Verbetering van de nauwkeurigheid van vloeistofsensoren voor nauwkeurige industriële procesmetingen

Start uw auto, vul een glas water uit de kraan of meng bakolie door uw browniebeslag en u gebruikt een vloeistof die zorgvuldig is geëxtraheerd, verwerkt en beoordeeld op kwaliteit. De verbijsterende vooruitziende blik en technologie die nodig zijn om dergelijke vloeistoffen bruikbaar te maken voor consumenten, zijn vaak buiten het zicht, maar vereisen nauwkeurige metingen en monitoring.

Hoe weet u bij het verwerken van farmaceutische producten of een vloeistof van hoge kwaliteit is? Als u met ruwe olie werkt, hoe weet u dan hoeveel u eruit haalt? Als u water vervoert, hoe weet u dan het debiet?

Vragen als deze, die van invloed zijn op het vertrouwen en de resultaten van water-, voedsel-, biowetenschappen- en olie- en gasbedrijven, worden aangepakt door de fabrikanten van flowmeters die in pijpleidingen en andere apparatuur worden geïnstalleerd. Bij Endress+Hauser werken productontwikkelingsteams aan het ontwikkelen en onderhouden van nauwkeurige sensoren voor een verscheidenheid aan stoffen die verschillende meetmethoden vereisen.

Corioliskrachten meten

Om de eigenschappen te bepalen van een vloeistof die door een pijpleiding beweegt, meten sensoren ontworpen bij Endress+Hauser de effecten van de Coriolis-kracht binnen een apparaat dat in de pijpleiding wordt geplaatst en bestaat uit een of meer oscillerende meetbuizen.

De buis wordt opgewonden voordat er vloeistof in het apparaat komt. Wanneer een vloeistof in rust het apparaat vult, oscilleert de buis gelijkmatig. Zodra de vloeistof door de oscillerende buis begint te stromen, begint de vloeistof een kracht uit te oefenen op de wanden ervan. De oscillatie van de meetbuis wordt door de vloeistofdeeltjes gezien als een rotatie rond een as. Omdat vloeistofdeeltjes in een bewegend referentieframe bewegen, ervaren ze een traagheidskracht die loodrecht op hun bewegingsrichting en op de rotatieas werkt:de Coriolis-kracht. Omdat de stroomsnelheid ten opzichte van de rotatie-as tegengestelde richtingen heeft in de inlaat- en uitlaatsecties, werken de geïnduceerde krachten om de buis op een asymmetrische manier af te buigen, waardoor een faseverschuiving of tijdvertraging langs de buis ontstaat.

Verschillende delen van de buis beginnen te oscilleren met een tijdsvertraging of faseverschuiving, veroorzaakt door de draaiende component in de beweging van de buis. Deze faseverschuiving en de nieuwe oscillatiefrequentie van de buis zijn respectievelijk een functie van de massastroomsnelheid in de buizen en de dichtheid van de vloeistof. Zo kunnen de signalen van de meter worden geïnterpreteerd om de massa- of volumestroom te meten en ervoor te zorgen dat de gewenste hoeveelheid vloeistof wordt getransporteerd.

Op soortgelijke wijze leidt een toename van de vloeistofviscositeit tot een toename van de demping van de trillingen. De oscillatiefrequentie is hoofdzakelijk een directe maatstaf voor de vloeistofdichtheid. Oscillaties zullen bijvoorbeeld sneller zijn, maar meer gedempt met een stof als 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 de dichtheid en viscositeit te bepalen en de proceskwaliteit gerelateerd aan de vloeistofstroom te monitoren. Dezelfde natuurkundige effecten zouden van toepassing zijn op een object, zoals een cantilever, dat oscilleert in een bewegende vloeistof.

Visco-akoestisch voorbeeld

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

Dr. Vivek Kumar, een senior expert in numerieke simulatie bij Endress+Hauser Flow, de afdeling van Endress+Hauser die deze flowmeters produceert (Figuur 1), werkt aan het verbeteren van de sensorprestaties. Zijn modelleringswerk heeft zijn team geholpen de akoestische, structurele en vloeistofstroomeffecten in hun flowmeters op een diep niveau te begrijpen. Door te begrijpen hoe de interactie tussen vloeistof en structuur en vibro-akoestiek de prestaties van een sensor beïnvloeden, konden ze verschillende ontwerpaanpassingen doorvoeren om de prestaties en kwaliteit van de meter te verbeteren.

Het team begon hun numerieke analyse met een visco-akoestisch model om inzicht te krijgen in de complexe viskeuze demping die optreedt wanneer een stroperige vloeistof door de oscillerende buis stroomt.

Figuur 2. Simulatieresultaten die de verandering in de oscillatiefrequentie van de buis tonen voor verschillende vloeistofviscositeiten en de resulterende mechanische verplaatsing (links). Een visueel voorbeeld van buisvervorming als gevolg van de oscillerende beweging (rechts). (Afbeelding:COMSOL)

Met behulp van de COMSOL Multiphysics®-software analyseerden ze de effecten van vloeistofviscositeit op de oscillatiefrequentie van de buis. Figuur 2 toont hun simulatieresultaten die de frequentie en de verplaatsing van de buis voorspellen voor vloeistoffen met verschillende viscositeiten. Met de mogelijkheid om de fysieke effecten die een verschuiving in de frequentie-uitvoer van de meter veroorzaken te simuleren en beter te begrijpen, kan het team deze effecten gebruiken om de prestaties van de meter te verbeteren. In dit geval wordt de variatie in de buisdemping gebruikt om de viscositeitseffecten op de gemeten dichtheidsfout te compenseren.

"We wilden begrijpen hoe verschillende vloeistoffen de sensorprestaties zouden beïnvloeden", zegt Kumar. “Met behulp van simulatie hebben we verschillende gevallen kunnen analyseren en uiteindelijk ons apparaatontwerp kunnen optimaliseren om onze klanten te helpen de materiaaleigenschappen te karakteriseren voor de vloeistoffen die ze gebruiken of extraheren.”

Voorbeeld op microschaal

Figuur 3. MEMS Coriolis-chip gebruikt voor dichtheids- en viscositeitsmeting. Links staat de complete sensor vastgehouden door een tang. Rechts ziet u de chipindeling in het apparaat. (Afbeelding:COMSOL) Figuur 4. Twee eigenmodi van het oscillerende microkanaal. Kleur geeft de relatieve verplaatsingsniveaus van verschillende regio's van het kanaal aan. (Afbeelding:COMSOL)

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

De MEMS Coriolis-chip (Figuur 3) maakt gebruik van een vrijstaand vibrerend microkanaal dat volgens hetzelfde principe werkt als de grotere Coriolis-flowsensor. Net als bij Coriolis-simulaties moet er een trillingsanalyse op het microkanaal worden uitgevoerd om de fundamentele eigenmodi en de oscillatiesnelheden van de verschillende uiteinden van het stroomkanaal te bepalen (Figuur 4). Deze specifieke sensor wordt gebruikt voor het evalueren van de dichtheid en viscositeit van vloeistoffen, zoals inerte gassen, vloeibaar petroleumgas (LPG), koolwaterstofbrandstoffen of koelsmeermiddelen. Door zijn afmetingen is de sensor geschikt voor het meten van zeer kleine vloeistofhoeveelheden.

Figuur 5. Thermische resultaten die de temperatuur in de MEMS Coriolis-chip weergeven in 2D (boven) en 3D (onder). (Afbeelding:COMSOL) Figuur 6. Een Promag W 400 elektromagnetische flowmeter zonder inlaat- of uitlaatrun (0 x DN), ontworpen door Endress+Hauser. De elektroden zijn zichtbaar in de buis. Een polyurethaanvoering zorgt voor elektrische isolatie tussen buis en vloeistof. (Afbeelding:COMSOL)

Een specifieke uitdaging bij zo'n klein apparaat is dat de hoge spanning die wordt gebruikt om de excitaties aan te sturen ervoor kan zorgen dat het apparaat opwarmt als er een elektrische storing optreedt. Gezien dit veiligheidsrisico voerden ze een thermische analyse uit (Figuur 5) om te bepalen waar in de chip warmte werd afgevoerd en of de vloeistof te heet zou worden. Er werd bevestigd dat de temperatuur de limiet niet overschreed dankzij de vacuümkamer rond het stroomkanaal die de warmteoverdracht tussen de elektroden en de vloeistof minimaliseerde.

Elektromagnetische flowmeters optimaliseren

Een ander type flowmeter is de elektromagnetische flowmeter, die gebruik maakt van de Lorentzkracht. De Lorentzkracht werkt op geladen deeltjes die door een magnetisch veld bewegen (Figuur 6). Bij deze debietmeters zijn de deeltjes de ionen van een geleidende vloeistof; de beweging komt van de vloeistof die door de pijp stroomt, en het magnetische veld wordt geleverd door een reeks spoelen die zich boven en onder de pijp bevinden. Het resultaat is een elektromagnetisch potentieel over de buis, dat kan worden gemeten met een paar elektroden. Het signaal is doorgaans slechts in de orde van een paar honderd mV per m/s; als je het ontwerp precies goed hebt, is het gemeten potentieel evenredig met de stroomsnelheid en onafhankelijk van de geleidbaarheid.

Voor de simulatie van elektromagnetische flowmeters is multifysische modelleringssoftware nodig om het door de spoelen gegenereerde magnetische veld en de stroomsnelheidsverdeling in de pijp te berekenen, en deze te combineren om het elektrische potentieel te berekenen (Figuur 7). Elektromagnetische debietmeters worden doorgaans gespecificeerd met een meetnauwkeurigheid van enkele fracties van een procent, dus de simulaties moeten uiterst nauwkeurig zijn. Bij Endress+Hauser Flow gebruikten simulatie-experts Dr. Simon Mariager en Dr. Simon Triebenbacher dergelijke simulaties om een van de belangrijkste beperkingen van elektromagnetische flowmeters weg te nemen:de gevoeligheid voor het stromingsprofiel.

Figuur 7. Een multifysisch model van een elektromagnetisch apparaat. De spoelstroom wordt weergegeven als rode pijlen en de stroomlijnen geven de magnetische veldsterkte in de flowmeter weer. De kleurrijke slice-plot toont de snelheidsgrootte bij de inlaat van de flowmeter. Dit inhomogene stromingsprofiel werd gegenereerd door een stroomopwaartse bocht van 90 graden (niet weergegeven). Het halve segment in het midden toont de veel homogenere gewichtsfunctie van de 0 x DN sensor met volledige doorlaat, wat duidt op een ontwerp dat onafhankelijk is van het stromingsprofiel en de daarmee samenhangende verstoringen. (Afbeelding:COMSOL)

Hoewel conventionele elektromagnetische flowmeters verrassend robuust zijn, resulteren veranderingen in het stromingsprofiel – bijvoorbeeld die welke optreden na een bocht in de pijpleiding – wel degelijk tot meetfouten. Om deze reden raden fabrikanten aan dat deze debietmeters een bepaalde inlaatlengte van een rechte buis hebben (doorgaans 10 keer de grootte van de nominale diameter) vóór de sensor. Dit aanbevolen ontwerp kan de installatie van elektromagnetische debietmeters echter tot een uitdagend proces maken, omdat ze beschikbaar zijn voor buisdiameters variërend van enkele millimeters tot enkele meters. Het wegwerken van de inlaatlengte was het doel van een recent ontwikkelingsproject bij Endress+Hauser Flow. De klus vereiste het optimaliseren van de gewichtsfunctie van de flowmeter. Theoretisch vereist dit dat de krul van de gewichtsfunctie overal nul is, maar dit is wiskundig niet mogelijk met geometrieën uit de echte wereld.

In plaats daarvan werden extra meetelektroden gebruikt om voor de nodige vrijheidsgraden te zorgen. Daarmee moest het team nog bepalen hoeveel elektroden er nodig waren en waar ze geplaatst moesten worden. Ze gebruikten simulaties van de leidingstroming na stromingsverstoringen, zoals bochten en kleppen, om de prestaties van de elektromagnetische debietmeters in een verscheidenheid aan toepassingen in de praktijk te voorspellen en hun ontwerp zodanig te optimaliseren dat de nieuwe debietmeter vrijwel onafhankelijk werd van het stromingsprofiel.

Bedienen van de behoeften van bedrijven en klanten

Voor het simulatieteam van Endress+Hauser zijn de functionaliteiten van de COMSOL Multiphysics®-software behulpzaam geweest bij hun dagelijkse R&D-werk om flowmeetapparatuur te optimaliseren en te ontwikkelen. De multifysische analyses bieden hen inzichten die de totale tijd en moeite die aan testen en prototypen wordt besteed, verminderen en hen in staat stellen sensoren van de hoogste kwaliteit te produceren.

Dr. Christof Huber, hoofdexpert van geavanceerde sensortechnologie bij Endress+Hauser Flow, voelt zich geïnspireerd als hij ziet hoe zijn modellen resulteren in veranderingen in de apparaatontwerpen die de ervaring van klanten van Endress+Hauser verbeteren. "Deze tools worden gebruikt om de problemen van klanten op te lossen; we zien dit in de praktijk werken, onze innovatie in de praktijk; we zien het rendement, de reden waarom we dit doen", aldus Huber.

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