Mit einer Genauigkeit von 0,1 % vom Messwert übertreffen Coriolis-Durchflussmessgeräte alle anderen Messprinzipien. Neben dem Massestrom des durchströmenden Mediums erfassen die meisten Coriolis-Durchflussmesser zusätzlich dessen Temperatur und Dichte. Die Temperaturmessung ist eine für die interne Korrektur der Messwerte notwendige Größe, die Dichtemessung ein zusätzliches Feature. Ursprünglich zur Berechnung des Volumendurchflusses verwendet, dient die Dichtemessung inzwischen für eine Reihe weiterer Messfunktionen.

Zum Beispiel können bei bekannter Dichte die Konzentration einer Lösung oder die Anteile der Komponenten eines Flüssigkeitsgemisches berechnet und für die Prozessführung verwendet werden. Wichtigste Komponente eines Coriolis- Durchflussmessers sind die mit Resonanzfrequenz schwingenden Messrohre.

Das durchströmende Medium verursacht aufgrund der Coriolis-Kraft eine winzige, dem Massestrom des durchströmenden Mediums proportionale Verformung der Messrohre. An mehreren Stellen entlang der Messrohre wird deren Auslenkung kontinuierlich gemessen und die durchflussabhängige Verformung als Phasenverschiebung zwischen den Sensorsignalen detektiert.

Temperatur des Messmediums berücksichtigen

Im Gegensatz dazu basiert die Dichtemessung auf der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Dichte des Mediums. Das mechanische System schwingt während der Messung mit seiner natürlichen Resonanzfrequenz, die sich proportional zur Masse der Messrohre und damit zur Dichte des Mediums in den Messrohren verändert.

Marktübliche Dichtemessgeräte, so genannte Stimmgabel-Dichtemesser, nutzen zwar dasselbe Messprinzip, sind jedoch nicht geeignet, gleichzeitig den Durchfluss zu messen. Neben der Dichte des Mediums beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Systems dessen Resonanzfrequenz - insbesondere die Steifigkeit.

Die Steifigkeit hängt wiederum vom Prozessdruck in den Messrohren sowie den Temperaturänderungen der schwingenden Messrohre ab. Den größten Einfluss hat die Temperatur: Die Temperatur des Messmediums wirkt sich direkt aus, die Umgebungstemperatur beziehungsweise die Differenz zwischen Umgebungs- und Mediumtemperatur nur indirekt.

Um diese Effekte zu kompensieren, haben Coriolis-Durchfluss-Messgeräte integrierte Temperatursensoren, deren Messwerte für die Korrektur der Durchfluss- und Dichtemessung benötigt werden. Der Einfluss des Prozessdruckes wird ebenfalls in der Firmware des Messgeräts kompensiert. Dazu muss der Anwender den mittleren Prozessdruck bei der Gerätekonfiguration eingeben.

Die verbleibenden Abhängigkeiten aufgrund von Schwankungen des Prozessdruckes lassen sich dann meist vernachlässigen. Für alle diese Korrekturen sind in der Gerätesoftware umfangreiche vom Hersteller für jede Gerätegröße und jedes Material der medienberührten Teile bestimmte Gerätekonstanten hinterlegt.

Dichte exakt messen

Für eine genaue Dichtemessung ist vor allem die Genauigkeit der Temperaturmessung wichtig. Dabei spielt die Platzierung des Temperatursensors und seine Ausführung eine große Rolle. Durch spezielle Konstruktionen erreichen die Coriolis-Messgeräte Rotamass eine Genauigkeit von ±0,5 °C ± 0,002 * (T - 20 °C).

Die Dichte-Traceability zu den nationalen Normalen sorgt für gleich bleibende Kalibrier-Ergebnisse.

© Rota Yokogawa

Hierzu muss jedes Gerät während der Kalibrierung der Temperaturmessung auf 0,1 °C genau justiert werden. Um die spezifizierte Dichtegenauigkeit zu erreichen, reicht es nicht mehr aus, nur die mittleren Gerätekonstanten für die Korrekturen zu verwenden. Der Grund: Herstellungsbedingt hat jedes Gerät eine individuelle Temperatur-Charakteristik. Daher müssen die Korrekturkonstanten individuell über einen weiten Temperaturbereich bestimmt werden.

Speziell bei Sensoren für kleine Durchflüsse sind die wirkenden Coriolis-Kräfte so klein, dass bereits die Schwerkraft zu messbaren Beeinflussungen der Resonanzfrequenz führt. Bei diesen Geräten ist eine zusätzliche Korrektur (zwischen 0,3 g/l und 1,8 g/l) in der Firmware notwendig, um die Einbaulage zu berücksichtigen.

Nicht justieren, sondern kalibrieren

Um die Dichtemessung spezifizieren zu können, ist zudem eine hochgenaue Kalibrierung notwendig. Hier gibt es große Unterschiede bei den Vorgehensweisen und Angaben der verschiedenen Hersteller. Daher lassen sich die Dichtespezifikationen oft nicht vergleichen. Häufig wird der Begriff „Kalibrierung" verwendet, obwohl lediglich eine Justierung erfolgt. Diese Justierung wird in den allermeisten Fällen nur mit Luft und Wasser durchgeführt; eine Überprüfung mit Medien unterschiedlicher Dichte findet nicht statt.

Da die Justierung der Sensoren üblicherweise bei Raumtemperatur erfolgt, gibt es meist keine Angaben über die Genauigkeit unter realen Prozessbedingungen. Daraus resultieren die großen Unterschiede hinsichtlich Genauigkeit zwischen Labor und realem Prozess. Bei den Geräten der Firma Rota Yokogawa stehen drei Stufen der Dichtespezifikation zur Verfügung:

• standardmäßig mit Dichtejustage, Standardtemperatur- und Dichtespezifikation,
• mit Justage und verbesserter Temperatur- und Dichtespezifikation sowie
• mit Kalibrierung der Dichtemessung mit individuellen Temperaturkorrektur- Konstanten.

Die Kalibrierprozedur beinhaltet sowohl eine hochgenaue Justierung in einem weiten Dichte- und Temperaturbereich als auch die Gegenprüfung mit drei unterschiedlichen Kalibrierflüssigkeiten (0,7 kg/l, 1,0 kg/l und 1,6 kg/l). Bei der Justierung wird zusätzlich die Temperaturkorrektur der Dichtemessung bei sieben Mediumtemperaturen zwischen 20 und 80 °C ermittelt und in der Geräte- Firmware gespeichert - individuell für jeden Sensor.

Rückführbarkeit der Dichtekalibrierung

Welche Dichtegenauigkeit kann man bei Coriolis-Durchflussmessern erreichen? Sind die Kalibrier-Ergebnisse auf nationale und internationale Normale rückführbar? Die Durchführung der rückführbaren Dichtekalibrierung ist mit erheblichem Aufwand verbunden. Für die Gerätereihe Rotamass wurde dazu ein spezielles Kalibrierlabor eingerichtet, um die spezifizierte Genauigkeit und die Rückführbarkeit zu gewährleisten.

Die wichtigste Voraussetzung ist die genaue Bestimmung der Dichte der verwendeten Kalibrierflüssigkeiten. Hierfür kommt ein Dichtemessgerät mit einer Absolutgenauigkeit besser als 0,01 g/l zum Einsatz. Dieser „Dichte-Master" wird regelmäßig mit Hilfe von Referenzflüssigkeiten überprüft, die von akkreditierten Dichte-Kalibrier-Laboratorien des deutschen Kalibrierdienstes (DKD) auf die nationalen Dichtenormale der PTB (Physikalisch Technischen Bundesanstalt) rückgeführt sind.

Die Raumtemperatur im Kalibrierlabor wie auch die Temperaturen der Kalibrierflüssigkeiten werden konstant gehalten. Die entwickelte Vorgehensweise erlaubt eine verlässliche Spezifikation der Dichtemessung von 0,5 g/l im Messbereich von 0,3 kg/l bis 2 kg/l bei Mediumtemperaturen von -50 °C bis +150 °C und Umgebungstemperaturen von -10 °C bis +50 °C. Die bei der Kalibrierung festgestellten Abweichungen zu den Dichte-Normalen sind dabei meist um über 50 % geringer als in der Geräte-Spezifikation angegeben.

Die Wiederholbarkeit der Dichtemessung bei konstanten Prozessbedingungen - Mediumtemperatur, Umgebungstemperatur und Prozessdruck - liegt bei mindestens 0,2 g/l.

Der Nutzen genauer Dichtemessung

Coriolis-Durchflussmesser sind vielseitig einsetzbar: Sie können sowohl nicht leitende als auch leitfähige Flüssigkeiten messen sowie hochviskose Medien wie Schokolade oder Bitumen. Die Messung funktioniert - wenn auch mit Einschränkungen - sogar bei Medien mit zwei Phasen, zum Beispiel bei einem Öl-Wasser-Gemisch. Daher sind Coriolis-Geräte in allen Branchen von der Lebensmittelproduktion bis zur Raffinerie anzutreffen.

Die Gerätereihe Rotamass wird optional mit mehreren Vergleichsflüssigkeiten bei verschiedenen Temperaturen kalibriert.

© Rota Yokogawa

Zunehmend werden die Sensoren ebenso für die Dichtemessung und die darauf basierende Konzentrationsbestimmung von Flüssigkeiten verwendet: Bei der Produktion von Getränken sind häufig der Zuckergehalt oder die Saftkonzentration zu regeln. Rohöl wird meist als WasserÖl- Gemisch gefördert. Über dessen Dichte lässt sich die prozentuale Zusammensetzung und somit die tatsächliche Ölmenge bestimmen.

Der Schlüssel zu einer genaueren Konzentrationsbestimmung liegt in der genauen Dichtemessung. Die Rotamass- Sensoren gibt es mit vorkonfigurierter Konzentrationsmessung für viele Medien. Darüber hinaus ist eine kundenspezifische Programmierung durch den Anwender möglich.

Eine exaktere Dichtemessung verbessert außerdem die Genauigkeit der Sensoren bei der Bestimmung des Volumendurchflusses. Dadurch erreichen die Sensoren beim Volumendurchfluss inzwischen eine ähnlich hohe Genauigkeit wie beim Massedurchfluss.

Randbedingungen beachten

Wie bei jedem Messprinzip treten auch bei der Dichtemessung einige Effekte auf, die es in manchen kritischen Applikationen zu beachten gilt: Insbesondere bei Prozessen, in denen die Mediumtemperatur stark von der Umgebungstemperatur abweicht, ist die Messung mit einer zusätzlichen Unsicherheit behaftet. In diesen Fällen empfiehlt es sich, die Geräte durch eine zusätzliche Isolierung oder Beheizung thermisch zu stabilisieren.

Die größten und schädlichsten Auswirkungen verursachen Korrosion und Abnutzung (Abrasion) im Bereich der Messrohre. Beides greift die Oberfläche der Messrohre an, verringert deren Wandstärke und somit Masse und Steifigkeit der Messrohre. Dies verändert die Resonanzfrequenz und verringert die Genauigkeit der Dichtemessung. In solchen Fällen besteht zwar die Möglichkeit, die Geräte vor Ort zu prüfen, die ursprüngliche Genauigkeit lässt sich mit der Justierung vor Ort jedoch nicht mehr erzielen.

Dazu wäre eine erneute Kalibrierung beim Hersteller notwendig. Vermeiden lassen sich diese Probleme durch die Auswahl geeigneter Rohrmaterialien. Die Abrasion kann durch niedrige Durchflussgeschwindigkeiten bis etwa 2 m/s vermieden werden. Die Konsequenz: Bei abrasiven Medien sollten Geräte mit größerer Nennweite zum Einsatz kommen. Ein weiterer für die Dichtemessung schädlicher Effekt sind Ablagerungen an den Innenwänden der Messrohre.

Dadurch erhöht sich die Masse der Rohre und damit der Fehler des Dichtemesswertes. Abhilfe schafft eine periodische Reinigung der Messgeräte. Sowohl Abrasion als auch Ablagerung können Rotamass-Sensoren mit einer speziellen Überwachungsfunktion detektieren und einen entsprechenden Alarm generieren.

Autor: Janus Slotwinski ist Manager Flow Applications bei der Firma Rota Yokogawa in Wehr.