Rheonics procesdichtheidsmeter voor duurzaamheid van transportbrandstof – SAFEST-project van EMPIR EURAMET en de Thermodynamica-groep aan het Imperial College London test

August 27, 2024
Pedro Pacherrez
Publicatierapporten

Rheonics inline dichtheids- en viscositeitssensoren werden gebruikt in het EMPIR EURAMET Safest-project [1] en gaf nauwkeurige viscositeits- en dichtheidsmetingen aan testvloeistoffen die brandstoffen nabootsten in laboratoriumomgevingen [2] De behoefte voor verbeterde stroommetrologie in brandstofleidingen is van cruciaal belang voor de duurzaamheid in de weg- en maritieme transportsector. Het Safest-project was bedoeld om commerciële sensoren voor inline-dichtheids- en viscositeitsmetingen te vergelijken. Rheonics sensoren bleken betrouwbaar nauwkeurige viscositeits- en dichtheidsmetingen te geven [3].

Analyse van sensorresultaten

Drie universiteiten hebben bevindingen bijgedragen, elk van een enkel merk, voor in-line meetapparatuur voor dichtheid en viscositeit. Hun experimentele opstellingen en methoden variëren enorm en zijn volledig te vinden in de EMPIR EURAMET Safest project deliverables (D7) [3].

Conclusies van commerciële sensorresultaten worden in het rapport op een oppervlakkig niveau vergeleken vanwege de uiteenlopende protocollen. Van alle drie de geteste merken werd echter afzonderlijk aangenomen dat ze aanvaardbare dichtheidsmetingen opleverden. De geteste merken bestrijken de belangrijkste typen dichtheidsmeters op de markt:

Evenwichtige torsieresonator (BTR)
Trilbuis (VT)
Stemvork (TF)
Coriolismeter (CM)

Type	Fabrikant	Model	hoeveelheden
BTR	Rheonics	SRV	viscositeit
BTR	Rheonics	SRD	Dichtheid en viscositeit
VT	Anton Paar	L-Dens 3300	Dichtheid
VT	Anton Paar	L-Dens 7400	Dichtheid
CM met VT	Emerson	CMFS050M	Dichtheid en stroming
TF	Emerson	FVM-extensie	Dichtheid en viscositeit

De belangrijkste bevindingen van het onderzoek worden in dit bericht gerapporteerd en hebben betrekking op de inline dichtheidsmeters en viscometers die op de markt verkrijgbaar zijn.

Imperial College experimenteert met testen Rheonics sensor

Gebalanceerde torsieresonator gebaseerde procesdichtheids- en viscositeitssensoren, SRD, van Rheonics worden getest met een thermostatisch bad dat de inline-sensorkamer bevat, terwijl de stroomsnelheid van de testvloeistof wordt geregeld met een ISCO-spuitpomp. Experimenten werden uitgevoerd bij 15, 35, 55 en 75 °C, 1 – 100 bar en 0 – 45 ml/min. Er wordt een continue stroom gehandhaafd en het systeem wordt vóór de metingen gedurende 15 minuten geëquilibreerd. Ondanks dit, de kamer bereikt nooit de ingestelde badtemperatuur. Uitgangsviscositeiten van de SRD worden als betrouwbaar en nauwkeurig beschouwd. Correctieaanpassingen worden toegepast en vervolgens komen de gegevens overeen met referentiegegevens die zijn geproduceerd uit Tait-Andrade-vergelijkingen (bijlage van [3]). Deze correctieaanpassingen worden noodzakelijk vanwege de waargenomen temperatuurinhomogeniteit in het systeem ondanks het bereiken van een evenwicht. Afwijking in temperatuur langs de sensorlengte betekent dat de viscositeit in de kamer niet overal gelijk is. Dezelfde afwijking bestaat voor de dichtheid, maar de SRD-dichtheidsmetingen worden zonder correcties hierin als accuraat en betrouwbaar beschouwd. Er kunnen hier echter polynomiale correcties worden toegepast om de referentiegegevens beter op elkaar af te stemmen. Temperatuurinhomogeniteit in het systeem kan ook afwijkingen in de dichtheidsmetingen veroorzaken wanneer tegenoverliggende uiteinden van de sensor niet in thermisch evenwicht zijn. Een langere sonde zou kunnen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de interne resonator volledig is ondergedompeld in een omgeving met uniforme temperatuur.

Rheonics procesviscositeitsmeter SRV wordt ook geëvalueerd en blijkt acceptabele metingen te geven voor de viscositeit en temperatuur inline.

Experimentele opstelling door Imperial College voor het testen van SRV en SRD met twee dieselsurrogaten: methyldodecanoaat en ethyltetradecanoaat [3],[4]

De Technische Universiteit van Chemnitz experimenteert met het testen van Anton Paar-sensoren

Testen van trillende buisdichtheidsmeters werden uitgevoerd met Anton Paar L-Dens 3300 en 7400 aan de Technische Universiteit Chemnitz bij 15, 25 en 35 °C, 1 – 10 bar en 0 – 15 ml/min. Deze werden ook op kleine laboratoriumschaal voltooid. Bij drukken onder de 2 bar werd de meting onmogelijk omdat de oscillatie van de trillende buis onstabiel werd bij lage stroomsnelheden. Ondanks de apparaatspecificaties werden lage stroomsnelheden en statische metingen gebruikt vanwege de beperkte monstervolumes. Apparaatspecificaties verklaarden dat deze lage stroomsnelheden zouden leiden tot monsterverwarming in de buizen en dit effect werd waargenomen (+3 °C). Hoe dan ook, beide sensoren werden geacht nauwkeurige dichtheidsmetingen te leveren waarbij de L-Dens 7400 de L-Dens 3300 iets overtreft, maar de experimentatoren wijzen op de noodzaak om daadwerkelijk dynamische procesomstandigheden te handhaven voor optimale nauwkeurigheid.

Experimentele opstelling door de Technische Universiteit van Chemnitz voor het testen van Anton Paar L-Dens 3300 en L-Dens 7400 met vier dieselsurrogaten: methyldodecanoaat, ethyltetradecanoaat, 2,4,6,8-tetraoxanonaan en 2,4,6,8,10, XNUMX-Pentaoxaudecaan [3],[4]

Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) experimenteert met het testen van Emerson-sensoren

Twee dichtheids- en viscositeitssensoren van Emerson (Micro Motion ELITE CMFS050M en Micro Motion Fork Viscosity/Density Meters (FVM)) werden op grotere schaal getest dan Rheonics en Anton Paar-sensoren in de bovenstaande secties. Specifiek werden Emerson-apparaten getest bij 20 – 40 °C, 2 – 8 bar en 5 – 50 L/min. Verschillende vloeistoffen werden getest in verschillende opstellingen, wat de vergelijkbaarheid beperkt.

INRIM experimentele opstelling voor waterstroomtests (afbeelding links) en voor oliestroomtests (afbeelding rechts) [3]

Voor de Emerson-dichtheidsmeter: druk en stroomsnelheid hadden geen invloed op de meetnauwkeurigheid, maar toenemende temperatuur verhoogde de fout in de meting. Door het toepassen van temperatuurcorrecties werden de dichtheidsgegevens acceptabel nauwkeurig, maar deze correcties moesten voor elke vloeistof en opstelling worden gedefinieerd. Voor de CFMS050M zijn correctiefactoren toegevoegd voor zowel temperatuur als druk om nauwkeurige dichtheids- en viscositeitsgegevens te verkrijgen.

Uiteindelijk werd het oordeel over deze apparaten aan de lezer overgelaten, maar correcties om rekening te houden met druk en temperatuur waren van cruciaal belang voor de nauwkeurigheid van de gegevens.

Conclusie

Alle geteste typen sensoren op de markt kunnen worden gebruikt om dichtheidsmetingen uit te voeren, maar er zijn correctiefactoren vereist wanneer deze buiten de limieten van de fabrikant worden gebruikt. Het gebruik buiten de limieten of met inhomogene stromen wordt niet aanbevolen, maar de resultaten van dit rapport laten zien dat commercieel verkrijgbare sensoren ondanks systeemonvolkomenheden redelijk nauwkeurige gegevens blijven leveren. Rheonics en Anton Paar-sensoren werden getest bij lage stroomsnelheden in lage volumes, terwijl de Emerson-sensoren werden bestudeerd bij stroomsnelheden en volumes die enkele ordes van grootte hoger waren. Een betere vergelijkbaarheid tussen de sensorprestaties zou mogelijk zijn als ze alle drie zouden worden getest op een breder scala aan stroom- en systeemvolumes. Voor de verschillende schaalniveaus die in het project zijn onderzocht, bewijzen deze onderzoeken echter dat er sensoren op de markt beschikbaar zijn voor brandstofmetrologie op alle schaalniveaus, van auto tot schip.

Rheonics beoordeling en aanbevelingen

Het bereiken van thermisch evenwicht met de verschillende geteste sensoren is een cruciaal aspect bij het opzetten van vloeistofsensoren. Bij Rheonics sensoren specifiek, kunnen de volgende systeemdetails in aanmerking worden genomen:

Terwijl lage stroomsnelheden werden gebruikt voor de Rheonics sensoren hierin, de Rheonics SRV en SRD kunnen ook meten in stroomomgevingen tot 10 m/s, wat overeenkomt met 1300 l/min (340 gal/min) en 5000 l/min (1320 gal/min) in 2” en 4” schema 40 stalen buizen, respectievelijk. Dit bereik maakt Rheonics sensoren geschikt voor alle debieten die zijn bestudeerd voor de duurzaamheid van brandstoffen in het EMPIR EURAMET Safest-project [1].
Een langere insteeksonde kan worden gebruikt om de thermische onbalans langs de resonatorsonde tegen te gaan, zoals te zien is bij de SRD [5] .
Zelfs onder onvolmaakte omstandigheden, Rheonics SRV en SRD zijn betrouwbare en nauwkeurige in-line viscositeits- en dichtheidsmeters voor een breed scala aan stroomsnelheden en toepassingen.