Massendurchflussmessverfahren nach dem Coriolis-Prinzip

Ein Coriolis-Massendurchflussmesser (CMD) ist ein Durchflussmessgerät, das den Massenstrom von durchströmenden Flüssigkeiten oder Gasen misst. Das Messverfahren beruht auf dem Coriolis-Prinzip.

Aufbau

Zweirohrversion Messprinzip

Ein Massendurchflussmesser wurde aus zwei metallischen Rohren hergestellt, welche die Form eines Bogens, Halbkreises, Deltaform oder sogar Vollkreises hatten.

Die heutige Gerätegeneration der Coriolis-Massendurchflussmesser verwendet die Geradrohrgeometrie in der Einrohr- oder Zweirohrversion.

Funktion

Der Rohrbogen wird mittels Aktuatoren in Schwingung versetzt. Die Drehachse ist die Basis des Bogens, also die Richtung von Zu- und Ablauf. Die Schenkel schwingen und vollziehen damit einen Teilkreis. Dabei ist die Bahngeschwindigkeit eines Punktes auf dem Schenkel umso größer, je größer der Abstand von der Drehachse ist.

Ohne Durchfluss

ohne Durchfluss

Die beiden Schenkel des Rohrbogens, linker und rechter, schaukeln ohne zeitlichen Unterschied gleich. Von der Stirnseite der Anordnung aus gesehen bewegen sie sich deckungsgleich hintereinander. Die Auslenkung des Rohres durch die Schwingung wird mit dem Auge nicht erkannt. Die Amplitude ist zu gering, sie kann jedoch mit der Hand gefühlt werden.

Die Frequenz des Ausgangssignals beträgt hier $w_0=\sqrt{k/J}$, wobei k die Torsionsfederkonstante (die Steifigkeit gegenüber dem wirkendem Auslenkmoment) des Rohres und J das Massenträgheitsmoment (welches proportional zur Masse des im Rohr befindlichen Stoffes ist) ist. Somit ist dadurch die Dichte des Messobjektes bestimmbar.

Mit Durchfluss

mit Durchfluss

Wird das Rohr durchströmt, muss mit dem Eintritt des Fluids, z.B. in den linken Schenkel des Bogens, die Masse auf eine immer größere Bahngeschwindigkeit gebracht werden. Nach dem Trägheitsgesetz $\vec F = m \, \vec a$ wird deshalb die Flüssigkeit im linken Schenkel verzögert = nacheilend. Ursache ist die Corioliskraft $\vec F_C = 2 \, m \left( \vec v \times \vec \omega \right)$, bzw. $\vec F_C = 2 \,\dot m \left( \vec l \times \vec \omega \right)$ welche durch die Coriolisbeschleunigung entsteht. Das Medium im Scheitel des Bogens hat die maximale Bahngeschwindigkeit erreicht.

Das Medium, welches im rechten Schenkel wieder auf die Drehachse zufließt, erreicht ständig Orte geringerer Bahngeschwindigkeit. Die Trägheitskraft durch die Coriolisbeschleunigung drückt nun die Flüssigkeit im Schenkel in Schwingungsrichtung vor. Die Flüssigkeit im rechten Schenkel ist voreilend.

Schaut man sich wiederum die bewegte Rohrschleife von der Stirnseite an, so bewegen sich die beiden Schenkel nicht mehr hintereinander. Der zeitliche Unterschied hängt von der Schwingungsfrequenz, der Masse des Mediums und dessen Flussgeschwindigkeit und auch vom (temperaturbestimmten) Elastizitätsmodul des Rohres ab. Somit ist dieses Verfahren in der Lage, den Massendurchfluss direkt zu messen und diesen nicht über die Ermittlung anderer Eigenschaften (Volumen, Dichte, Viskosität) zu bestimmen.

Darstellung vereinfacht

Corioliskraft am Gartenschlauch

Am einfachsten kann der Einfluss der Corioliskraft verdeutlicht werden wenn man einen Gartenschlauch zwischen den Händen hält und leicht spannt.

Signalwandlung

Ein- und auslaufseitig sind am Schwingsystem Sensoren montiert, welche sinusförmige Signale erzeugen. Ohne Durchfluss sind beide Signale phasengleich. Bei Massendurchfluss ergibt sich durch die im Zu- und Ablauf unterschiedliche Corioliskraft eine Phasenverschiebung der beiden Signale. Diese Phasenverschiebung ist proportional dem Massestrom.

Anwendung

Je nach Medium, ob Gase oder Flüssigkeiten, werden Rohre mit unterschiedlichen Rohrinnendurchmessern eingesetzt. Das Messgerät ist für Mehrphasenströmung nur bedingt geeignet, da sich die ungleichmäßige Dichteverteilung im Messrohr ungünstig auf das Schwingsystem auswirken kann. Sind die Phasen hingegen homogen gemischt, lassen sich über die Dichtemessung und Kenntnis der Fluideigenschaften zwei Phasen anteilmäßig berechnen (z. B. gelöster Zucker in Wasser, kann direkt in Brix umgerechnet und ausgegeben werden). Der Druckverlust variiert je nach Bauform, Rohrinnendurchmesser und Eigenschaft des Mediums. Die Sensoren besitzen keine Spalten und lassen sich daher auch in der Lebensmittelindustrie oder Pharmazie exzellent einsetzen. Die Resonanzfrequenz des Schwingsystems ist nebst den mechanischen Eigenschaften des Messrohrs (bzw. der Rohre) von der Dichte des zu messenden Mediums abhängig. Temperaturausdehnungen in Messrohr(en) und Trägerstruktur verändern die Frequenz zudem. Daher wird in der Regel die Temperatur an Messrohr und Trägerstruktur gemessen und zur Temperaturkompensation herangezogen. So kann die Dichte mit einer Genauigkeit von ± 0,2 kg/m³ präzise erfasst und bei Kenntnis der Stoffdaten auch gleich temperatur-kompensiert ausgegeben werden.

Es stehen Geräte für hohe Temperaturen und Drücke zur Verfügung. Ein Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ist ebenso möglich. Ausführungen für den eichpflichtigen Verkehr stehen auch zur Verfügung.

Weitere Einsatzbereiche sind unter anderem:

• Erdgaszapfsäulen
• Pipeline-Verrechnungsmessungen
• Dosieranlagen
• LKW-Bahnverladung und Prüfstandsbau.

Anwendungsgebiete

Da diese Technologie unabhängig von Eigenschaften des Mediums wie zum Beispiel: Leitfähigkeit, Strömungsprofil, Dichte, Viskosität u. ä. ist, können fast alle Stoffe gemessen werden wie Öle und Treibstoffe, Reinigungs- und Lösungsmittel, Fette, Silikonöle, Alkohol, Methan, Fruchtlösungen, Stärke, Farben, Essig, Ketchup, Mayonnaise, Bier, Milch, Zuckerlösungen, Gase, Flüssiggase.

Produktqualität

Viele Anwender schätzen gerade die Dichtemessung und setzen sie gezielt zur Qualitätskontrolle ein. Aufgrund der gleichzeitigen Erfassung der Dichte und der Temperatur des Messstoffes ist auch eine gleichzeitige Qualitätsbewertung des Mediums möglich. Weicht die Dichte des Mediums von der Sollgröße ab, lässt dies auf Qualitätsprobleme im Prozess schließen. Auch Lufteinschlüsse lassen direkt sich aus dem Dichtesignal erkennen. Herkömmliche Dichtemessgeräte kosten oft ein Vielfaches bei ähnlicher Genauigkeit.

Vorteile

Zusammenfassend hat ein Coriolis-Massendurchflussmesser folgende Vorteile:

• Universelles Messsystem für Durchfluss, Dichte und Temperatur, unabhängig von
  • – Leitfähigkeit
  • – Ein- und Auslaufstrecken
  • – Strömungsprofil
  • – Messstoffdichte und damit Druck und Temperatur
• Direkte Massedurchflussmessung
• Sehr hohe Messgenauigkeit (typisch ± 0,15 % v. M.)
• Multivariables Messprinzip, gleichzeitiges Messen von
  • – Massedurchfluss
  • – Volumendurchfluss
  • – Dichte
  • – Temperatur
• Keine beweglichen Teile, damit verschleißfrei
• eine Messunsicherheitsanalyse ist sehr viel einfacher aufzubauen, da nur ein Gerät betrachtet werden muss

Nachteile

• Relativ hoher Anschaffungspreis (bei einer Genauigkeit von 0,15 % v. M.)
• Einsatzgrenzen bei mehrphasigen Medien oder hohem Gasanteil.
• Ablagerungen können zu Fehlern besonders in der Dichtemessung führen
• Begrenzte Materialauswahl für messstoffberührte Teile, Korrosion ist besonders zu prüfen
• das zu messende Medium muss homogen sein.

Weblinks

• Ausführliche Erklärung der Funktionsweise Stand Anfang Jahr 2000
• PTB- Kalibrierung
• Rota Yokogawa Rotamass
• Endress + Hauser Durchfluss
• Krohne
• Siemens
• Emerson
• Bronkhorst High-Tech (en)
• Rheonik