Kalibratie van Coriolis massaflowmeters

Kalibratie van Coriolis massaflowmeters

Kalibratie en proving

Debietmeters voor directe massameting zijn al enige jaren in gebruik voor ijkwaardige metingen en hebben op veel plaatsen de volumetrische meting verdrongen. En niet zonder reden, want afrekening over volume is temperatuur- en dichtheidafhankelijk en deze invloeden wil je liever voorkomen.

Directe massaflowmeting levert een eenduidig gegeven over de hoeveelheid afgeleverd product. Hiervoor zijn diverse technologieën ontwikkeld die goede resultaten bieden bij metingen voor handelsdoeleinden. Het Coriolis-principe biedt directe massameting en is al jaren succesvol op de markt. Omdat men bij ijkwaardige metingen kritisch kijkt naar nauwkeurigheid en kwaliteit dien je sceptisch te zijn ten aanzien van de kalibratie. Op welke manier dient gekalibreerd te worden? Wat is de betrouwbaarheid van de meter en hoe stabiel is de meter?

Coriolis

Aangezien het Coriolis-principe recentelijk aan bod is gekomen, wil ik me hierbij beperken tot de belangrijkste eigenschappen. Coriolis is een meetprincipe waarbij gebruik wordt gemaakt van de gyroscopische krachten en de wet van Newton om de hoeveelheid verplaatste massa te meten. Dit -effect werd beschreven door de Franse natuurkundige Gustave--Gaspard Coriolis, en kreeg daarmee zijn naam. De te meten massa bevindt zich in een meetbuis en wordt door een externe bron in zijwaartse beweging (trilling) gehouden. De meter is zodanig ontworpen dat zodra deze massa in voorwaartse richting - de stromingsrichting - wordt verplaatst, ze in zijwaartse richting een versnelling ondervindt.

Met deze techniek heeft men drie verschillende en onafhankelijke variabelen van het proces: massadebiet, dichtheid en temperatuur. Uiteraard dient het instrument gekalibreerd te worden om de juiste waarde aan te geven.

Omdat met deze methode rechtstreeks het massadebiet wordt gemeten is de hoeveelheidmeting onafhankelijk van druk, temperatuur, dichtheid en viscositeit. Zelfs eventueel aanwezige gasdeeltjes of deeltjes vaste stof hebben geen invloed op de meting en worden meegenomen in de massa.

Kalibratie en proving

Kalibratie is het proces om de relatie vast te stellen tussen een referentiestandaard en de uitgang van het meetinstrument. Door middel van deze methode bepaalt men een kalibratiefactor. Deze factor wordt ingevoerd in het elektronische correctiecircuit om een nauwkeurige uitgang van de meter te verkrijgen. Dit proces wordt meestal uitgevoerd door de fabrikant van het instrument.

Proving is het proces van het vergelijken van de aangegeven hoeveelheid die door een meter stroomt in bedrijfsomstandigheden, met de werkelijke of referentiehoeveelheid. Hiermee wordt de meterfactor vastgesteld die deze twee aan elkaar gelijk maakt. Dit proces wordt doorgaans in het veld uitgevoerd.


Wat is de betrouwbaarheid van de meter

en hoe stabiel is hij?’


Er is dus een verschil tussen kalibratie en proving. Kalibratie wordt uitgevoerd in een laboratorium bij verschillende stroomsnelheden, dichtheden en temperaturen. Hieruit volgt een complete karakteristiek van de sensor waarmee de juiste kalibratiefactor te bepalen valt. Tevens kun je hieruit vaststellen hoe de meter zich gedraagt bij verschillende bedrijfscondities. Hieruit blijkt dan of men voor bepaalde condities extra moet corrigeren of anders bepaalde restricties voor ijkwaardig gebruik zal moeten opleggen.

Proving wordt dus in het veld onder bedrijfsomstandigheden uitgevoerd. Bij een meterproving wordt de metercorrectiefactor vastgesteld. Deze correctiefactor wordt met de uitgang van de meter vermenigvuldigd om de juiste waarde te verkrijgen. Proving wordt meestal verricht onder een omgevingsconditie die het meest representatief is voor het normale gebruik. Wanneer deze condities sterk wisselen, is het aan te raden het provingproces uit te voeren bij de verschillende condities om vervolgens te bepalen of er verschillende meterfactoren toegepast moeten worden.

De meest gebruikte gereedschappen voor proving zijn gebaseerd op volume en wanneer een Coriolismeter gebruikt wordt voor volumetrische metingen dan voldoet dat prima. Wanneer de Coriolismeter wordt gebruikt voor het ijkwaardig meten van massa zal met behulp van de dichtheid van het medium de volumetrische referentie omgerekend moeten worden naar massa.

Kalibratie-van-Coriolis-massaflowmeters-2-300x300

Waarom proving

Er zijn doorgaans drie redenen waarom proving wordt uitgevoerd. Ten eerste is er de ijkwaardigheid, dus bij hoeveelheidmetingen voor het handelsverkeer, in het Engels “custody transfer” genoemd. Ten tweede kan proving gebruikt worden voor het controleren van productkwaliteit en ten derde kan men het gebruiken bij milieu-inspecties.

De ijkwaardigheid valt weer uiteen in die voor de legale overdracht en die voor de contractuele overdracht. Bij beide liggen uiteraard de eisen voor nauwkeurigheid hoog. Er is namelijk een directe koppeling tussen de meetwaarde en de afrekening. Het is daarom zeer belangrijk dat het gereedschap dat voor de proving gebruikt wordt, de hoogste nauwkeurigheid heeft en dat proving gedaan kan worden bij een ingebouwde meter onder bedrijfsomstandigheden.

Het is gebruikelijk om, bijvoorbeeld volgens ISO 9001, regelmatig een kwaliteitscontrole uit te voeren. En dus ook op de meters die worden gebruikt bij het doseren van vloeistoffen tijdens het productieproces. Men wil zekerstellen dat de meter een juiste herhaalbaarheid heeft zodat de productkwaliteit gelijk blijft. Daartoe kun je dus een regelmatige proving uitvoeren op deze meters. Het resultaat kan in het regelsysteem geprogrammeerd worden om de juiste resultaten te behouden. Milieu-inspecties zijn met name kritisch op de materiaalbalans tijdens productie en transport van stoffen. Hieruit is direct te concluderen of ergens tijdens deze processen stoffen zijn weggelekt. De aandacht hiervoor groeit nog steeds en dus groeit de vraag naar het aantal meetpunten, en tevens de vraag naar de controle van de nauwkeurigheid en de betrouwbaarheid van de metingen. Proving is een van die mogelijkheden.

Het is niet noodzakelijk om voor kwaliteit en milieu-inspecties een regelmatige proving in het veld uit te voeren. Men kan ook besluiten om de meters met enige regelmaat uit te bouwen en te laten kalibreren in de eigen werkplaats of bij de leverancier.

Kalibratie-van-Coriolis-massaflowmeters-1024x512 Een volumetrische prover in compacte samenbouw. Bron Emerson

Kalibratie van Coriolis-meters

Zoals beschreven wordt kalibratie dus uitgevoerd in een laboratorium bij verschillende condities, -zodat een complete karakteristiek van het instrument opgenomen kan worden. Uiteraard moet een initiële kalibratie worden uitgevoerd om de kalibratiefactor van de sensor vast te stellen. De Coriolis-meter meet drie onafhankelijke variabelen en dus dienen er drie factoren bepaald te worden: ten eerste is er het massadebiet, ten tweede de temperatuur van de meetbuis en ten derde de dichtheid. De kalibratie voor het massadebiet wordt uitgevoerd met zuiver water, waarvan de massa van de hoeveelheid doorgestroomd product door middel van weegschalen zo nauwkeurig mogelijk wordt bepaald. Hierbij is het van belang ervoor te zorgen dat de weegschaal die als referentie gebruikt wordt tenminste vijf maal zo nauwkeurig is als de wens. Je zou vloeistoffen met verschillende dichtheden kunnen gebruiken om de effecten te controleren, maar het blijkt dat daarmee geen afwijking geconstateerd wordt. De vastgestelde kalibratiefactoren voor debiet, temperatuur en dichtheid worden in de bijbehorende transmitters ingevoerd en de kalibratie is compleet. Het enige wat na de installatie nog nodig is om de kalibratie af te ronden, is het nulstellen van de meter.

Toezicht op calibratie

Het toezicht op juiste kalibratie oftewel op “ijkwaardigheid” werd traditioneel gedaan door Verispect. Per 1 januari 2016 zijn de taken van de toezichthoudende organisatie Verispect overgegaan naar Agentschap Telecom. Vanuit de afdeling Metrologie en Waarborg houdt Agentschap Telecom nu toezicht op naleving van onder andere de Metrologiewet. Die wet, en dus ook het toezicht op de naleving, dient in de eerste plaats ter bescherming van de consument. Agentschap Telecom onderzoekt de meet- en weeginstrumenten die in het handelsverkeer worden gebruikt. Een inspecteur stelt tijdens zijn bezoek vast of het instrument aan diverse formele en meettechnische eisen voldoet. Is dat het geval, dan wordt er op een duidelijk zichtbare plaats op het instrument een groene sticker aangebracht.

Agentschap Telecom is een organisatie onder het Ministerie van Economische Zaken die ook de ijkwaardigheid van bedrijven bestempelt. Een goedkeuring betekent dat het bedrijf installaties heeft waarmee ijkwaardige kalibraties uitgevoerd mogen worden.

Kalibratie-van-Coriolis-massaflowmeters-Inzet-300x300

Wettelijk zijn er geen aanbevelingen gedaan om Coriolis--massameters te kalibreren. Het standpunt van het Nederlands Meetinstituut (NMi) is dat een keuring met water voldoende is om de kalibratiefactor vast te stellen. Bij het NMi heeft men inmiddels zeer veel ervaring opgedaan met Coriolis-meters en de toepassing ervan op vele verschillende stoffen. Hierbij heeft men kunnen vaststellen dat er geen verschil is tussen het meten van water en elk ander homogeen product. Hierbij blijkt dat zelfs dat het meten van suspensies en tweefasenstroming goede resultaten levert.

Het “proven” van Coriolis-meters

Er zijn echter duidelijk redenen aan te geven waarom een regel-matige controle van een Coriolis-meter uitgevoerd zou moeten worden, met name als het gaat om ijkwaardige metingen. Zo kunnen afwijkingen ontstaan door aangroei in de meetbuizen, wat tot stabiliteitsproblemen leidt. In de massameting kunnen afwijkingen ontstaan doordat het signaal van de interne temperatuursensor gaat verschuiven of omdat de interne componenten zowel elektrisch als mechanisch verouderen. Tevens is het waardevol om een nieuwe proving uit te voeren bij een duidelijke verandering van het meetgebied en bij gebruik van de meter in twee richtingen. Bij gebruik in twee richtingen dient er voor beide richtingen een aparte meterfactor vastgesteld te worden, aangezien deze verschillend kunnen zijn.


Het NMi heeft zeer veel ervaring met de toepassing van

Coriolis-meters op verschillende stoffen.


Zoals eerder beschreven is het proven een proces dat in het veld onder bedrijfscondities moet plaatsvinden. Bij een Coriolis-meter kan dit door gebruik te maken van een zogenaamde prover. Een prover is een mobiele installatie die in serie wordt geschakeld met de meter onder test. Het standaard te meten product wordt vervolgens zowel door de meter als door de prover gestuurd. De prover levert een nauwkeurige referentie en hiermee kan de meterfactor worden vastgesteld. De meterfactor is een verhouding tussen de door de prover gegeven waarde en de door de meter gemeten waarde. Dit getal ligt dus rond de één. De meterfactor wordt als vermenigvuldigingsfactor in de flowcomputer geprogrammeerd om de juiste uitgang van het meetsysteem te verkrijgen. Bij grote afwijkingen kan men besluiten de meter uit te bouwen en terug te -sturen naar de leverancier voor een controle en/of kalibratie.

Kalibratie-van-Coriolis-massaflowmeters-1024x512

Een antwoord op de vraag hoe vaak je zou moeten proven is niet makkelijk te geven. Er kan een contractuele voorwaarde voor een bepaalde frequentie zijn en uiteraard dient men dan hieraan te voldoen. Maar, de eigenlijke reden voor proven wordt bepaald door de afwijking die gevonden wordt tussen verschillende controles. De data van de initiële installatie en de data van de verschillende controles zouden aanleiding kunnen geven om de frequentie bij te stellen. Wanneer er weinig of geen verandering wordt geconstateerd zouden de tussenpozen verlengd kunnen worden. Bij een nieuwe installatie is het aan te bevelen om de eerste meters in het begin elke maand te proven. De grafieken van de gevonden data kunnen dan worden uitgezet om de trends te bepalen. Dit levert daarmee in een betrekkelijk korte tijd voldoende gegevens om de -frequentie al snel bij te stellen.

De meeste beschikbare provers zijn gebaseerd op volume. -Coriolis is een massameter en dus zal men de dichtheid en temperatuur mee moeten nemen om een juiste massareferentie te verkrijgen. De gravimetrische tankprover is de prover die dan ook aanbevolen wordt voor het proven van Coriolis-meters. Deze prover maakt gebruik van een vat op een weegschaal zodat de referentie direct in massa wordt gemeten. Dit vat kan een tankwagen zijn die op een weegschaal wordt gereden. Het nadeel van het gravimetrisch proven is dat de -methode batchgewijs is. Om daarmee een betrouwbare proving te doen dient men minimaal drie batches uit te voeren, maar beter is het om van vijf of meer batches uit te gaan. Aangezien bij proven gebruik gemaakt wordt van het eigenlijke procesmedium ontstaat hierdoor een ander nadeel, namelijk dat je te maken kunt hebben met schadelijke, gevaarlijke of vluchtige stoffen die via deze methode overgebracht moeten worden in meettanks.

Een ander methode die veel toegepast wordt, is de methode met mastermeters. Hiertoe neem je in serie met het instrument onder test een zogenaamde mastermeter op, waarvan het uitgangssignaal als referentie gebruikt wordt. Meestal wordt hiervoor een volumetrische meter gebruikt zoals een turbine- of PD-meter. Er zijn ook goede resultaten met de -Coriolis-meter zelf als mastermeter vanwege de goede stabiliteit en de hoge nauwkeurigheid. In het algemeen kunnen we stellen dat het gebruik van mastermeters het voorbehoud heeft van de procescondities. Het is niet altijd goed te voorspellen hoe de mastermeter zich in deze bedrijfsomstandigheden gedraagt. Met meerdere mastermeters tegelijk zou er een hogere nauwkeurigheid gerealiseerd kunnen worden. Maar aan dit onderwerp zou ik weer een heel apart artikel kunnen wijden.

De acceptatie van Coriolis voor ijkwaardige metingen

Globaal gezien heeft de Amerikaanse API (American Petroleum Institute) een grote invloed op de acceptatie van instrumenten of systemen voor ijkwaardige metingen. Wanneer een instrument in de standaarden van API is opgenomen, wordt het voor nationale organisaties die toezicht houden op -metingen voor het handelsverkeer veel makkelijker deze te -accepteren.

Ten aanzien van de acceptatie van Coriolis-meters is de situatie als volgt. API heeft een standaard gepubliceerd die het gebruik van Coriolis-meters beschrijft. In de “Manual of Petroleum Measurement Standards (MPMS)” beschrijft hoofdstuk 5.6 “Measurement of Liquid Hydrocarbons by Coriolis Meters” (ANSI/API MPMS 5.6). De eerste editie is van oktober 2002 en is opnieuw uitgegeven in november 2013.


‘Uit de materiaalbalans tijdens productie en transport

is direct te concluderen of ergens stoffen zijn weggelekt.’


Ook wordt er een volledig hoofdstuk (Chapter 4) aan “proving systems” besteed. Daarbij wordt ook het gebruik van mastermeters betrokken. In de standaarden komt een aantal relevante onderwerpen aan bod zoals veiligheid, cybersecurity, meter-ontwerp, werking, proving, elektronica en rapportage.

Aanvullend moet gemeld worden dat wanneer het specifiek cryogene vloeistoffen betreft, er veel gebruik wordt gemaakt van de OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale) aanbeveling nr R 81. De OIML is een internationale organisatie die zich ten doel heeft gesteld de regels te harmoniseren die door de nationale metrologische organisaties worden gebruikt. De andere aanbeveling van OIML voor ijkwaardige metingen is de aanbeveling R 117 over dynamische meetsystemen voor vloeistoffen anders dan water.

Voor de toepassing van Coriolis-meters voor ijkwaardige metingen van aardgas is het AGA rapport nummer 11 veel gebruikt. Hierin worden regels gegeven ten aanzien van operatie, onderhoud, installatie, kalibratie en verificatie van genoemde meters.

Daarnaast is in Europa de Measuring Instruments Directive (2004/22/EC) van kracht. Voor de hier aangehaalde toepassing betreft het de groep MI-005 die in de gelijknamige bijlage van de wettelijke richtlijn specifiek wordt beschreven.

Soms is het wat lastig om alle voornoemde regels gelijkwaardig toe te passen. In een apart artikel, later dit jaar, gaan we nader in op de relatie tussen de bovengenoemde wetten en regels.

[tabs] [tab title="Informatie"] [/tab] [/tabs]