limiet niet overschreed dankzij de vacuümkamer rond het stroomkanaal die warmteoverdracht tussen de elektroden en de vloeistof minimaliseerde.

Elektromagnetische Flowmeters Optimaliseren

Een ander type flowmeter is de elektromagnetische flowmeter, die gebruikmaakt van de Lorentz-kracht. De Lorentz-kracht werkt op geladen deeltjes die door een magneetveld bewegen (Afbeelding 6). Voor deze flowmeters zijn de deeltjes de ionen van een geleidende vloeistof, de beweging komt van de vloeistof die door de pijp stroomt, en het magneetveld wordt geleverd door een set spoelen die boven en onder de pijp geplaatst zijn. Het resultaat is een elektromagnetisch potentieel over de pijp, dat gemeten kan worden met een paar elektroden. Het signaal is typisch slechts in de orde van een paar honderd mV per m/s; als je het ontwerp goed krijgt, is het gemeten potentieel evenredig met de stroomsnelheid en onafhankelijk van de geleidbaarheid.

De simulatie van elektromagnetische flowmeters roept multiphysics modelleersoftware op om het magneetveld gegenereerd door de spoelen en de stroomsnelheidsverdeling in de pijp te berekenen, en ze te combineren om het elektrische potentieel te berekenen (Afbeelding 7). Elektromagnetische flowmeters worden typisch gespecificeerd met een meetnauwkeurigheid van een paar fracties van een procent, dus de simulaties moeten extreem nauwkeurig zijn. Bij Endress+Hauser Flow, simulation experts Dr. Simon Mariager en Dr. Simon Triebenbacher gebruikten dergelijke simulaties om een van de hoofdbeperkingen van elektromagnetische flowmeters te verwijderen: de gevoeligheid voor het stroomprofiel.

Afbeelding 7. Een multiphysics model van een elektromagnetisch apparaat. De spoelstroom wordt getoond als rode pijlen en de stroomlijnen tonen de magneetveldsterkte binnen de flowmeter. De kleurrijke slice plot toont de snelheidsgrootte aan de inlaat van de flowmeter. Deze inhomogene stroomprofiel werd gegenereerd door een upstream 90-graden bocht (niet getoond). De halve slice in het centrum toont de veel meer homogene gewichtsfunctie van de 0 x DN full bore sensor, wat een ontwerp aangeeft dat onafhankelijk is van het stroomprofiel en gerelateerde storingen. (Afbeelding: COMSOL)

Hoewel conventionele elektromagnetische flowmeters verrassend robuust zijn, resulteren veranderingen in het stroomprofiel - bijvoorbeeld die optredend na een bocht in de pijpleiding - in meetfouten. Om deze reden adviseren fabrikanten dat deze flowmeters een bepaalde inlaatlengte van rechte pijp hebben (typisch 10 keer de grootte van de nominale diameter) voor de sensor. Echter, dit aanbevolen ontwerp kan de installatie van elektromagnetische flowmeters een uitdagend proces maken, aangezien ze beschikbaar zijn voor pijpgroottes variërend van een paar millimeters tot diverse meters. Het verwijderen van de inlaatlengte was het doel van een recent ontwikkelingsproject bij Endress+Hauser Flow. De taak vereiste het optimaliseren van de gewichtsfunctie van de flowmeter. Theoretisch vereist dit dat de curl van de gewichtsfunctie overal nul is, maar dit is niet wiskundig mogelijk met real-world geometrieën.

In plaats daarvan werden extra meet-elektrodes gebruikt om de benodigde vrijheidsgraden te bieden. Met dat, moest het team nog bepalen hoeveel elektrodes nodig waren en waar ze geplaatst moesten worden. Ze gebruikten simulaties van de pijpstroom na stroomstoringen, zoals bochten en kleppen, om de prestaties van de elektromagnetische flowmeters in een verscheidenheid aan real-world toepassingen te voorspellen en hun ontwerp te optimaliseren tot een graad waarop de nieuwe flowmeter virtueel onafhankelijk werd van het stroomprofiel.

Bedrijfs- en Klantbehoeftes Dienen

Voor het Endress+Hauser simulatie team, zijn de functionaliteiten van de COMSOL Multiphysics® software behulpzaam geweest in hun dagelijkse R&D werk om vloeistofmeetapparaten te optimaliseren en te ontwikkelen. De multiphysics analyses bieden hen inzicht dat de algehele tijd en inspanning die besteed wordt aan testen en prototypen vermindert en hen in staat stelt sensoren van de hoogste kwaliteit te produceren.

Dr. Christof Huber, Principal Expert van geavanceerde sensortechnologie bij Endress+Hauser Flow, voelt geïnspireerd wanneer hij ziet hoe zijn modellen resulteren in veranderingen aan de apparaatontwerpen die de ervaring van Endress+Hauser klanten verbeteren. "Deze tools worden gebruikt om klantenproblemen op te lossen; we zien dit werken in het veld, onze innovatie in de praktijk; we zien de teruggave, de reden waarom we dit doen," zei Huber.

Dit artikel is geschreven door Rachel Keatley voor COMSOL (Burlington, MA). Voor meer informatie, bezoek hier.