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Masse macht mobil

Verbessertes Coriolis-Konzept erweitert Anwendungsbereich für die Geradrohrtechnologie
Masse macht mobil

Das Coriolis-Messsystem Optimass 70 erschließt der Massedurchflussmesstechnik mit einem einzelnen geraden Messrohr neue Anwendungsbereiche. Die adaptive Sensortechnologie (AST) entkoppelt das System weitgehend von der Umgebung und macht es installationsunempfindlich. AST und die Verbesserungen in der Signalverarbeitung erlauben die Einführung neuer Rohrmaterialien, führen zu einer sehr guten Nullpunktstabilität und vergrößern damit auch die Messspanne.

Frank Grunert, Andreas Poremba, Chris Rolph

Bei den Coriolis-Massedurchflussmessern unterlagen in der Vergangenheit vor allem die Geradrohrgeräte gewissen Einschränkungen. Für die Entkopplung der Messung von der angrenzenden Prozessrohrleitung waren meist bestimmte Einbaubedingungen zu berücksichtigen. Der zulässige Abstand der Messumformer vom Sensor bei der Feldgeräteversion war erheblich eingeschränkt und die limitierte Werkstoffauswahl erlaubte den Einsatz dieser Messgeräte nicht immer. Mit dem Massedurchfluss-Messsystem Optimass 70 von Krohne wird jetzt der Grundstock für eine komplett neue Produktfamilie gelegt, die sich durch Modularität und Flexibilität auszeichnet und bei der ein Messumformer für alle Massedurchfluss-Sensoren eingesetzt werden kann (Abb. 1).
Adaptive Sensortechnologie
Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Coriolis-Geradrohrgerätes aus einem einzigen geraden Messrohr ohne Strömungsteiler. Das Messgerät besteht aus einem geraden Messrohr, auf dem ein stabiler innerer Zylinder befestigt ist. An diesem Zylinder sind die Erregerspule zur Erzeugung der Schwingung des Messrohres als auch die zwei Sensorspulen zur Erfassung des Coriolis-Effekts montiert. Der äußere Zylinder umgibt diese ganze Anordnung und dient gleichzeitig als druckfestes Gehäuse. Um den Einfluss externer Störungen auf das Messrohr bzw. den Energietransfer vom Messrohr an die Umgebung zu minimieren, ist die Anordnung innerer Zylinder/Messrohr über Anschluss-rohre mit dem Prozessanschluss (Flansch) verbunden. Diese Anschlussrohre wurden so ausgelegt, dass sie eine genaue Abstimmung des Messgerätes an alle Prozessbedingungen erlauben. Dadurch wirkt das System innerer Zylinder/Messrohr wie eine schwimmende Basis, durch die äußere Störungen ausgefiltert werden.
Zur Kompensation äußerer Belastungen und der thermischer Ausdehnung werden die Temperatur des schwingenden Messrohres über ein Pt 500 genau erfasst und der Spannungszustand des Messrohres als auch des inneren Zylinders werden über je einen Dehnmesstreifen (DMS) ermittelt.
Bei herkömmlichen Geradrohrmessgeräten in Einrohrausführung bestanden Einschränkungen in den Installationsanforderungen und in einer gewissen Anfälligkeit der Messsysteme bei großen Dichteänderungen. Diese Probleme werden mit dem Geradrohrsensor Optimass 70 mit Hilfe der adaptiven Sensortechnologie (AST) beseitigt. Das Wirkprinzip wird in Abbildung 2 anhand der charakteristischen Kenngrößen beschrieben. Das Messrohr (MR) hat die Masse M1 und die Rohrsteifigkeit K1 und der Innere Zylinder (IZ) die Masse M2 und die Biegesteifigkeit K2.
Im rechten Teil wird das ganze noch einmal als Feder-Masse-System dargestellt. Die beiden Massen M1 und M2 schwingen zusammen und nutzen dabei das Anschlussrohr (AR) als ihre Feder mit der Federkonstante K3. Mit jeder Änderung der Messstoffdichte ändert sich auch die Masse M1 vom Messrohr (und dessen Eigenfrequenz), aber damit natürlich auch die effektive Masse des inneren Zylinders M2 (und seine Eigenfrequenz), da dieser am Anschlussrohr aufgehängt ist. Bei optimaler Auslegung der Massen und der Steifigkeit bleibt dann die Abstimmung der Eigenfrequenzen von M1 und M2 auch bei Dichteänderungen voll erhalten. Damit erhält man ein sich selbst anpassendes Sensorsystem, d.h., egal ob große oder kleine Betriebsdichte, das System bleibt immer voll abgestimmt. Das führt auch zu einer sehr guten Nullpunktstabilität, da aufgrund der inneren Balance des Systems Messrohr/innerer Zylinder bei allen Betriebszuständen keine Schwingungsenergie nach außen transferiert wird bzw. von außen in das Messgerät interferieren kann. Selbst direkte Hammerschläge gegen den Optimass beeinflussen die Messung nicht.
Damit dieser AST-Effekt erreicht wird, muss die Biegesteifigkeit des Messrohres entsprechend optimiert werden, gleichzeitig muss das Messrohr der Belastung durch thermische Ausdehnung und die Gewichtskraft des inneren Zylinders einerseits, als auch dem Prozessdruck innerhalb des Messrohres andererseits gewachsen sein. Das wird durch eine detaillierte mathematische Modellierung unter Verwendung der Finite-Element-Methode erreicht.
Durch die adaptive Sensortechnologie wird Optimass 70 vollständig von der Umgebung entkoppelt, so dass es keinerlei Installationeinflüssen unterliegt und das Gerät an beliebigen Stellen gehaltert werden kann. Durch AST wird auch das bei Coriolis-Geräten bekannte Crosstalk-Problem gelöst. Bei Geräten gleicher Baugröße, und demzufolge gleicher Schwingfrequenz, konnten bei Installation in Reihe oder parallel Störungen durch Interferenzen auftreten. Beim Optimass 70 wurde auch bei Installation in unmittelbarer Nachbarschaft keine gegenseitige Beeinflussung festgestellt.
Erweiterte Werkstoffauswahl
Einrohrmessgeräte mit einem geraden Messrohr werden in der Regel mit Titan- oder Zirkoniummessrohren angeboten. Diese Materialien zeichnen sich durch eine geringe Wärmeausdehnung und kleine Elastizitätsmodule bei großer Festigkeit aus. Allerdings eignen sich diese Materialien nicht für jede Messaufgabe. So können Titan oder Zirkonium beispielsweise nicht bei reinem Methanol oder Sauerstoff eingesetzt werden. Bei einigen pharmazeutischen Anwendungen, z.B. bei Zellkulturen, bei der Herstellung von Medikamenten für Kinder oder auch von Kleinkindernahrung, wird auf Titan verzichtet, um zu verhindern, dass Spurenelemente des Werkstoffes in das Endprodukt gelangen.
Krohne bietet daher den Sensor neben dem Standardmaterial Titan auch in Hastelloy C und Edelstahl an. Der Einsatz dieser Werkstoffe wird durch das Sensor-Design möglich. Die patentierte Vorspannung der Messrohre dient der Kompensation von Temperaturschocks. Die Messelektronik mit größerer Auflösung, die die niedrigeren Signalpegel verarbeiten kann, trägt auch dazu bei. Als Edelstahlmaterial kommt der Duplex-Edelstahl 1.4462 zum Einsatz, der austenitische und ferritische Materialstrukturen kombiniert. Dadurch ist er fester, hat eine geringere Wärmeausdehnung als der bekanntere Edelstahl 1.4404 (AISI 316L).
Signalverarbeitung
Das Konzept der Signalverarbeitung wurde total verändert. Das Front-End der Signalverarbeitung wurde an den Sensor verlagert. Dort erfolgt die gesamte analoge Signalverarbeitung, Digitalisierung und die erste Stufe der digitalen Signalverarbeitung. Teile der analogen Signalverarbeitung wurden in den digitalen Bereich verschoben, um so verbesserte Stabilität und Präzision zu erreichen. Das Anregungssystem zur Erzeugung der Messrohrschwingung wurde auf die neuen Anforderungen der Sensoren hin grundlegend überarbeitet.
Die Messung der Phasendifferenz wurde sowohl hardware- als auch softwareseitig verbessert. Die effiziente digitale Filterung und die hohe Abtastrate führen zur deutlichen Verbesserung der Auflösung und sind in Verbindung mit AST für die sehr gute Nullpunktstabilität verantwortlich.
Die digitalisierten Messsignale werden über eine RS485-Schnittstelle an das Back-End, den eigentlichen Messumformer, übertragen. Diese Lösung erlaubt es, bei der getrennten Ausführung nun Entfernungen von bis zu 300 m zu überbrücken. Da nur zwei Adern für die bidirektionale Kommunikation über RS485 sowie zwei für die Spannungsversorgung benötigt werden, kann der Anwender seine üblichen vieradrigen Kabel verwenden, wenn diese der Spezifikation entsprechen.
Variantenvielfalt der Prozessanschlüsse
Eine große Variantenvielfalt zeichnet den Optimass 70 hinsichtlich der angebotenen Prozessanschlüsse aus. Neben den üblichen Flanschanschlüssen nach EN, ANSI, oder JIS sind nahezu alle gängigen hygienischen Anschlüsse verfügbar. Speziell für das Titanmessrohr wurden Verbesserungen gesucht. Adapter für die verschiedenen hygienischen Anschlüsse, die zwei relativ dicht zueinander liegende Dichtungen an jeder Anschlussseite erforderten, wurden so nicht für alle Anwendungen akzeptiert. Deshalb gibt es jetzt auch für das Titanmessrohr einen vollverschweißten Tri-Clamp-Anschluss ohne zusätzliche Dichtungen. Eine zweite Neuerung stellt die patentierte Ausrüstung mit einem Aseptikflansch nach DIN 11864-2 dar. Es ist eine zweiteilige Verbindung, der innere, mit dem Messrohr verschweißte, benetzte Teil aus Titan und die Hülse aus Edelstahl. Der Gegenflansch wird mit Gewindebolzen befestigt, und bei dieser Ausführung wird nur die eine, für diese Aseptikverbindung typische Dichtung benötigt.
Das Wichtigste in Kürze
Das Coriolis-Messgerät Optimass 70 mit einzelnem Geradrohr gibt es in sieben Baugrößen von 6 bis 80 mm Rohrdurchmesser. Die Geräteserie deckt damit Durchflussraten von 20 bis 560 000 kg/h ab. Dies gilt auch für Flüssigkeiten mit hoher Viskosität und hohem Schwebstoffanteil. Das Messrohr ist in Titan, Edelstahl oder Hastelloy C22 erhältlich. Die Messgenauigkeit beträgt 0,1% vom Messwert ± Nullpunktstabilität. Die Installationsmöglichkeiten sind quasi unbegrenzt, weil die neue Konstruktion mit geradem Messrohr ohne Klammern an jeder beliebigen Stelle im Rohrleitungssystem untergebracht werden kann. Das Gerät kann auch am eigenen Gehäuse abgestützt werden. Die Geräte der Serie 70 erfüllen eine Vielzahl von Standards wie ASME Bioprocessing Equipment, EHEDG und 3A. Die Messgeräte bestehen aus Werkstoffen, die von der FDA zugelassen sind, und werden in Übereinstimmung mit der Europäischen Druckgeräterichtlinie (DGRL) sowie Cenelec, Atex und FM gefertigt.
Messgerät für geringen Durchfluss
Die Serie 71 von Krohne gehört ebenfalls zur neuen Optimass-Produktfamilie. Die Geräte mit einem einfachen Z-Messrohr eignen sich besonders für die Messung geringer Durchflussraten und sind daher ideal für Dosierungs- und Mischanwendungen. Die Sensoren, deren benetzte Teile in Edelstahl oder Hastelloy ausgeführt werden können, sind in drei Nennweiten erhältlich und eignen sich für Durchflussraten von 0,3 bis 455 kg/h. Durch geringe Platzanforderungen sind die Messgeräte leicht zu installieren und der Anschluss erfolgt über Standard-NPT (1/4”) oder hygienische Prozessschnittstellen. Die Messgeräte bieten ferner eine Sekundärabschirmung und als Zusatzoption einen Heizmantel. Die Serie 71 wird in Übereinstimmung mit der Europäischen Druckgeräterichtlinie (DGRL) sowie Cenelec, Atex und FM gefertigt, so dass die Geräte auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können.
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