Phát triển và ứng dụng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis
Tóm tắt: Bài viết này tóm tắt quá trình phát triển của lưu lượng kế khối lượng Coriolis, tóm tắt tình hình phát triển và ứng dụng của nó và chỉ ra xu hướng phát triển của nó.
Đo lưu lượng khối lượng trực tiếp so với lưu lượng kế thể tích
Việc đo lưu lượng, nhiệt độ và áp suất cùng nhau tạo thành ba phép đo thông số chính trong lĩnh vực đo lường công nghiệp, trong đó đo lưu lượng là phức tạp nhất và đòi hỏi độ chính xác cao nhất. Việc đo lưu lượng một cách kinh tế, đáng tin cậy và an toàn đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất. Hiện nay, có rất nhiều loại thiết bị được sử dụng để đo lưu lượng, chẳng hạn như lưu lượng kế bánh răng hình oval, lưu lượng kế chênh lệch áp suất, lưu lượng kế điện từ, lưu lượng kế tuabin, lưu lượng kế siêu âm, v.v., tất cả đều thuộc loại lưu lượng kế thể tích .
Đo lưu lượng thể tích bằng lưu lượng kế bánh răng hình bầu dục
Tại sao các ngành công nghiệp cần giải pháp đo lưu lượng khối trực tiếp
Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, do các lý do như cân bằng vật liệu, cân bằng nhiệt, lưu trữ và kế toán kinh tế, người ta quan tâm nhiều hơn đến việc đo khối lượng chất lỏng chảy qua. Mặc dù lưu lượng kế khối lượng gián tiếp có thể bao gồm lưu lượng kế thể tích và lưu lượng kế tỷ trọng, nhưng cấu trúc của nó rất phức tạp và bị ảnh hưởng bởi áp suất và nhiệt độ, dẫn đến sai số đo lường lớn. Do đó, từ lâu, các kỹ thuật viên đo lường đã hy vọng phát triển một lưu lượng kế khối lượng có thể đo trực tiếp lưu lượng chất lỏng trong đường ống.
Đo lưu lượng khối Coriolis không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất, độ nhớt
Độ chính xác của đồng hồ đo lưu lượng Coriolis so với đồng hồ đo lưu lượng điện từ và tuabin
Độ chính xác của lưu lượng kế tuabin không tốt bằng lưu lượng kế khối lượng Coriolis
So với các công nghệ khác như lưu lượng kế điện từ hoặc lưu lượng kế tuabin , lưu lượng kế Coriolis cung cấp độ chính xác cao hơn và đo lưu lượng khối trực tiếp. Lưu lượng kế khối Coriolis (sau đây gọi là lưu lượng kế Coriolis) là một loại lưu lượng kế khối mới được Micro Motion phát triển vào năm 1977, dựa trên nguyên lý lực Coriolis tỷ lệ thuận với lưu lượng khối tạo ra bởi chất lỏng trong một hệ thống quay trong chuyển động thẳng. Nó có thể đo trực tiếp và chính xác khối lượng chất lỏng và đồng thời thu được giá trị mật độ chất lỏng. Hiện nay, đây là một trong những lưu lượng kế phát triển nhanh nhất. Sau nhiều năm phát triển, loại lưu lượng kế khối mới này đã cải thiện đáng kể hiệu suất đo lường và trở thành công cụ hàng đầu trong lĩnh vực đo lưu lượng. Bài viết liên quan: [ Coriolis so với lưu lượng kế từ tính ]
Nguyên lý hoạt động và công thức của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis
Nguyên lý cơ bản của hoạt động lưu lượng kế Coriolis là lực Coriolis. Trên một đĩa quay với vận tốc góc ω, có một khối lượng m. Điểm chuyển động với vận tốc v, và tại điểm này, hạt sẽ chịu một lực quán tính giả định.
Hàm Fc, kích thước của nó là:
Fc=2mωv
Trong công thức: Fc là lực Coriolis; M là khối lượng của hạt được đo; ω là vận tốc góc; V là vận tốc hướng tâm trong hệ thống quay hoặc dao động.
Đồng hồ đo lưu lượng Coriolis dạng ống chữ U, đo độ rung và mô-men xoắn
Lực Fc là lực Coriolis, vuông góc với mặt phẳng được xác định bởi ω và v. Lấy lưu lượng kế khối lượng dạng ống chữ U thông thường làm ví dụ, ống chữ U rung đều ở tần số 80Hz dưới tác động của bộ điều khiển điện tử. Do sự hiện diện của lực Coriolis, chất lỏng chảy theo hướng ngược nhau ở cả hai bên ống chữ U và lực Coriolis kết quả tác dụng theo hướng ngược nhau lên thành ống, như thể hiện trong Hình 1. Do hướng ngược nhau của lực tác dụng lên các ống song song ở cả hai bên, ống hình chữ U chịu mômen xoắn M. Đồng thời khi ống hình chữ U rung lên và xuống, nó dường như bị xoắn xen kẽ từ phía bên, như thể hiện trong Hình 2.
Phương pháp tính toán góc xoắn và chênh lệch thời gian của lưu lượng kế Coriolis
Mô-men xoắn M tỷ lệ thuận với FC, và FC tỷ lệ thuận với mv. Do đó, chỉ cần đo góc xoắn θ của ống chữ U và tính toán mô-men xoắn M, có thể thu được giá trị lưu lượng khối lượng m. Do khó khăn trong việc đo chính xác góc xoắn θ, mối quan hệ giữa góc θ và chênh lệch thời gian Δt giữa hai ống thẳng song song đi qua điểm cân bằng tâm ở hai đầu ống chữ U có thể được sử dụng để đo góc θ, từ đó thực hiện phép đo lưu lượng khối lượng.
Thị trường lưu lượng kế Coriolis toàn cầu
Lưu lượng kế Micromotion Coriolis từ Rosemount
Các nhà sản xuất lưu lượng kế Koch nước ngoài tiêu biểu là Rosemount và E+H, với thị phần lần lượt là 65% và 25%. Mặc dù lưu lượng kế Coriolis chỉ mới xuất hiện trên thị trường vào đầu những năm 1980, nhưng chúng đã dần trở thành sản phẩm chủ đạo của lưu lượng kế, với các chỉ số hiệu suất kỹ thuật và mức độ thông minh không ngừng được cải thiện. Các chuyên gia uy tín đã nhận định rằng lưu lượng kế Coriolis sẽ thay thế các loại lưu lượng kế khối lượng khác và một số lưu lượng kế thể tích, trở thành công nghệ chủ đạo để đo lưu lượng.
Tốc độ tăng trưởng thị trường đồng hồ đo lưu lượng Coriolis và thống kê doanh số 1991-2004
Thực tế doanh số bán hàng trên thị trường cũng chứng minh cho điểm này: nhiều lưu lượng kế truyền thống đang trải qua sự suy giảm đáng kể về thị phần, trong khi chỉ có lưu lượng kế Koch đang tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm là 16%. Theo thống kê, công suất lắp đặt ước tính trên toàn thế giới là từ 110.000 đến 130.000 đơn vị vào năm 1991. Năm 1995, doanh số bán lưu lượng kế toàn cầu lên tới 3 tỷ đô la Mỹ, trong đó lưu lượng kế Coriolis chiếm 235 triệu đô la Mỹ, khoảng 8%. Trong năm năm qua, doanh thu bán hàng trung bình hàng năm của các loại lưu lượng kế khác nhau trên toàn thế giới là 2,2 tỷ đô la Mỹ, trong đó lưu lượng kế Coriolis chiếm 420 triệu đô la Mỹ, chiếm 19%, trong khi các loại lưu lượng kế khác chiếm chưa đến 8%.
Xu hướng nghiên cứu công nghệ tự động hóa công nghiệp và lưu lượng kế Coriolis
Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng tăng về công nghệ phát hiện và xử lý thông tin tự động trong sản xuất công nghiệp, các thông số và tình huống công nghiệp vốn không thể đo lường được do tính phức tạp và khó khăn của chất lỏng giờ đây đã đặt ra các yêu cầu giám sát và đo lường lưu lượng khối. Do đó, các quốc gia như Hoa Kỳ, Đức, Anh và Nhật Bản đang tiến hành nghiên cứu công nghệ về lưu lượng kế Coriolis mới. Nhờ triển vọng thị trường rộng lớn và lợi nhuận cao của các thiết bị mới này, các quốc gia đã đầu tư mạnh mẽ và mong muốn nắm bắt đỉnh cao của công nghệ này.
Tình hình phát triển của đồng hồ đo lưu lượng Coriolis Trung Quốc
Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng lưu lượng kế Coriolis khá muộn. Từ giữa những năm 1980, lưu lượng kế Coriolis đã được ứng dụng trong một số bộ thiết bị nhập khẩu hoàn chỉnh. Đến năm 1992, khoảng 2000 thiết bị đã được đưa vào sử dụng, chủ yếu trong ngành dầu khí và hóa chất. Trong những năm gần đây, với sự hiểu biết ngày càng tăng về lưu lượng kế Coriolis, số lượng lưu lượng kế Coriolis được lắp đặt tại Trung Quốc tiếp tục tăng và phạm vi ứng dụng của chúng cũng ngày càng mở rộng. Tuy nhiên, phần lớn trong số chúng vẫn được nhập khẩu từ nước ngoài.
Lưu lượng kế Coriolis dòng SH-CMF và SH-CMD của silverinstruments.com có gần 40 năm kinh nghiệm sản xuất. Chúng tôi luôn nỗ lực hướng đến sự hoàn hảo trong quy trình sản xuất và 40 năm kinh nghiệm ứng dụng đã giúp các lưu lượng kế chất lượng của chúng tôi có những ứng dụng ổn định và xuất sắc trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Đối với một số ứng dụng công nghiệp đặc biệt, chúng tôi đã đạt được những đột phá, chẳng hạn như lưu lượng kế Coriolis áp suất cao 1000 bar, nhiệt độ cực thấp -260 độ C, lưu lượng kế Coriolis nhiệt độ cực cao 400 độ C, và các vật liệu cảm biến lưu lượng khối lượng đặc biệt như tantalum và titan. Monel và các vật liệu khác, chúng tôi đều đã đạt được những đột phá về công nghệ.
Lưu lượng kế siêu lạnh để đo LNG từ silverinstruments.com
Đồng hồ đo lưu lượng khí khối lượng cỡ nhỏ được lắp đặt rộng rãi tại Trung Quốc, chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị thí nghiệm cỡ nhỏ và vừa, thiết bị phân tích và phát hiện trực tuyến, và sản xuất trong ngành công nghiệp bán dẫn trong các ngành công nghiệp hóa chất và hóa dầu. Đồng hồ đo lưu lượng khí khối lượng cỡ lớn chủ yếu được sử dụng để đo khí thiên nhiên và khí than. Mặc dù số lượng không lớn, nhưng triển vọng rất hứa hẹn. Trong những năm gần đây, sự phát triển của đồng hồ đo lưu lượng khí khối lượng cỡ nhỏ và vừa tại Trung Quốc đã diễn ra nhanh chóng. Lấy năm 1999 làm ví dụ, tổng cộng 2785 đơn vị đã được lắp đặt tại Trung Quốc, bao gồm 2150 đơn vị sản xuất trong nước (chủ yếu từ các nhà sản xuất như Viện Nghiên cứu Hóa học Bắc Kinh thuộc Bộ Công nghiệp Hóa chất, Nhà máy Thiết bị Jianzhong và Công ty Shengye) và các thiết bị nhập khẩu chủ yếu từ các công ty như Brooks UN. Do hạn chế của các thiết bị hiệu chuẩn, hiện tại có rất ít nhà sản xuất đồng hồ đo lưu lượng khí khối lượng đường kính lớn tại Trung Quốc, nhưng silverinstruments.com có thể cung cấp đồng hồ đo lưu lượng Coriolis khối lượng tối đa 12” có thể đo lưu lượng khoảng 918 lb/s.
Lưu lượng kế Coriolis 12” từ silverinstruments.com
Thách thức phát triển đồng hồ đo lưu lượng chất lỏng của Trung Quốc và tăng trưởng thị trường
Do độ khó kỹ thuật cao và chu kỳ lợi ích dài, tiến độ phát triển của đồng hồ đo lưu lượng khối chất lỏng tương đối chậm. Mặc dù nhiều viện nghiên cứu và trường đại học đã tiến hành phát triển sản phẩm này, nhưng số lượng nhà sản xuất còn rất hạn chế và sản lượng không lớn (chủ yếu bao gồm Viện Nghiên cứu Hóa học Bắc Kinh thuộc Bộ Công nghiệp Hóa chất, Nhà máy Thiết bị Taihang Sơn Tây, v.v.), chủ yếu dựa vào nhập khẩu, nhưng nhu cầu đang tăng lên hàng năm.
Tăng trưởng doanh số bán đồng hồ đo lưu lượng Coriolis Micro Motion tại Trung Quốc 1992-2004
Theo số liệu từ Công ty Micro Motion (MM) tại Hoa Kỳ, tổng doanh số của công ty tại Trung Quốc là 600 chiếc vào năm 1992, với doanh số bán hàng là 1000 chiếc vào năm 1992. Đến năm 1997, số lượng lưu lượng kế Coriolis được lắp đặt là khoảng 3500-4500 chiếc, và đến năm 2004 đã đạt 7500 chiếc. Các thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong việc đo lường và điều khiển tại các nhà máy hóa dầu, hóa chất, vật liệu xây dựng, thủy tinh và lò nung công nghiệp.
So sánh hiệu suất của lưu lượng kế Coriolis Trung Quốc và quốc tế
Mặc dù việc sản xuất đồng hồ đo lưu lượng khối chất lỏng rất khó khăn, nhưng hiện nay chúng tôi đã đạt được những đột phá nhất định về mặt công nghệ. Theo kết quả so sánh mẫu do Cục Đo lường Quốc gia thực hiện năm 2004 đối với các sản phẩm do Công ty MM, Công ty E+H và Viện Nghiên cứu Hóa học Bắc Kinh thuộc Bộ Công nghiệp Hóa chất sản xuất, kết quả cho thấy các chỉ tiêu kỹ thuật và hiệu suất của ba sản phẩm này về cơ bản là tương đương nhau.
Một số đồng hồ đo lưu lượng Coriolis của Trung Quốc có hiệu suất cao như một thương hiệu quốc tế.
Ứng dụng của đồng hồ đo lưu lượng khối lượng Coriolis trong nhiều ngành công nghiệp
Nhờ độ chính xác cao, khả năng chống mài mòn, phạm vi đo trung bình rộng và khả năng đo đa thông số, lưu lượng kế khối lượng Coriolis đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như dầu mỏ, hóa chất, hàng không vũ trụ, điện lực, sản xuất giấy, thực phẩm và dược phẩm.
Đo bùn TiO2 trong ngành công nghiệp giấy bằng lưu lượng kế Coriolis
Lưu lượng kế Coriolis để đo bùn
TiO2, được sử dụng để điều chỉnh độ mờ đục và độ sáng của giấy cao cấp trong sản xuất giấy, là một vật liệu rất đắt tiền. Nó được thêm vào dưới dạng huyền phù lơ lửng trong nước và thường được đo bằng lưu lượng kế điện từ để đo lưu lượng. Nhiều yếu tố có thể gây ra sự thay đổi hàm lượng bột TiO2 trong đường ống, và người vận hành phải bổ sung TiO2 quá mức để đáp ứng yêu cầu về độ sáng và độ mờ đục tối thiểu của giấy. Việc sử dụng lưu lượng kế Coriolis có thể giải quyết vấn đề kiểm soát hàm lượng TiO2, đảm bảo chất lượng sản phẩm mà không lãng phí vật liệu và cải thiện lợi ích kinh tế.
Hệ thống kiểm soát trộn hóa chất hai thành phần với đồng hồ đo lưu lượng Coriolis kép
Đo lưu lượng nhựa và chất làm cứng
Trong ngành công nghiệp hóa chất, nhiều quy trình đòi hỏi phải kiểm soát liên tục việc trộn hai thành phần theo tỷ lệ cố định, chẳng hạn như trộn nhựa và chất làm cứng. Hệ thống điều khiển sử dụng hai lưu lượng kế Coriolis và hai bộ biến đổi để điều khiển bơm điều chỉnh tốc độ của hai thành phần tương ứng. Các bộ biến đổi này có bộ điều chỉnh PID, và toàn bộ hệ thống thực hiện kiểm soát tỷ lệ của hai thành phần.
Lưu lượng kế Coriolis trong sản xuất Polypropylene với chất xúc tác rắn
Trong quá trình sản xuất polypropylene, lưu lượng kế tuabin hoặc lưu lượng kế thể tích dễ bị hư hỏng do sử dụng chất xúc tác rắn; do bản chất không dẫn điện của dung môi, lưu lượng kế điện từ cũng không phù hợp; phụ gia được đun nóng đến 100-150℃ cũng sẽ tạo thành lớp phủ trên cảm biến chênh lệch áp suất do thay đổi nhiệt độ, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, và lưu lượng phụ gia sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng lưu lượng kế Coriolis không bị giới hạn bởi các yếu tố nêu trên và đạt được độ chính xác đo lường.
Ứng dụng của đồng hồ đo lưu lượng Coriolis trong sản xuất bia và rượu whisky
Lưu lượng kế khối lượng được sử dụng trong ngành công nghiệp rượu
Trong quy trình sản xuất bia, đường và nước cần được trộn đều, và lưu lượng kế Coriolis được sử dụng. Đầu ra tỷ trọng có thể cho người vận hành biết mức độ hòa tan của đường. Khi tỷ trọng đầu ra ổn định, điều này chứng tỏ quá trình hòa tan đồng đều, giúp kiểm soát hiệu quả mẻ và chất lượng. Được sử dụng để kiểm soát tỷ lệ tinh bột trong quy trình sản xuất rượu whisky và các loại đồ uống có cồn khác, giúp tiết kiệm thời gian chưng cất, tăng sản lượng và nâng cao hiệu quả của toàn bộ quy trình sản xuất. Các ứng dụng lưu lượng kế Coriolis liên quan khác
Ưu điểm và hạn chế của lưu lượng kế Coriolis trong ứng dụng công nghiệp
Nguyên lý của lưu lượng kế Coriolis quyết định những ưu điểm vượt trội như độ chính xác cao và phạm vi đo rộng, nhưng cũng có những nhược điểm như tổn thất áp suất lớn, yêu cầu cao về quy trình sản xuất và lắp đặt, và dễ bị ảnh hưởng bởi rung động bên ngoài. Trong thập kỷ qua, trình độ công nghệ của lưu lượng kế Coriolis đã được cải thiện đáng kể, và phạm vi ứng dụng của chúng ngày càng mở rộng. Có thể dự đoán rằng lưu lượng kế Coriolis sẽ còn phát triển nhanh hơn nữa trong tương lai.
Xu hướng phát triển tương lai của công nghệ đo lưu lượng khối lượng Coriolis
Từ tình hình nghiên cứu và ứng dụng hiện nay của lưu lượng kế Coriolis, hướng phát triển chính của nó là:
Phát triển lưu lượng kế Coriolis đường kính lớn cho các ứng dụng công nghiệp
Phát triển dòng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng mới (đường kính lớn). Nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của thiết bị, nhiều công ty đã phát triển các sản phẩm cỡ lớn, thậm chí cỡ cực lớn dựa trên các sản phẩm cỡ vừa và nhỏ ban đầu để đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng khác nhau.
Lưu lượng kế Coriolis đa thông số: Đo lưu lượng khối lượng và mật độ
Phát triển một phương pháp tiếp cận linh hoạt cho một bảng duy nhất. Lưu lượng kế Coriolis chủ yếu được sử dụng để đo lưu lượng khối lượng của chất lỏng, nhưng theo nguyên lý hoạt động, nó cũng có thể đo mật độ của chất lỏng. Đồng hồ đo này cũng có thể được sử dụng để đo lưu lượng khối lượng của khí chảy dưới áp suất cao do mật độ của chúng tăng lên. Lưu lượng kế Coriolis từ silverinstruments.com có thể đo mật độ của chất lỏng.
Phân tích lỗi sản xuất và lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng Coriolis
Phân tích tác động và mối quan hệ số của các lỗi sản xuất và lắp đặt trên lưu lượng kế Coriolis, nhằm nới lỏng các yêu cầu về độ chính xác sản xuất và lắp đặt trong phạm vi sai số đo cho phép và giảm độ khó của quy trình sản xuất và lắp đặt.
Lưu lượng kế Coriolis cho ứng dụng chất lỏng mật độ thấp và hai pha
Mở rộng hơn nữa ứng dụng của lưu lượng kế Coriolis để có thể đo lưu lượng của chất lỏng hai pha khí-lỏng và khí có mật độ thấp.
Thông tin thêm về lưu lượng kế Coriolis từ silverinstruments.com：
