Die Zukunft der Coriolis-Meßtechnik

Dr.-Ing. Jörg Zaschel

Coriolis-Meßgeräte (CMF) für Flüssigkeiten existieren in zahlreichen Ausführungsformen. Für die Messung von sehr kleinen Durchflüssen gibt es jedoch nur einzelne Geräte. Auch fehlt noch immer ein preisgünstiger Standardtransmitter mit ein oder zwei Prozeßausgängen und einfacher Bedienung. Der Bereich großer Durchflüsse ( >100 t) ist ebenfalls nicht ausreichend abgedeckt. Die Coriolis-Meßtechnik wird nur selten zur Gasmessung eingesetzt. Mit den gängigen Geräten gelingt eine vernünftige Messung nur für eine Gasdichte ab etwa 10 kg/m3. Dabei ist der Handlungsbedarf bei der Gasmessung, die Masse ohne Umweg über eine andere Größe zu ermitteln, zwingend gegeben. Wird der Volumenstrom gemessen, müssen für eine Angabe in Normkubikmetern zusätzlich Temperatur und Druck gemessen, und mit dem ermittelten Volumenstrom verrechnet werden. Durch die direkte Bestimmung der Gasmasse nach dem Coriolis-Prinzip läßt sich der Aufwand erheblich reduzieren. Mit der direkten Massemessung kann zudem eine 5 bis 10fach höhere Meßgenauigkeit erzielt werden. Im folgenden werden grundlegende Designkonzepte für die Coriolis-Durchflußmeßtechnik präsentiert.

Aus der Entwicklung der Coriolis-Meßtechnik seit dem grundlegenden Patent von Pearson 1949 lassen sich drei grundlegende Designkonzepte zur Durchflußmessung von Fluiden formulieren:

• der über eine gekrümmte Leitung durchflossene Rotationskörper (a),

• das zwangsbewegte, weich aufgehängte Meßrohr (kinematisches Meßglied) (b),

• das in Resonanz schwingende, eingespannte Meßrohr (kinetisches Meßglied) (c).

Die derzeit erhältlichen Geräteausführungen entsprechen dem Konzept c. Geräterealisierungen nach diesem Konzept sind vor allem durch die mindestens erforderliche Baulänge begrenzt, um ausreichende Corioliskräfte bei einer technisch erforderlichen Mindestfließgeschwindigkeit im Meßrohr zu erhalten. Bei Konzept a treten auch bei niedrigen Strömungsgeschwingkeiten (etwa 10 cm/s) leicht auswertbare Corioliskräfte auf. Das Konzept b ist eine Kompromißlösung zwischen a und c. Es erreicht ohne Rotation größere Schwingwege und damit größere Corioliskräfte. Allerdings gehört dazu eine ausgeklügelte Signalverarbeitung.

Die Corioliskugel Coku (Abb.1) ist nach dem Grundkonzept a ausgeführt. Der Rotor, eine Kugel beispielsweise aus Keramik, ist im Gehäuse selbstgleitend und selbstdichtend gelagert und rotiert um die Längsachse durch die Prozeßanschlüsse. Ein Magnetfeld treibt die Kugel an. Im gekrümmten Meßkanal entstehen Corioliskräfte zwischen 0,1 und 1 N. Das Drehmoment auf die Kugel wird elektromagnetisch erfaßt und mit dem Servoprinzip magnetisch kompensiert. Aus dem zugehörigen Rückstellmoment läßt sich der Meßwert berechnen. Auf diese Weise lassen sich auch Durchflüsse mit kleinen Strömungsgeschwindigkeiten bestimmen.

Die Kugel selbst kann bei hohem Verschleiß ausgewechselt werden. Geräte nach diesem Prinzip sind kostengünstig herstellbar, ihre Bauweise ähnelt magnetisch-induktiven Durchflußmessern. Sie besitzen jedoch den entscheidenden Vorteil, daß der Durchfluß stoffunabhängig und korrekt ohne Beruhigungsstrecken bestimmt wird.

Das entkoppelte kinetische Meßglied Keros (Abb. 2) ist nach dem Grundkonzept c ausgeführt. Meßrohr und innerer Rahmen sind miteinander verbunden (hartgelötet) und bilden das Meßglied, das an den Rohrenden am Gehäuse fixiert ist.

Das Meßrohr schwingt – angetrieben durch eine Tauchspule – in Resonanz. Durch die Anordnung mit innerem Rahmen stabilisiert sich die Schwingung infolge der Körperschallmitkopplung (Schallkurzschluß) selbst. Dadurch bleiben lediglich die durch Herstellungstoleranzen bedingten geringen störenden Schwingungsanteile übrig. Diese werden durch die Entkopplungsabschnitte abgebaut. Sie können also nicht auf die anschließende Rohrleitung gelangen und dort kohärente Störschwingungen produzieren. Umgekehrt wird auf gleiche Weise die Einkopplung störender Anlagenschwingungen vermieden. Die Entkopplung wirkt gleichermaßen für mechanische und hydraulische Schwingungen. Die Keros-Geräte sind einbauunabhängig, gasblasentolerant sowie nullpunktstabil auch bei geringer Strömungsgeschwindigkeit einsetzbar und besitzen eine weite Meßspanne. Die durch die Corioliskräfte im Millinewtonbereich bedingte Verformung im Bereich der Meßrohrkrümmung wird mit den Tauchspulen aufgenommen. Die Signalverarbeitung beruht auf speziellen Regelalgorithmen zur Antriebsregelung und hochauflösenden Analyseverfahren.

Das Keros-Prinzip wurde bisher in dem Gerät Rotamass (Yokogawa) realisiert (Abb. 3). Die Vorteile des Keros-Prinzips, beispielsweise in der Bauform, sind bei diesem Gerät noch nicht vollständig ausgeschöpft. Trotzdem zeigt diese Ausführung bereits die besonders kompakte und günstige Konstruktion. Alle Komponenten, bis auf die kaltgezogenen Meßrohre, sind Standardbauteile. Die seitlichen Abmessungen sind kleiner als die Flanschdurchmesser, so daß sich mehrere Geräte nebeneinander setzen lassen. Das ganze Gerät wird wie ein Stück Rohr an den Flanschen der Prozeßrohre befestigt.

Das servogeregelte kinematische Meßrohr Mavos (Abb.1) nach dem Grundkonzept b ist flexibel in die Prozeßanschlüsse eingehängt und dreht sich schwingend um eine Achse senkrecht zur Rohrachse. Diese Schwingung ist zwangsgetrieben; die Schwingwege sind relativ groß. Infolge der Corioliskräfte erfährt das Meßrohr einen Parallelversatz zur Durchflußachse. Die Kraft wird durch optische Aufnahme der Ablenkung erfaßt. Wegen der weichen Aufhängung sind kleinste Corioliskräfte (bis 0,1 mN) meßbar. Das Mavos-Prinzip enthält keine Schwingungskompensation, da es nicht kraftgeführt ist. Zur Signalverarbeitung werden spezielle, selbstoptimierende Verfahren zur Detektion kohärenter Signalanteile mit hoher Auflösung benötigt. Diese auf Beobachterstrategien beruhende Signalverarbeitung ist das Kernstück des Geräts.

Das Keros-Prinzip eignet sich vor allem für eichfähige Geräte für Durchflüsse um 400 t/h. Das Coku-Prinzip bedient vorwiegend den Meßbereich unter 1 kg/min mit sehr kleinen, kompakten Geräten. Das Mavos-Prinzip hat eine besondere Bedeutung für die Prozeßmeßtechnik der Zukunft. Es bietet die Grundlage für die direkte Massedurchflußmessung von Gasen. Kernstück dieser Geräte ist eine Signal- und Meßwertverarbeitung für Coriolisgeräte, die besonders preisgünstige, zeitstabile und selbstüberwachende Realisierungen zuläßt. Darüber hinaus hat jedes Designprinzip spezielle herausragende Eigenschaften (Tabelle).

Halle 9, Stand G68

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