Fiskale oljemålinger (6:7)

Coriolis, en kraft å regne med

Coriolis-målere kan i likhet med flerstråleultralyd være et godt alternativ til mekaniske målere for nøyaktige mengdemålinger.

Shell kjører Coriolis på eksport av olje fra Nyhamna, altså Ormen Lange.
Shell kjører Coriolis på eksport av olje fra Nyhamna, altså Ormen Lange. (Bilde: Shell)

Coriolis-målere kan i likhet med flerstråleultralyd være et godt alternativ til mekaniske målere for nøyaktige mengdemålinger.

Slik er Coriolis-kraften

Coriolis-effekten er en fiktiv kraft som ble beskrevet av den franske ingeniøren og matematikeren Gustave-Gaspard Coriolis, i 1835. Dette er et naturfenomen som vanligvis assosieres med jordens rotasjon, og betegnes som Coriolis-kraft.

Virkningen av Coriolis-effekten er en tydelig avbøyning av retningen til et objekt som flytter seg innenfor et roterende koordinatsystem, for eksempel jordkloden, som er inndelt i lengde- og breddegrader. Coriolis-effekten fører til at alle objekter, for eksempel vindene på jorda, avbøyes. På den nordlige halvkule avbøyes de til høyre, mens de avbøyes til venstre på den sørlige halvkule.

Coriolis-kraft er resultatet av akselerasjonen som virker på en masse, og er følt på kroppen av alle de som en eller annen gang har turt å bevege seg på en roterende "tallerken" som vi eksempelvis finner i fornøyelsesparker. En person som vandrer fra sentrum og utover på en roterende "tallerken" vil måtte legge seg over til siden for å motstå denne Coriolis-kraften. Kraften virker vinkelrett på personens radiale bevegelse, og kraftens størrelse er proporsjonal med massen til objektet som beveger seg i det roterende eller oscillerende system.

Kort sagt kan vi beregne personens masse etter følgende formel:

  • M = F/2ωV

hvor

  • 2ωV er et vektorprodukt
  • M = Objektets masse
  • V = Objektets hastighet
  • F = Coriolis-kraft
  • ω = Vinkelhastigheten til den roterende "tallerkenen"

Ut fra dette skjønner vi at et barn (liten masse) har lettere for å bevege seg i et bevegelig system enn en voksen.

Om artikkelserien

Artikkelforfatter Rolf Skatvedt er en av landets autoriteter på fiskale målinger. Serien dekker følgende temaer:

  1. Hva, hvorfor og hvordan gjøres fiskale mengdemålinger av olje?
  2. Fiskal oljemåling basert på turbinmeter
  3. Fiskale tall med hensyn til olje
  4. Kalibrering av turbinmeter benyttet i fiskale oljemålinger
  5. Fiskale oljemålinger basert på ultralyd (forrige utgave)
  6. Fiskale oljemålinger basert på Coriolis-kraft (denne utgaven)
  7. Fiskale oljemålinger oppsummert fra PUD til daglig drift (neste utgave)

Tekst: Rolf Skatvedt, Trainor Automation AS

 

I forrige artikkel satte vi fiskale oljemålinger med ultralyd under lupen. Nå har stafettpinnen kommet til Coriolis. I likhet med andre måleprinsipper er omfattende prosesskunnskap, kombinert med teknologiforståelse, en forutsetning for valg av riktig måler til et gitt bruksområde.

 

Startet med ettrørsmåler

 

Et fluid som beveger seg i et kontrollert, oscillerende system vil utsettes for Coriolis-kraften (se egen sak), og følgelig vil man kunne måle massestrømningsraten (kg/s) til det strømmende mediumet dersom Coriolis-kraften kan bestemmes.

 

Praktisk anvendbare mengdemålere, basert på Coriolis-kraft, ble første gang kommersielt tilbudt for salg i 1978, av produsenten Micro Motion. Senere har flere andre leverandører kommet til. Den første Coriolis-måleren fra Micro Motion var basert på et U-rør, satt i egenresonans ved hjelp av elektronikk, drivspoler og målesensorer.

 

Differansemåling er en nødvendighet

Coriolis blir brukt i redernes egne bunkermålinger for å sikre at de mottar riktig mengde og kvalitet.
Coriolis blir brukt i redernes egne bunkermålinger for å sikre at de mottar riktig mengde og kvalitet. Emerson
 

Måleren fungerte bra i kontrollerte omgivelser, men ikke i industrielle omgivelser slik vi eksempelvis finner på Norske offshore-installasjoner. Dette på grunn av lav støyimmunitet knyttet til vibrasjonsoverføringer fra rør og struktur. Måleren ble videreutviklet slik at det ble en differensiert (et krav i forbindelse med nøyaktige målinger) måling i form av to oscillerende U-rør med 180 grader faseforskyving. Den differensielle måleløsningen gjør at støy kanselleres ut ved at summen av like store pluss- og minusverdier blir null.

 

Virkemåten er ellers den samme som for en ettrørsmåler. Fluidet har en lineær hastighet når det passerer gjennom målerøret. Vibreringen av målerøret, i dets naturlige svingefrekvens, rundt en akse O-O, genererer også en vinkelhastighet. Disse vibrasjonene som røret settes i ved hjelp av elektromagneter, og som er vinkelrette på fluidets strømningsretning, gjør at fluidet akselererer på innløpssiden, og retarderer på utløpssiden. Fluidet vil selv generere en kraft som er motsatt rettet de kreftene som settes i stand av vibrasjonene, noe som fører til at røret får en vridning.

 

Gir masse og densitet

Eksempel på rettrørs-Coriolis-måler.
Eksempel på rettrørs-Coriolis-måler. Krohne Instrumentation
 

Kontrollenheten (datamaskinen) for massestrømningsmåleren detekterer de små vridningene røret utsettes for. Målesignalene kommer fra to induktive følere, plassert på hver side av røret. Kontrollenheten vil på grunnlag av disse signalene regne ut tidsdifferansen mellom hver gang en av rørets legger er i midtposisjon, det være seg i bevegelse den ene eller andre veien. Disse fluid-kreftene er proporsjonale med massestrømningsraten (kg/s), mens egen resonansfrekvens er et mål for fluidets densitet.

 

Et godt utgangspunkt for forståelse av denne teknologien er presentasjoner som ligger tilgjenglig på hjemmesiden til mange leverandører av denne type teknologi. Her er et par eksempler:

 

http://www3.emersonprocess.com/micromotion/tutor/index.html

http://www.endress.com/eh/productDBs/homeDBs/en/home.nsf/contentview/35EA0F786933E3AFC12572CF00493999?Open&popup

https://academy-online.krohne.com/

 

Store målervariasjoner

Eksempel på firerørs-Coriolis-måler som kan håndtere over 4000 tonn i timen.
Eksempel på firerørs-Coriolis-måler som kan håndtere over 4000 tonn i timen. Endress+Hauser
 

En Coriolis-måler som skal gi gode måleresultater er avhengig av godt mekanisk design, instrumentering og ikke minst avansert digital signalprosessering. Det er som nevnt flere leverandører på markedet, men det er verdt å merke seg at selv om basisteknologien er den samme, er det store variasjoner i ytelse fra den ene leverandøren til den andre, og også mellom de forskjellige dimensjoner som en leverandør kan tilby.

 

En god mekanisk designet Coriolis-måler skal i prinsippet måle strømningen like nøyaktig uavhengig hvilken vei strømningen går gjennom måleren.

 

Coriolis-meterspesifikasjonene oppgir normalt nøyaktigheten i prosent av strømningsraten pluss nullstabilitetsverdien. Coriolis-målere installeres og nullstilles ved operasjonsbetingelser. Forandringer i prosessparametere som temperatur, trykk eller omgivelser, vil påvirke målerens nullstabilitet

 

Ikke perfekt i praksis…

Eksempel på U-formet Coriolis-måler.
Eksempel på U-formet Coriolis-måler. Emerson
 

En Coriolis-basert mengdemåler er i teorien den ideelle måler fordi den måler massestrømningsrate, det vil si en størrelse som er upåvirkelig av forandringer i prosesstemperatur, prosesstrykk, osv. I praksis, spesielt for store målere (større enn fire tommer) ser vi at det må gjøres korreksjoner både for temperatur og trykk som følge av at rørstivheten forandrer seg med disse størrelsene. Når måleren da i tillegg gir opphav til trykkfall og derav mulig "flashing" (gass som fordamper ut), i tillegg til tofase-strømning, vil målenøyaktigheten kunne bli så som så.

 

Coriolis-målere som skal håndtere store strømningsrater, blir store i byggemål og gir lav egenresonansfrekvens som igjen gir lav måledynamikk (kan til en viss grad forbedres gjennom avansert digital signalprosessering). Målerne, spesielt de store, er også påvirkelig når det kommer til strømningsprofilforandringer og viskositet, hvilket også betyr at de må "våt-kalibreres” under tilnærmet samme betingelser som normale driftsbetingelser, for å oppnå best mulig nøyaktighet.

 

Til slutt er det verdt å merke seg at innkjøpskostnaden for et stort Coriolis-meter kan bli betydelig dersom det må velges eksklusive materialkvaliteter.

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå