Coriolis Durchflussmesser Messprinzip

Wie funktioniert die Messung kleinster Massenströme – egal ob Gas oder Flüssigkeit – mit dem Coriolis-Prinzip? Diese Scheinkraft ist eher bei großen Maßstäben bekannt, die sicher einige aus der Meteorologie kennen und dort für verschiedene Wetterphänomene verantwortlich ist. Wir machen uns denselben Effekt aber im kleinsten Maßstab zunutze – hier erklären wir wie.

Was ist der Coriolis-Effekt?
Wie funktioniert ein Coriolis Durchflussmesser?
Coriolis vs. thermischen Massendurchflussmessern
Einschränkungen mit einem Coriolis Durchflussmesser
Anwendungen, die für Coriolis Durchflussmesser gemacht sind
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_{Das Video erklärt das Coriolis-Funktionsprinzip}

1. Was ist der Coriolis-Effekt?

Auf der Nordhalbkugel haben Hoch- und Tiefdruckgebiete immer dieselbe Drehrichtung; Hochdruckgebiete drehen rechts-, Tiefdruckgebiete linksherum. Die Ursache liegt in der Erdrotation, welche scheinbar jede lineare Bewegung (wie das Einströmen von Luft in ein Tiefdruckgebiet oder das Herausströmen bei einem Hochdruckgebiet) in Bewegungsrichtung nach rechts ablenkt. Auf der Südhalbkugel geschieht dies analog – nur umgekehrt. Ihren Namen erhielt diese Scheinkraft von Gaspard-Gustave de Coriolis, welcher in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts diesen Effekt bereits bei sich drehenden Maschinenteilen erkannte und berechnete.
Dieser auf Massenträgheit beruhende Coriolis-Effekt ist nur sichtbar, wenn man sich innerhalb eines rotierenden Systems befindet. So wird ein geworfener Ball in einem sich drehendem Raum scheinbar in eine Richtung abgelenkt. Beobachtet man diesen Raum von außerhalb (im nicht rotierenden System), erkennt man leicht, dass der Ball – wie er es sollte - eine lineare Flugbahn hat.

2. Wie funktioniert ein Coriolis Durchflussmesser?

Diesen Effekt kann man sich auch in kleineren Maßstäben zunutze machen: Bei der Massendurchflussmessung von Gasen und Flüssigkeiten.

Im Coriolis Durchflussmesser wird das Medium durch ein (in der Regel gebogenes) Rohr geleitet, welches um eine Achse drehend in Vibration versetzt wird. Dies geschieht durch magnetische Aktuatoren, welche nah an der Eigenfrequenz des Sensors arbeiten. Die tatsächliche Auslenkung des Rohres wird durch zwei Sensoren an gegenüber liegenden Seiten erfasst. Ohne eine Bewegung des Mediums innerhalb des Messrohres erfassen beide Sensoren dieselbe Auslenkung. Wird nun eine Masse durch das schwingende Rohr bewegt, kommt ein zusätzlicher Impuls mit einem definierten Bewegungsvektor in das System; die Trägheit der bewegten Masse überträgt sich auf das Schwingverhalten. Die an den Sensoren gemessene Auslenkung ist nun phasenversetzt. Dieser Phasenversatz ist direkt proportional zur bewegten Masse; ein größerer Phasenversatz bedeutet eine größere, bewegte Masse.

Massendurchflussmesser, welche mit dem Coriolis-Prinzip arbeiten, können aber noch mehr: sie können auch die Dichte des Mediums messen. Während der Phasenversatz in direktes Maß für den Massendurchfluss ist, ist die durch die Eigenmasse gedämpfte Frequenz der Auslenkung ein direktes Maß für Ihre Dichte. Da diese Varianz bei Gasen zu gering ist, ist jedoch nur die Dichte von Flüssigkeiten sinnvoll messbar.
Massendurchfluss und Dichte des Mediums werden unabhängig voneinander erfasst. Bei Bronkhorst Geräten der mini CORI FLOW® Serie wird zudem noch die Temperatur des Mediums mit zusätzlichen Sensoren gemessen, wodurch sie zu äußerst versatilen Multi-Parameter-Instrumenten werden.

Coriolis-Prinzip bei Durchflussmessern

3. Coriolis Durchflussmesser gegen thermischen Massendurchflussmessern

Coriolis Durchflussmesser messen also direkt die strömende Masse. Diese direkte Massenmessung eliminiert andere physische Einflüsse wie Druck und Temperatur. Thermische Massendurchflussmessung hingegen erlaubt nur eine indirekte Massendurchflussmessung, wodurch sich diese beiden Verfahren auch in Ihren Anwendungen unterscheiden.

Ein thermisches Messverfahren nutzt die spezifische Wärmekapazität des Mediums. Mit einem Heizelement und zwei thermischen Sensoren wird entweder die notwendige Energie zum Heizen auf einen bestimmten Wert gemessen oder die Temperaturverschiebung zwischen den Thermoelementen. Die durch den Massentransport einhergehende Energieverschiebung ist ein proportionales Maß des Massendurchflusses, sofern Medium und Betriebsbedingungen bekannt sind. Mit diesem Messprinzip sind thermische Massendurchflussmesser prädestiniert für den Einsatz mit gasförmigen Medien.

Durch die direkte Massenmessung des Coriolissensors sind diese Mediums-unabhängig und für Gase wie Flüssigkeiten gleichermaßen einzusetzen. Ein Kilogramm ist ein Kilogramm, unabhängig davon, woraus es besteht.

4. Einschränkungen mit einem Coriolis Durchflussmesser

Bei einem Coriolissensor wird ein Messrohr mit einer definierten Frequenz angeregt. Sollten sich Schwingungen in ähnlicher Frequenz von anderen Geräten eines Systems auf das Gerät übertragen, kommt es zu Interferenzen, welche die Messung stören können.
Dies können beispielsweise Pumpen oder Kompressoren sein, welche einen Teiler oder ein Vielfaches der Schwingfrequenz des Sensors erzeugen. Daher ist es wichtig, den mitgelieferten Masseblock und Gummifüße zu nutzen, um das Gerät weitestgehend zu entkoppeln. Bei Übertragungen über die Leitung können geeignete Flexschläuche genutzt werden.
Ein weiteres Augenmerk bedarf es dem Druckverlust insbesondere bei Nutzung mit leichten Gasen. Wir können den Druckverlust der Geräte jedoch akkurat berechnen und gegebenenfalls auf ein größer dimensioniertes Gerät ausweichen.

BLOG: Umgang mit Vibrationen

5. Anwendungen, die für Coriolis Durchflussmesser gemacht sind

Immer wenn sich die Zusammensetzung eines Mediums ändert oder die Anteile nicht bekannt sind, bietet sich ein Coriolis Durchflussmesser an. Dies gilt auch für Änderungen der Betriebsbedingungen, welche die thermischen Eigenschaften eines Mediums verändern und damit ein thermisches Messprinzip ungenau werden lassen. Hierzu gehören insbesondere Druck und Temperatur des Mediums bis hin zum überkritischen Bereich, welche bei Coriolisgeräten keinen Einfluss haben und stets genau und wiederholbar messen.