תקציר: מאמר זה סקר בקצרה את תהליך הפיתוח של מד זרימת מסה מסוג קוריוליס, סיכם את מצב הפיתוח והיישום שלו והצביע על מגמות הפיתוח שלו.
מדידת זרימת מסה ישירה לעומת מד זרימה נפחית
מדידת קצב הזרימה, הטמפרטורה והלחץ מהווים יחד את שלושת הפרמטרים העיקריים בתחום המדידה התעשייתית, שביניהן מדידת קצב הזרימה היא המורכבת ביותר ודורשת את הדיוק הגבוה ביותר. מדידה חסכונית, אמינה ובטוחה ממלאת תפקיד חשוב בתהליך הייצור. כיום קיימים סוגים רבים של מכשירים המשמשים למדידת זרימה, כגון מדי זרימה בעלי גלגלי שיניים אובליים, מדי זרימה ללחץ דיפרנציאלי, מדי זרימה אלקטרומגנטיים, מדי זרימה לטורבינה, מדי זרימה אולטרסאונד וכו', כולם שייכים לסוג מדי הזרימה הנפחית .
מדידת זרימה נפחית באמצעות מד זרימה אובלית
מדוע תעשיות זקוקות לפתרונות מדידה ישירים של זרימת מסה
בתחום הייצור התעשייתי, מסיבות כמו איזון חומרים, איזון תרמי, אחסון וחשבונאות כלכלית, אנשים מודאגים יותר ממדידת מסת הנוזל הזורם דרכו. למרות שמד זרימת מסה עקיף יכול להיות מורכב ממד זרימת מסה נפחי ומד צפיפות, המבנה שלו מורכב ומושפע מלחץ וטמפרטורה, וכתוצאה מכך שגיאות מדידה גדולות. לכן, במשך זמן רב, טכנאי מטרולוגיה קיוו לפתח מד זרימת מסה שיכול למדוד ישירות את קצב זרימת המסה של נוזלים בצנרת.
מדידת זרימת מסת קוריוליס אינה מושפעת מטמפרטורה, לחץ, צמיגות
מד זרימה קוריוליס לעומת מדי זרימה אלקטרומגנטיים ומדי טורבינה - דיוק
דיוק מד הזרימה של הטורבינה אינו טוב כמו מד זרימת המסה של קוריוליס
בהשוואה לטכנולוגיות אחרות כגון מדי זרימה אלקטרומגנטיים או מדי טורבינה , מדי זרימה קוריוליס מספקים דיוק גבוה יותר ומדידת זרימת מסה ישירה. מד זרימת מסה קוריוליס (להלן מד זרימה קוריוליס) הוא סוג חדש של מד זרימה מסה שפותח על ידי מיקרו מושן בשנת 1977, המבוסס על עקרון כוח קוריוליס הפרופורציונלי לקצב זרימת המסה שנוצר על ידי נוזל במערכת מסתובבת במהלך תנועה ליניארית. הוא יכול למדוד ישירות ומדויקות את מסת הנוזל ולקבל את ערך צפיפות הנוזל בו זמנית. כיום זהו אחד ממדדי הזרימה המתפתחים ביותר. לאחר שנים של פיתוח, סוג חדש זה של מד זרימה מסה שיפר מאוד את ביצועי המדידה שלו והפך למוביל במדידת זרימה. מאמר קשור: [מד זרימה קוריוליס לעומת מד זרימה מגנטי]
עקרון העבודה והנוסחה של מד זרימת מסת כוח קוריוליס
העיקרון הבסיסי של פעולת מד הזרימה קוריוליס הוא כוח קוריוליס. על דיסקה המסתובבת במהירות זוויתית ω, יש מסה של m. הנקודה נעה במהירות v, ובנקודה זו, החלקיק יחווה כוח אינרציאלי פיקטיבי.
פונקציית Fc, גודלה הוא:
Fc=2mωv
בנוסחה: Fc הוא כוח קוריוליס; M הוא המסה של החלקיק הנמדד; ω היא המהירות הזוויתית; V היא המהירות הרדיאלית במערכת מסתובבת או מתנדנדת.
מדידת רטט ומומנט של מד זרימת קוריוליס בצינור U
כוח Fc הוא כוח קוריוליס, הניצב למישור שנקבע על ידי ω ו-v. אם ניקח לדוגמה מד זרימת מסה בצורת U, צינור ה-U רוטט באופן אחיד בתדר של 80 הרץ תחת פעולת דרייבר אלקטרוני. בשל נוכחות כוח קוריוליס, הנוזל זורם בכיוונים מנוגדים משני צידי צינור ה-U, וכוח קוריוליס שנוצר פועל בכיוונים מנוגדים על דופן הצינור, כפי שמוצג באיור 1. בשל כיוון הכוח ההפוך הפועל על הצינורות המקבילים משני הצדדים, הצינור בצורת U נתון למומנט M. במקביל לכך שהצינור בצורת U רוטט מעלה ומטה, הוא נראה כאילו הוא מעוות לסירוגין מהצד, כפי שמוצג באיור 2.
שיטת חישוב הפרש זווית פיתול וזמן של מד זרימת קוריוליס
מומנט הכוח M פרופורציונלי ל-FC, ו-FC פרופורציונלי ל-mv. לכן, כל עוד זווית הפיתול θ של הצינור בצורת U נמדדת ומחושב המומנט M, ניתן לקבל את ערך קצב זרימת המסה m. עקב הקושי במדידה מדויקת של זווית הפיתול θ, ניתן להשתמש בקשר בין זווית θ לבין הפרש הזמן Δt בין הצינורות הישרים המקבילים העוברים דרך נקודת שיווי המשקל המרכזית בשני קצוות הצינור בצורת U כדי להשיג את מדידת זווית θ, ובכך לממש את מדידת קצב זרימת המסה.
שוק מדי הזרימה הגלובלי של קוריוליס
מד זרימה של Micromotion Coriolis מבית Rosemount
היצרנים המייצגים של מדי זרימה של קוך מחו"ל הם Rosemount ו-E+H, עם נתח שוק של 65% ו-25% בהתאמה. למרות שמדי הזרימה של קוריוליס נכנסו לשוק רק בתחילת שנות ה-80, הם הפכו בהדרגה למוצר הדומיננטי של מדי הזרימה, עם שיפור מתמיד במדדי הביצועים הטכניים וברמות האינטליגנציה. מומחים מוסמכים ציינו כי מד הזרימה של קוריוליס יחליף סוגים אחרים של מדי זרימה מסה ומדי זרימה נפחיים מסוימים כטכנולוגיה המרכזית למדידת זרימה.
קצב הצמיחה של שוק מד הזרימה של קוריוליס וסטטיסטיקות מכירות 1991-2004
עובדת המכירות בשוק מוכיחה גם היא נקודה זו: מדי זרימה מסורתיים רבים חווים ירידה משמעותית בנתח השוק, בעוד שרק מדי זרימה של קוך צומחים בקצב צמיחה שנתי ממוצע של 16%. על פי נתונים סטטיסטיים, הקיבולת המותקנת המשוערת ברחבי העולם הייתה 110,000 עד 130,000 יחידות בשנת 1991. בשנת 1995, המכירות העולמיות של מדי זרימה הסתכמו ב-3 מיליארד דולר אמריקאי, מתוכם מדי זרימה של קוריוליס היוו 235 מיליון דולר אמריקאי, כ-8%. בחמש השנים האחרונות, ההכנסה השנתית הממוצעת ממכירות של מדי זרימה שונים ברחבי העולם הייתה 2.2 מיליארד דולר אמריקאי, מתוכם נתח מדי הזרימה של קוריוליס הוא 420 מיליון דולר אמריקאי, המהווים 19%, בעוד שסוגים אחרים של מדי זרימה מהווים פחות מ-8%.
מגמות מחקר בטכנולוגיית אוטומציה תעשייתית ומד זרימת קוריוליס
אך עם הביקוש הגובר לטכנולוגיית זיהוי ועיבוד מידע אוטומטית בייצור תעשייתי, פרמטרים ומצבים תעשייתיים שלא ניתן למדוד עקב מורכבותם וקושים של נוזלים העלו כעת דרישות ניטור ומדידה של קצב זרימת מסה. לכן, מדינות כמו ארצות הברית, גרמניה, בריטניה ויפן עורכות מחקר טכנולוגי על מדי זרימה חדשים מסוג קוריוליס. בשל סיכויי השוק העצומים והרווחים הגבוהים של מכשירים חדשים אלה, מדינות השקיעו רבות והן להוטות לתפוס את פסגת הטכנולוגיה הזו.
סטטוס פיתוח מד זרימה קוריוליס בסין
סין החלה את המחקר והיישום של מדי זרימה מסוג קוריוליס באיחור יחסית. מאז אמצע שנות ה-80, מדי זרימה מסוג קוריוליס יושמו בכמה ערכות ציוד מיובאות שלמות. עד 1992, כ-2000 יחידות הוכנסו לשימוש, בעיקר בתעשיות הנפט והכימיה. בשנים האחרונות, עם ההבנה הגוברת של מדי זרימה מסוג קוריוליס, מספר מדי הזרימה המותקנים בסין המשיך לגדול, והיקף היישום שלהם הפך נרחב יותר. עם זאת, רובם המכריע מיובא מחו"ל.
למדי הזרימה קוריוליס מסדרות SH-CMF ו-SH-CMD מבית silverinstruments.com ניסיון ייצור של כמעט 40 שנה. אנו שואפים למצוינות בתהליכי ייצור ו-40 שנות ניסיון ביישומים אפשרו למדי הזרימה האיכותיים שלנו יישומים יציבים ומצוינים בתעשיות שונות. עבור יישומים מיוחדים בתעשייה, עשינו פריצות דרך, כגון מד זרימה קוריוליס בלחץ גבוה של 1000 בר, טמפרטורה נמוכה במיוחד של -260 מעלות צלזיוס, מד זרימה קוריוליס בטמפרטורה גבוהה במיוחד של 400 מעלות צלזיוס, וחומרים מיוחדים לחיישני זרימת מסה כגון טנטלום וטיטניום. כולנו השגנו פריצות דרך טכנולוגיות, כמו גם במונאל ואחרים.
מד זרימה קריוגני למדידת LNG מבית silverinstruments.com
מדי זרימת מסת גז קטנים מותקנים באופן נרחב בסין, בעיקר בשימוש בציוד ניסיוני קטן ובינוני, התקני ניתוח וגילוי מקוונים, וייצור בתעשיית המוליכים למחצה בתעשיות הכימיות והפטרוכימיות. מדי זרימת מסת גז גדולים משמשים בעיקר למדידת גז טבעי וגז פחם. למרות שהכמות אינה גדולה, הסיכויים מבטיחים. בשנים האחרונות, פיתוחם של מדי זרימת מסת גז קטנים ובינוניים בסין היה מהיר. אם ניקח לדוגמה את שנת 1999, הותקנו בסין 2785 יחידות בסך הכל, כולל 2150 יחידות מתוצרת מקומית (בעיקר מיצרנים כמו מכון המחקר הכימי של בייג'ינג של משרד התעשייה הכימית, מפעל כלי ג'יאנזהונג וחברת שנגייה), ומכשירים מיובאים בעיקר מחברות כמו ברוקס UN. בשל המגבלות של התקני כיול, ישנם כיום מעט מאוד יצרנים של מדי זרימת מסת גז בקוטר גדול בסין, אך silverinstruments.com יכול להציע מד זרימת מסת קוריוליס בגודל 12 אינץ' לכל היותר שיכול למדוד זרימה של כ-918 ליברות לשנייה.
אתגרי פיתוח וצמיחת שוק של מדי זרימת מסת נוזלים סיניים
בשל הקושי הטכני הגבוה ומחזור התועלת הארוך, התקדמות מדי זרימת מסת נוזלים איטית יחסית. למרות שמוסדות מחקר ואוניברסיטאות רבים ביצעו את פיתוח מוצר זה, מספר היצרנים מוגבל ביותר והתפוקה אינה גדולה (בעיקר כולל מכון המחקר הכימי של בייג'ינג של משרד התעשייה הכימית, מפעל כלי הרכב שאנשי טאיהאנג וכו'), והם מסתמכים בעיקר על יבוא, אך הביקוש עולה משנה לשנה.
צמיחת מכירות של מד זרימת Micro Motion Coriolis בסין 1992-2004
על פי נתונים של חברת Micro Motion (MM) בארצות הברית, סך המכירות של החברה בסין היה 600 יחידות עד שנת 1992, עם נפח מכירות של 1000 יחידות בשנת 1992. עד שנת 1997, כמות מדי הזרימה המותקנת של Coriolis הייתה כ-3500-4500 יחידות, ובשנת 2004 היא הגיעה ל-7500 יחידות. מכשירים אלה נמצאים בשימוש נרחב במדידה ובקרה של מפעלי פטרוכימיה, כימיה, חומרי בניין וזכוכית ותנורים תעשייתיים.
השוואת ביצועי מד זרימה קוריוליס סיני לעומת בינלאומי
למרות שייצור מדי זרימת מסת נוזלים הוא קשה מאוד, כעת עשינו פריצות דרך טכנולוגיות מסוימות. על פי השוואת דגימה שערכה המחלקה הלאומית למטרולוגיה בשנת 2004 על מוצרים שיוצרו על ידי חברת MM, חברת E+H ומכון המחקר הכימי של בייג'ינג של משרד התעשייה הכימית, התוצאות הראו שהאינדיקטורים הטכניים והביצועים של שלושת המוצרים היו שווים במהותם.
מד זרימת קוריוליס של חלק מיצרנים סיניים הוא בעל ביצועים גבוהים כמותג בינלאומי.
יישומי מד זרימת מסה של קוריוליס במגוון תעשיות
בשל דיוקם הגבוה, עמידותם בפני שחיקה, טווח מדידה רחב ומדידה מרובת פרמטרים, מדי זרימת מסה מדגם Coriolis נמצאים בשימוש נרחב בתעשיות כגון נפט, כימיה, תעופה וחלל, חשמל, ייצור נייר, מזון ותרופות.
מדידת תרחיף TiO2 בתעשיית הנייר באמצעות מדי זרימה קוריוליס
מד זרימה קוריוליס למדידת תרחיף
TiO2, המשמש להתאמת האטימות והבהירות של נייר מתקדם בייצור נייר, הוא חומר יקר מאוד. הוא נוסף כתרחיף במים ונמדד בדרך כלל על ידי מד זרימה אלקטרומגנטי למדידת קצב הזרימה. גורמים רבים יכולים לגרום לשינויים בתכולת אבקת TiO2 בצנרת, ועל המפעילים להוסיף כמות מוגזמת של TiO2 כדי לעמוד בדרישות הבהירות והאטימות המינימליות של הנייר. השימוש במד זרימה קוריוליס יכול לפתור את בעיית בקרת תכולת TiO2, להבטיח את איכות המוצר ללא בזבוז חומרים ולשפר את היתרונות הכלכליים.
מערכות בקרת ערבוב כימי דו-רכיביות עם מדי זרימה כפולים של קוריוליס
מדידת זרימת שרף ומקשה
בתעשייה הכימית, תהליכים רבים דורשים בקרה רציפה של שני רכיבים המעורבבים ביחס קבוע, כגון ערבוב של שרף ומקשה. שני מדי זרימה מסוג קוריוליס נבחרים במערכת הבקרה, ושני ממירים משמשים לשליטה על משאבות ויסות המהירות של שני הרכיבים בהתאמה. לממירים יש ווסת PID, והמערכת כולה מיישמת בקרת יחס של שני הרכיבים.
מדי זרימה קוריוליס בייצור פוליפרופילן עם זרזים מוצקים
במהלך תהליך הייצור של פוליפרופילן, מדי טורבינה או מדי זרימה נפחית רגישים לנזק עקב שימוש בזרזים מוצקים; בשל אופיים הלא מוליך של ממסים, מדי זרימה אלקטרומגנטיים גם אינם מתאימים; תוספים המחוממים ל-100-150 מעלות צלזיוס ייצרו גם הם ציפויים על חיישני לחץ דיפרנציאלי עקב שינויי טמפרטורה, מה שישפיע על דיוק המדידה, וקצב הזרימה של התוספים ישפיע ישירות על איכות המוצר. השימוש במד זרימה קוריוליס אינו מוגבל על ידי הגורמים השונים שהוזכרו לעיל, ומשיג מדידה מדויקת.
יישומי מד זרימת קוריוליס בייצור בירה וויסקי
מד זרימת מסה המשמש בתעשיית המשקאות
בתהליך ייצור הבירה, יש לערבב סוכר ומים, ומשתמשים במד זרימה קוריוליס. פלט הצפיפות יכול לומר למפעיל את מידת המסת הסוכר. ברגע שתפוקת הצפיפות יציבה, הדבר מוכיח שההמסה אחידה, וניתן לשלוט ביעילות על האצווה והאיכות. משמש לשליטה באחוז העמילן בתהליך הייצור של ויסקי ומשקאות אלכוהוליים אחרים כדי לחסוך בזמן זיקוק, להגדיל את הייצור ולשפר את יעילות תהליך הייצור כולו. יישומים נוספים הקשורים למדידת זרימה של קוריוליס
יתרונות ומגבלות של מד זרימה קוריוליס ביישומים תעשייתיים
עקרון מדידת הזרימה קוריוליס קובע את יתרונותיו הבולטים כגון דיוק גבוה וטווח מדידה גדול, אך יש לו גם חסרונות כגון אובדן לחץ גבוה, דרישות גבוהות לתהליכי ייצור והתקנה ורגישות לרעידות חיצוניות. בעשור האחרון, הרמה הטכנולוגית של מדי הזרימה קוריוליס השתפרה מאוד, והיקף היישום שלהם הפך נפוץ יותר ויותר. ניתן לצפות כי מד הזרימה קוריוליס יתפתח מהר עוד יותר בעתיד.
מגמות פיתוח עתידיות של טכנולוגיית מד זרימת מסה קוריוליס
ממצב המחקר והיישום הנוכחי של מד זרימה קוריוליס, כיוון הפיתוח העיקרי שלו הוא:
פיתוח מד זרימה קוריוליס בקוטר גדול עבור יישומים תעשייתיים
פיתוח סדרה חדשה של מדי זרימת מסה (בקוטר גדול). על מנת להרחיב את תחום היישומים של המכשירים, חברות שונות פיתחו מוצרים בקליבר גדול, ואף בקליבר אולטרה גדול, המבוססים על המוצרים המקוריים בגודל קטן ובינוני, כדי לענות על צרכי משתמשים שונים.
מדי זרימה קוריוליס רב-פרמטריים: מדידת זרימה מסה וצפיפות
פיתוח גישה רב-תכליתית לטבלה אחת. מד הזרימה קוריוליס משמש בעיקר למדידת קצב הזרימה המסה של נוזלים, אך על פי העיקרון שלו, הוא יכול גם למדוד את צפיפות הנוזלים. מד זה יכול לשמש גם למדידת קצב הזרימה המסה של גזים הזורמים תחת לחץ גבוה עקב צפיפותם המוגברת. מד הזרימה קוריוליס מבית silverinstruments.com יכול למדוד צפיפות של נוזל.
ניתוח שגיאות ייצור והתקנה של מד זרימה קוריוליס
ניתוח ההשפעה והקשר המספרי של שגיאות ייצור והתקנה על מדי זרימה מסוג קוריוליס, על מנת להקל על הדרישות לדיוק ייצור והתקנה בטווח המותר של שגיאות מדידה ולהפחתת קושי התהליך של ייצור והתקנה.
מדי זרימה קוריוליס ליישומי נוזלים בצפיפות נמוכה ובדו-פאזית
להרחיב עוד יותר את יישום מד הזרימה של קוריוליס כדי לאפשר מדידת זרימה של גז בצפיפות נמוכה ונוזלים דו-פאזיים מסוג גז-נוזל.
מידע נוסף על מד זרימה קוריוליס מאתר silverinstruments.com:
