Der Coriolis Durchflussmesser ist einer der vielseitigsten Durchflussmesser auf dem Markt. Eines der wichtigsten Merkmale von  Durchflussmessgeräten mit Corioliseffekt ist die Tatsache, dass sie den Massenstrom messen. Es kann den Massenstrom, die Dichte und die Temperatur einer Flüssigkeit in einem Gerät messen. Dieser Artikel erläutert das Funktionsprinzip und was man messen kann.

TEIL 1: Der Coriolis-Effekt, das Funktionsprinzip des Coriolis-Durchflussmessers.

Der Coriolis-Effekt, das physikalische Prinzip der Coriolis-Durchflussmesser, ist nach dem französischen Wissenschaftler Gaspard-Gustave de Coriolis benannt. Andere Wissenschaftler hatten dieses Konzept bereits entdeckt, aber Coriolis schrieb den mathematischen Ausdruck dafür zunächst in einem 1835 veröffentlichten Papier über Wasserräder.  Das erste Gesetz der Bewegung nach Newton, auch bekannt als das Gesetz der Trägheit, besagt, dass ein Objekt im gleichen Zustand bleiben wird, entweder ruht oder sich gleichmäßig in einer geraden Linie bewegt, wenn keine äußeren Kräfte es beeinflussen. Dieses Gesetz gilt jedoch nur für einen trägen Bezugsrahmen. Was passiert in einem rotierenden Rahmen? Hier kommt der Coriolis-Effekt ins Spiel…

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Der Coriolis-Effekt auf ein Karussell

Lassen Sie uns sagen, Sie spielen mit einem Freund in einem Karussell, mit dem Freund in der Mitte und Sie am äußeren Rand und sie werfen sich einen Ball zu. Zum Zwecke dieses Beispiels nehmen wir an, dass Sie im Moment keinen Wind haben, was bedeutet, dass keine externen Kräfte den Weg des Balls stören. Wenn das Karussell still steht, wirft der Freund den Ball zu uns. Da es keinen Wind gibt, besagt Newtons erstes Bewegungsgesetz, dass der Ball von der Mitte nach außen zu dir in einer geraden Linie geht. Sagen wir jetzt, es gibt noch einen Freund. Diesmal, wenn der Freund in der Mitte den Ball wirft, geht er immer noch in einer geraden Linie im Rahmen dieses Trägheitssystems. Jedoch, wenn wir die Perspektive ändern, macht der Ball eine Kurve, und das ist der Coriolis-Effekt. Wenn wir das Beispiel analysieren, dann sehen wir, dass der Coriolis-Effekt eine Frage der Wahrnehmung beschreibt. Der Ball geht immer noch geradeaus, aber wir sehen, dass er eine Kurve macht, weil wir uns bewegen. Viele Menschen nennen es heute eher den Coriolis-Effekt als Coriolis-Kraft, da keine tatsächliche äußere Kraft auf den Ball wirkt. Aber für mathematische Zwecke sagen wir immer noch Coriolis-Kraft für die Trägheitskraft oder fiktive Kraft.

Die Mathematik, die die Coriolis-Kraft beschreibt. Wie ich bereits sagte, obwohl keine Kraft auf den Ball im Karussell-Beispiel wirkt, sehen die beiden Personen in der rotierenden Ebene, dass er eine Kurve macht. Wir können die Beschleunigung hier berechnen, weil die Trägheit des Balls proportional zu (a) der Geschwindigkeit des Balls in der geraden Linie und (b) die Geschwindigkeit der Karusselldrehung ist. Wir nennen dies die Coriolis-Beschleunigung und verwenden die folgende Formel, um sie zu beschreiben:

ac = 2*ω*v

  • ac = Coriolis-Beschleunigung
  • ω = Drehgeschwindigkeit (Karussell)
  • v = Geschwindigkeit senkrecht zur Drehachse (Ball in einer geraden Linie)

Wenn wir zurück zu Newtons Bewegungsgesetzen gehen, speziell zum zweiten, finden wir ein Verhältnis zwischen Kraft und Beschleunigung:

F = m*a

  • F = Kraft
  • m = Masse
  • a = Beschleunigung

Wenn wir also beide Seiten mit der Masse des Objekts, in unserem Beispiel der Kugel, multiplizieren und die Beschleunigung durch die Coriolis-Formel ersetzen, können wir die Coriolis-Kraft mit der folgenden Formel ermitteln:

Fc = m*2*ω*v

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Corioliskraft proportional zur Winkelgeschwindigkeit, Drehgeschwindigkeit und Masse ist. Das erklärt auch, warum Sie einen Coriolis-Durchflussmesser als Massenflussmesser verwenden können. Und, jetzt haben wir endlich über Durchflussmesser gesprochen!

TEIL 2: Massenstrommessung mit dem Coriolis-Effekt

Nun, da wir alles über den Coriolis-Effekt oder die Coriolis-Kraft wissen, lassen Sie uns sehen, wie man sie zur Messung des Durchflusses verwendet. Im Durchflussrohr eines Coriolis-Durchflussmessers befindet sich eine Antriebsspule, die das Rohr mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Das Rohr hat an beiden Enden Ein- und Ausgangsabnahmen. Diese Abnahmen messen die Bewegung des Rohres, die Frequenz, mit der das Rohr schwingt. Um zu verstehen, wie man den Durchfluss aus diesen Abnahme-Signalen misst, werden wir zwei Situationen betrachten> kein Durchfluss und mit Durchfluss.

Synchrone Signale bedeuten, dass es keinen Fluss gibt.

Stellen Sie sich vor, wir müssten einen Prozess stoppen und hätten keinen Durchfluss durch das Messrohr. Auch ohne Durchfluss schwingt die Antriebsspule des Zählers das Rohr weiter. So erzeugen die Abnahmen immer noch die Signalwellen aus der Vibration des Rohres. Die Signalwellen erzeugen die Bewegung einers Rohrs relativ zum anderen.

Berechnung des Massenstroms aus der Phasenverschiebung der Signale

Jetzt können wir den Prozess neu starten und wieder Fluss durch das Rohr haben. Die Strömung erzeugt in diesem Fall den Coriolis-Effekt, der eine kleine Drehung einer Zeitdifferenz zwischen den Ein- und Ausgangsabnahmen verursacht. Wenn wir die Signale analysieren, können wir sehen, dass die Wellen phasenverschoben sind und nicht mehr synchronisiert sind. Mit dieser kleinen Verzögerung zwischen den beiden Wellen können wir den Massenstrom berechnen. Die Rate ist direkt proportional zur Zeitverzögerung. Wir benötigen auch eine Temperaturmessung, um den Kompensationsfaktor zu berechnen. Als Nebenbemerkung möchte ich sagen, dass die Rohrfrequenz die Messung direkt beeinflussen kann. Wir haben ein Endress+Hauser-Handbuch ausgegraben und festgestellt, dass wir den Vibrationsbereich in einem Rohr von 50 bis 150 Hertz vorfinden. Wenn der Coriolis-Durchflussmesser im gleichen Bereich arbeitet, benötigen wir eine Art Vibrationshemmer, um Probleme zu vermeiden. Einige Messrohre arbeiten jedoch mit hohen Frequenzen wie 600 bis 1000 Hertz.

Warum brauchen wir verschiedene Rohre?

Wie bereits erwähnt, werden wir auf dem Markt Varianten von Zweirohr-Coriolis-Durchflussmessgeräten finden – gerade, geschlaufte oder gebogene Rohre. Für jede Option erhalten wir von den Anbietern Hinweise, wie dieser Stil die Anwendung verbessern kann. Abhängig von der Form unserer Wahl benötigen wir möglicherweise zusätzlichen Platz für die Installation des Zählers. Aber manchmal bringen kompakte Konstruktionen höhere Druckverluste als größere Formate. Das bedeutet, dass wir skalieren müssen, um die richtige Option für einen Prozess zu finden. Wir finden auch Einrohrmesssysteme auf dem Markt. Diese Art ist einfacher zu reinigen, hat einen geringeren Druckverlust und spaltet die Flüssigkeit im Inneren nicht auf. Allerdings hat es in der Regel eine geringere Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit als Doppelrohre.

Vor- und Nachteile von Coriolis-Masseflussmessern

Vorteile

  • Einfach zu implementieren in der Gas- und Flüssigkeitsdurchflussmessung
  • Keine Ein- und Auslaufstrecken erforderlich
  • Kann Massenstrom, Volumenstrom, Dichte und Temperatur messen.
  • Unterstützt Messungen unabhängig von Viskosität und Dichte der Flüssigkeit
  • Misst Massenstrom direkt

Nachteile

  • Kostet mehr als die meisten anderen Optionen
  • Hat begrenzten Temperaturbereich
  • Hat begrenzte Anwendungen in Mehrphasenflüssigkeiten

TEIL 3: Dichtemessung mit dem Coriolis-Effekt

Ein Coriolis-Durchflussmesser kann nicht nur den Durchfluss, sondern auch die Dichte messen. Einige von ihnen messen sogar die Viskosität! So wie wir die Zeitverzögerung zur Messung des Massenflusses nutzen, können wir einen anderen Aspekt eines Signals verwenden, um die Dichte einer Flüssigkeit zu berechnen, die durch ein Rohr fließt. Kannst Sie erraten, was? Nein? Wir benutzen eine Analogie, um es einfacher zu visualisieren. Stellen Sie sich vor, es gibt zwei identische Eimer, einen mit Wasser und den anderen mit einer gleichen Menge Quecksilber. Nun, wenn wir jeden von einer Stahlfeder hängen, und wir können – allein durch die Beobachtung der Bewegung der Federn- erkennen, welcher Eimer Wasser und welcher Quecksilber enthält. Die Antriebsspule im Coriolis-Durchflussmesser lässt das Messrohr mit seiner eigenen Frequenz schwingen, richtig?

Wenn man also die Dichte des Fluids ändert, ändert sich auch die Resonanzfrequenz des Rohres. Eine höhere Dichte reduziert sie, und eine niedrigere Dichte erhöht sie. Während des Kalibrierungsprozesses eines Coriolis-Durchflussmessers verwenden Entwickler verschiedene Flüssigkeiten, um die Genauigkeit ihrer Geräte zu erhöhen. So hat beispielsweise das PROMASS F 300/500 von Endress+Hauser eine Genauigkeit von +-0,0005 Gramm pro Kubikmeter. Ein Coriolis-Durchflussmesser kann auch die Temperatur messen, und das hat auch mit der Dichte zu tun. Wenn wir die Temperatur einer Flüssigkeit ändern, ändert sich auch ihre Dichte. So kann ein Coriolis-Durchflussmesser die Temperatur der Flüssigkeit messen und kompensieren. Sie können auch spezifische Dichtewerte wie Brix, Plato, Baumé und API berechnen.

Viskositätsmessung mit einem Coriolis-Durchflussmesser

Einige Marken können Viskosität messen. Endress+Hauser zum Beispiel hat die Technologie des PROMASS I patentiert. Sie nennen diese Technologie das Torsion Mode Balanced (TMB) System. Die Magie geschieht durch Torsion. Die Mitte des Rohres weist eine gegenläufige Masse auf.  Diese Bewegung übt eine Scherkraft auf das durch das Rohr strömende Fluid aus. Die Viskosität der Flüssigkeit verändert die Schwingung, und der Zähler liest diese Änderung, berechnet sie und wandelt sie in Zahlen um, die wir lesen können. Denken Sie daran, dass andere Technologien auf dem Markt auch Viskosität messen können. Aber hier haben wir ein Gerät, um dies zusammen mit Strömung, Dichte und Temperatur zu messen. Jeder mag ein Mehrzweckgerät, oder? Nochmals, ob wir einen guten Wert für all diese Funktionen in Ihrem Prozess erhalten, können nur Sie bestimmen.

Coriolis-Durchflussmesser Dichtemessanwendungen

Ein Coriolis-Durchflussmesser kann die Dichte von Flüssigkeiten, aber nicht von Gasen messen. Wenn wir Gasdichte benötigen, dann können Sie eine Technologie namens MEMS (micro-electro-mechanical system) verwenden. Und wenn wir einen Coriolis-Durchflussmesser verwenden, um nur die Dichte zu messen, dann müssten wir ihn nicht direkt an der Produktionslinie installieren. Wir können etwas Geld sparen, indem wir ein kleines Coriolis-Messgerät in einem Bypass installieren. Wie die Dichte kann auch die Viskositätsmessung die Prozessqualität anzeigen und zur Verbesserung der Prozessleistung beitragen. Wenn wir Ihren Coriolis-Durchflussmesser direkt in der Leitung installieren, können Sie Durchfluss, Dichte, Temperatur und vielleicht Viskosität auf einmal messen. Wenn wir nur die Viskosität messen wollen, dann können Sie den Bypass-Trick verwenden. Wir müssen nur entscheiden, welche Technologie uns am meisten Nutzen bringt.

Schlussfolgerung: Die besten Coriolis-Durchflussmesser auf dem Markt und etwas Bier.

Die Suche nach dem richtigen Gerät für Ihre Anwendung kann manchmal schwierig sein, da Sie aus vielen Optionen und Marken wählen können. Glücklicherweise haben wir einen weiteren Artikel, in dem wir eine Liste der besten Coriolis-Durchflussmesser auf dem Markt zusammengestellt haben. Sie verfügen über erweiterte Funktionen wie digitale Protokolle oder Zählerverifizierung, die bei Ihren täglichen Feldaktivitäten sehr hilfreich sein können.

Um mehr über Coriolis-Durchflussmesser zu erfahren, please ask our engineers!

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