Coriolis-Massendurch-flußmesser

Dipl.-Ing. Christian Rösner

Häufig sind Durchflußmesser die letzten Funktionsträger, die in einem Prozeß spezifiziert werden. Bei der Wahl des richtigen Durchflußmessers kommt es darauf an, unabhängig von der Anwendung, folgende Kriterien zu bestimmen:

Viskosität, spezifische Dichte und deren Schwankungsbereich, Dampfdruck, chemische und physikalische Eigenschaften, Feuchte-Anteile, pH-Wert und Abriebwirkung. Entscheidend sind auch Durchflußgeschwindigkeit und Druck, Einbaulage innerhalb der Anlage, Meßgenauigkeit und/oder Wiederholgenauigkeit. Außerdem ist es wichtig, zwischen Genauigkeitsforderung und gewünschter Wiederholgenauigkeit zu unterscheiden.

Die Meßgenauigkeit beschreibt die während der Kalibrierung unter definierten Parametern festgestellte Genauigkeit bei idealen Strömungsbedingungen, die in den verfahrenstechnischen Anlagen nur selten zu wiederholen sind.

Die Wiederholgenauigkeit des Durchflußmessers stellt sicher, daß das Meßgerät innerhalb des Durchflußbereiches und der herstellerbedingten Konstruktionskriterien reproduzierbare Werte liefert. Daher ist in einem Prozeß die Wiederholbarkeit der Betriebsbedingungen beim Wägen, Dosieren und Mischen ein viel wichtigerer Aspekt als die Gesamtgenauigkeit.

Angesichts der zahlreichen, vorgenannten Einflußgrößen und des Zusammenspiels mit den Eigenschaften nichtleitender Flüssigkeiten, wie beispielsweise Schokolade, wird deutlich, wie schwierig die Wahl des richtigen Durchflußmessers ist. Für nichtleitende Flüssigkeiten, die in der Nahrungsmittelindustrie zudem einen hygienischen Aufbau erfordern, beschränken sich die bestgeeignsten Durchflußmesser auf folgende drei Hauptarten: Verdrängungsmeßgeräte, Turbinenrad-Meßgeräte und obstruktionsfreie Durchflußmesser. Die Verdrängungs-Meßgeräte wurden in der Industrie mehrere Jahre lang mit Erfolg eingesetzt. Ihre besonders engen Toleranzen gewährleisten eine hohe Meß- und Wiederholgenauigkeit, aber wegen ihres Aufbaus unterliegen sie dem Verschleiß und verlieren dadurch allmählich an Genauigkeit. Wegen ihrer aufwendigen Konstruktion ist ihr Anschaffungspreis recht hoch, und es entstehen, je nach dem zu messenden Medium, beachtliche Wartungskosten. Turbinenrad-Meßgeräte werden vorwiegend in der Brauindustrie und für flüssige Kohlenwasserstoffe eingesetzt. Ihr Anwendungsbereich beschränkt sich auf Flüssigkeiten, deren Viskosität nicht zu hoch ist, da sonst eine Dampfreinigung erforderlich ist, bei der die Turbinen häufig auf zu hohe Drehzahlen kommen, so daß Einrisse an den Turbinenschaufeln entstehen und die Lager Schaden erleiden. Die Wiederholgenauigkeit der Turbinenrad-Meßgeräte ist für ihre hohe Güte bekannt, trotz der Berührung des Mediums mit den beweglichen Teilen.

Als Schlußfolgerung ergibt sich, daß hindernisfreie Meßgeräte für die Nahrungsmittel-industrie am besten geeignet sind. Das bekannteste Gerät unter ihnen ist der magnetisch-induktive Durchflußmesser, der eine gewisse Mindest-Leitfähigkeit erfordert und dank seiner Mittelwertbildung eine hohe Meß- und Wiederholgenauigkeit aufweist. Für nichtleitende Medien ist er jedoch nicht einsetzbar.

Die anderen obstruktionsfreien Meßgeräte, wie beispielsweise Ultraschall-Durchflußmesser, reagieren auf hohen Feststoffgehalt in der Flüssigkeit mit hoher Signaldämpfung und dem Verlust der Meßwerte. Die vorgenannten Gründe lassen leicht erkennen, weshalb die nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Massendurchflußmesser vor allem in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie bevorzugt werden, bei denen es auf die direkte Messung der Massen ankommt oder um problematische bzw. teuere Flüssigkeiten geht. Die hohe Meßgenauigkeit des Massendurchflußmessers Massflo(R) von 0,15% vom Meßwert beruht auf der Fähigkeit der Auswerteelektronik, den extrem geringen Phasenunterschied zwischen den beiden Sensorausgängen auszuwerten. Die beiden Meßsignale werden in getrennten Verstärkern aufbereitet und in Komparatoren mit Referenzsignalen verglichen, die vom Null-Durchfluß-Signal abgeleitet sind. Eine nachgeschaltete Logikschaltung erkennt bei vorhandenem Durchfluß den Unterschied zwischen den Signalen A und B und liefert am Ausgang ein High-Signal. Dieses Logiksignal steuert einen Integrator, und die dem Durchfluß entsprechende Spannung wird für die Prozeßsteuerung in ein 4…20 mA Stromsignal umgewandelt.

Beim Durchflußmesser Massflo können im Medium eingeschlossene Luftblasen zweierlei Auswirkungen auf die Meßgenauigkeit haben: Nullpunkt-Verschiebung und Verringerung der Meßempfindlichkeit. Dieser Einfluß betrifft vor allem Durchflußmesser in Zweirohr-Bauweise und läßt sich durch Anwendung einer ausreichend hohen Durchflußgeschwindigkeit zum Wegspülen der Luft ausräumen. Wenn die Blasen jedoch Bestandteil der Flüssigkeit und gleichmäßig verteilt sind, fallen die Ungenauigkeiten deutlich geringer aus.

Dieses Problem kann beispielsweise beim Messen von Hefebrei aus Biergärbehältern auftreten. Das im Brei enthaltene freie Kohlendioxid führt gewöhnlich zu schwankenden Meßergebnissen. Das Problem läßt sich jedoch sehr einfach lösen, indem man den Gegendruck des Systems erhöht und dadurch sicherstellt, daß das Kohlendioxid im Hefebrei gelöst bleibt. Fast alle Durchflußmesser dieses Anbieters sind in Einrohr-Bauweise ausgeführt und reagieren auf Luft- oder Gaseinschluß wesentlich schwächer.

Der Druckabfall stellt für jedes Meßsystem einen wichtigen Parameter dar. Man muß nämlich jeden Druckabfall durch erhöhte Pumpleistung kompensieren. Der Einsatz von Differenzdruckmessern ist in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie weit verbreitet.

Diese Art von Geräten benötigt für den Betrieb einen Druckabfall und eine entsprechende Pumpleistung.

In vielen Lebensmittel-Anwendungen kommen hochviskose Flüssigkeiten vor, die unter bestimmten Prozeßbedingungen nicht-newtonscher Natur sein können. Hier kann der Massflo mit großzügig gewähltem Meßrohr-Innendurchmesser als Ersatz für einen Differenzdruckmesser zu beachtlichen Pumpkosten-Einsparungen führen. Der Druckabfall hängt natürlich von Viskosität und Durchfluß ab und ist auch nicht direkt vergleichbar, da es vier verschiedene Nennweiten gibt. Bei der Extraktion von Kaffee verwendet man vorzugsweise die Zweirohr-Ausführung wegen ihrer guten Eignung für hohe Durchflußgeschwindigkeiten bei geringem Druckabfall und sich ändernder Viskosität.

In der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie spielt die Hygiene eine entscheidende Rolle. Der Aufnehmer darf folglich keine Ecken, Löcher oder Spalten haben, in denen sich biologisch zersetzende Stoffe ansammeln können. Es könnte sonst zu einer Verseuchung kommen, die zu Produktionsausschuß und Gewinnverlusten führt. In der Industrie stellt dies eine ständige Gefahr dar, die unter Umständen zu einer Fabrik- oder Werksschließung führen kann, wenn die Ursache nicht auffindbar ist. Dies zu berücksichtigen, ist daher für den Hersteller von Durchflußmessern von größter Bedeutung.

Beim Einrohr-Meßaufnehmer Mass 2100, der in Verbindung mit dem Meßumformer Mass 3000 ein leistungsfähiges Meßsystem bildet, das auch die direkte Erfassung einer Vielzahl von Prozeßgrößen wie Gesamtmasse, Dichte, Temperatur, Volumendurchfluß, Gesamtvolumen und Fraktionsdurchfluß (Brixgrad und Alkoholgehalt) ermöglicht, gibt es keine hygienischen Schwachstellen. Milchrohrverschraubung und andere lebensmittelgerechte Anschlüsse, Eignung für Clean-inplace und Sterilisierung mit Dampf und anderen Prozeßflüssigkeiten bieten weitere Vorteile. Derartige Reinigungen müssen alle flüssigkeitsberührenden Teile des Aufnehmers erfassen, und danach muß eine Selbstentleerung erfolgen. Die Einrohr-Ausführung erfüllt bei waagerechter Einbaulage diese Anforderung.

Das Anwendungsspektrum der Coriolis-Durchflußmesser Massflo in der Nahrungsmittelindustrie ist sehr vielfältig und reicht von der Eiskrem-Massenmessung bis zur Erfassung des Schokoladenflusses bei der Keks-Herstellung. Beide Massen sind nichtleitend und müssen im einen Fall kühl und im anderen heiß gehalten werden. Bei der Schokoladen-Verarbeitung ist die Temperaturregelung sehr wichtig, damit sich das Fließverhalten vor dem Eintritt in die Überziehmaschinen nicht verändert. Der Massflo ist mit einer im Gehäuse integrierten Heizvorrichtung erhältlich und verträgt Temperaturen bis zu 180 °C. In einigen Anwendungen sind Dichte und Masse gefragt, und es ist möglich, eine Genauigkeit von 0,01 mg/cm³ zu erzielen.

Eine Anwendung, bei der es auf die Dichte ankommt, ist die Messung des Brixgrads. Der Massflo vereint die Messung von Dichte und Durchfluß, und dessen Elektronik berechnet die Menge des gelösten Zuckers in Einheiten, die von der Industrie und den Herstellern von Limonade und Fruchtsäften anerkannt sind. Typische Beispiele für Brixgrad-Messungen in der Zuckerverarbeitung sind:

• Regelung der Wärmezufuhr zu den Verdampfern nach dem Zuckerentzug aus den Rüben, um die Energiebilanz zu verbessern,

• Steuerung des Zuckergehalts bei der Kristallisation des Sirups,

• Bestimmung des verbleibenden Zuckers in der Melasse vor dem Verkauf als Tierfutter. Je höher der Zuckergehalt, desto höher der Preis.

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