Genauigkeit in vier Dimensionen

Frank Frenzel

Um die Genauigkeit bei der Dichtemessung sicher zu stellen, müssen Temperaturschwankungen gemessen und kompensiert werden. Dies ist üblich für die Mediumtemperatur. Beim CoriolisMaster von ABB hingegen wird auch die Temperatur des Messgehäuses erfasst und entsprechend bewertet. Damit lassen sich selbst sehr starke Temperaturschwankungen wie direkte Sonneneinstrahlung tagsüber und tiefe Temperaturen nachts kompensieren. Dies ermöglicht eine Genauigkeit von 0,001 kg/l.

Ein Beispiel dafür ist die Dichtemessung eines Ethanol-Wasser-Gemisches in Destillerien oder chemischen Anlagen. Die Geräte sind im Freien installiert und erfahren so Außentemperaturen von bis zu +50 °C bei direkter Sonneneinstrahlung oder Temperaturen von bis zu -20 °C, in manchen Klimazonen auch -40 °C. Der CoriolisMaster mit hochgenauer Dichteoption misst ständig die Gehäusetemperatur an verschiedenen Stellen und kompensiert diese Einflüsse durch Algorithmen im Messumformer.

Neben den bereits erwähnten Vorteilen für die Genauigkeit stellt sich dem Anwender natürlich sofort die Frage, wie es denn mit der Funktion der Geräte bei weniger optimalen Bedingungen wie z. B. Lufteinperlungen oder Gasanteilen steht. Das Grundprinzip der Coriolis-Technik basiert darauf, dass sich die Schwingung der Rohre auf das Medium überträgt. Dies ist ungleich schwieriger, wenn sich im Medium Gas- bzw. Luftanteile befinden. Diese folgen nicht notwendigerweise der Schwingung der Rohre, sie wirken als Dämpfung und können somit massive Fehler in der Messung hervorrufen oder sogar die Funktion des Gerätes komplett hindern. Dieser Wirkung kann man durch zwei Maßnahmen entgegenwirken: Zum einen durch ausgeklügelte Messumformertechnik und zum anderen durch eine optimale Konstruktion der Messrohre. Der CoriolisMaster geht beide Wege. Einerseits sorgt die schnelle DSP-Technologie für einen äußerst schnellen Regelkreis, der den Erregerstrom der Schwingung und somit die eingebrachte Energie regelt. Etwaigen Dämpfungen wird somit bereits im Ansatz entgegengewirkt. Zum anderen sorgen ausgeklügelte Filter für eine optimale Signalverarbeitung und eine Online-Plausibilitätsprüfung.

Neben diesen elektronischen Maßnahmen bleibt jedoch die Form der Rohre entscheidend. Das besondere S-Design sorgt für eine bestmögliche Übertragung der Schwingung auf das Medium und für ein äußerst starkes Differenzsignal. Zusätzlich sorgt die Form der Rohre dafür, dass lokal auftretende Effekte durch Gasblasen sich prozentual eher gering auf die Schwingung der Rohre auswirken und somit nur minimal die Genauigkeit der Messung beeinflussen.

Testmessungen haben gezeigt, dass selbst bei einem Luftanteil von 50 % in einem viskosen Medium (z. B. Gummibärchen-Gelee) und überwiegend homogen verteilten Gasblasen eine sehr hohe Genauigkeit bei Abfüllungen von bis zu einem halbem Prozent erreicht werden, bei etwas geringerem Luftanteil mit entsprechend besserem Ergebnis. Die Reproduzierbarkeit war dagegen im Bereich von einem zehntel Prozent. Anfälligkeiten gegenüber Störgrößen treten somit in den Hintergrund.

Gab es zeitweise den Trend für jede Messaufgabe eine eigene Rohrgeometrie zu entwerfen, so geht man in vielen Fällen heute eher den umgekehrten Weg. Zu offensichtlich waren die Nachteile. Waren früher zur Prozessüberwachung Geräte mit einer guten Reproduzierbarkeit und eingeschränkter Genauigkeit gefordert, so mussten doch für Bilanzierungsmessungen oder Abfüllungen Geräte mit höchster Genauigkeit verwendet werden. Beide Aufgaben wurden von zwei unterschiedlichen Gerätedesigns mit unterschiedlichen Einbaulängen erfüllt, die nicht einfach gegeneinander ausgetauscht werden konnten. Die Folge war, dass Betriebe entweder eine doppelte Anzahl von Gerätetypen verwenden mussten – inklusive doppelter Bevorratung und doppeltem Schulungsaufwand – oder sich auf das teurere, genauere Design festlegen mussten, obwohl die Leistung der Geräte in den meisten Fällen nicht benötigt wurde.

Anders dagegen der universelle Ansatz von ABB. Ein Gerät mit der Qualität für hochgenaue Anwendungen wird in verschiedenen Genauigkeitsklassen angeboten: von 0,4 % bis zu 0,1 %. Der Unterschied zwischen den Klassen liegt lediglich im unterschiedlichen Kalibrieraufwand. Weniger genaue Geräte können gegen Referenz-Durchflussgeräte kalibriert werden, während 0,1 % genaue Geräte gegen besonders exakte und sehr teure Waagen mit einem erheblichen Mehraufwand verglichen werden müssen. Bei weniger genauen Geräten entfallen diese Mehrkosten, der Kostenvorteil wird an den Anwender weitergegeben.

Ein weiteres Beispiel für Flexibilität liegt im Messumformer der Geräte. Bei einem Messumformertausch, z. B. von Hart auf Profibus, mussten früher Geräte neu kalibriert oder Kundenparameter neu eingegeben werden, bei ABB übernimmt heute ein aufgesteckter Fram-Chip die Speicherung der Daten und macht so einen Wechsel der Elektronik zu einer Angelegenheit von wenigen Sekunden.

Eine besondere Stärke der Coriolis-Geräte liegt in ihrer Vielzahl von Messwerten. Neben der Masse- und Volumendurchflussmessung kann die Dichte auf 0,001 kg/l bestimmt werden mit einer Reproduzierbarkeit von 0,0001 kg/l. Veranschaulicht bedeutet dies, dass eine Messerspitze Zucker (1 g) in einer Kanne Kaffee von ca. einem Liter genau gemessen werden kann. Und sogar ein Zehntel der Menge würde von der Messung bemerkt. Eine typische Applikation in der die Vorteile der Multivariabilität zum Einsatz kommen, ist beispielsweise die Abfüllung von Phosphorsäure für Coca-Cola. Für verschiedene LKW-Ladungen werden Säure-Wasser-Gemische verschiedener Konzentrationen ausgeliefert. Statt wie bisher zunächst 98 % Phosphorsäure in den LKW zu verladen und danach eine entsprechende Menge Wasser dazuzugeben, wird das Wasser online dazu gemischt und mit einem CoriolisMaster mittels der Dichtemessung auf 1 g/l (Reproduzierbarkeit 0,1 g/l) genau die Konzentration geregelt. Der LKW wird nicht nur bis auf 10 kg genau befüllt (bei einer Gesamtladung von ca. 30 t), sondern seine Kapazität wird auch optimal genutzt, ohne die Straßenverkehrsordnung durch Überladung zu verletzen oder aufwendiges Nachladen notwendig zu machen.

In anderen Applikationen, wie z. B. der Dichtemessung von einem Methanol-Wasser-Gemisch, werden die Geräte dagegen als reine Dichtemesser eingesetzt, um andere Verfahren, z. B. die radiometrische oder optische Dichtemessung, zu ersetzen. Der Ersatz erfolgt bei gleicher Leistung zu deutlich geringeren Kosten und unter Wegfall von bürokratischem Aufwand bzw. Wartungsaufwand, da das Entsorgen radioaktiver Reststoffe oder das Reinigen von Linsen entfällt.

Die ABB-Coriolis-Durchflussmesstechnik bietet somit eine Kombination aus hoher Genauigkeit, praxisgerechtem Einsatz und Flexibilität in der Anwendung. Mit einer Vielzahl von Messwerten ersetzt ein Gerät mehrere bisherige Messstellen wie Dichtemesser oder Temperaturfühler und spielt seine Vielseitigkeit bei anspruchsvollen und alltäglichen Applikationen voll aus. Wichtig ist jedoch: Moderne Technik lässt die Installation und die Bedienung zum Kinderspiel werden.

cav 403

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