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Hochgenaue Messwerte auf nur 150 mm Länge: Ausgabe 19/2019, 21.11.2019

Hochgenaue Messwerte auf nur 150 mm Länge

Wenn kleinste Massenströme zu bestimmen sind, kommen bisher in der Regel Coriolis- Durchflussmesser mit nur einem Messrohr zum Einsatz: Der Grund hierfür ist das Gewicht der Sensorspulen. Bei 2-Rohr-Coriolis-Sensoren werden die Sensorspulen auf einem der beiden Messrohre angebracht, was Gewicht bedeutet. Durch das Anbringen der Sensoren zwischen den Spulen spart man Gewicht und erhöht die Genauigkeit.

Bilder: Heinrichs Messtechnik

2-Rohr-Coriolis-Duchflussmesser, bei denen die Sensorspulen auf einem der Messrohre angebracht sind, haben bei sehr kleinen RohrDurchmessern ein hohes Gewicht im Vergleich zum Gewicht der Messrohre auf denen sie angebracht werden. Mit abnehmendem Messrohrdurchmesser beeinflussen die Sensorspulen über ihr Gewicht das Messergebnis. Aus diesem Grund werden für die Messung von Kleinstmengen Coriolis-Sensoren mit nur einem Messrohr verwendet, bei denen die Sensorspulen dann am Gehäuse und nicht mehr auf dem Messrohr angebracht sind.

Sensorspulengewicht spielt nun keine Rolle mehr für Messrohre
Mit dieser Konstruktion können jedoch schon leichte Stösse und Vibrationen die Messwerte verfälschen. Um die Empfindlichkeit zu reduzieren und trotzdem kleinste Mengen zuverlässig messen zu können, entwickelte die zur Kobold-Gruppe gehörende Heinrichs Messtechnik GmbH das Prinzip des 2-Rohr-Coriolis-Durchflussmessers weiter: Die Sensorspulen werden nun nicht mehr direkt auf den Messrohren angebracht, sondern dazwischen. Dadurch sind die Messrohre dem Gewicht der Sensorspulen nicht mehr ausgesetzt, wodurch auch sehr kleine Messrohr-Durchmesser im 2-Rohr-Coriolis-Sensor möglich sind.
Das Ergebnis ist der laut Hersteller kleinste Zweirohr-Coriolis-Masse-Durchflussmesser der Welt: der High Performance Coriolis (HPC). Auf nur 150 mm lassen sich nun hochgenaue Messwerte mit einer maximalen Abweichung von ±0,1 % erreichen. Dabei zeigt sich der sehr kompakte Durchflussmesser unempfindlich gegenüber Temperaturen bis 180 °C, Drücken bis 600 bar sowie gegenüber starken Vibrationen.

Kleinster Coriolis-Durchflussmesser im Doppelrohr-Design
«Bei einer Betrachtung des Markts ist uns die Angebotslücke bei der Messung kleinster Durchflussmengen aufgefallen», erklärt Frank Schramm, Geschäftsführer der Heinrichs Messtechnik GmbH. «Das Problem derzeit ist, dass der Stand der Technik die Verwendung zweier Messrohre vorsieht, auf denen auf einem Rohr Magnete befestigt sind und auf dem anderen die Sensor- und Erregerspulen. Für sehr kleine Durchflussmengen hat dieses Prinzip jedoch eine entscheidende Grenze. Wenn nun speziell bei geringen Masseströmen die Messrohre einen Durchmesser von nur 1 mm aufweisen, beeinflusst das Eigengewicht der Spulen durch deren Schwingverhalten das Ergebnis der Messung.» Deswegen werden bei diesen Anwendungen in der Regel EinrohrSysteme genutzt, bei denen die Spulen an der Gehäusewand der Sensoren angebracht sind. Diese haben jedoch den Nachteil, dass das zweite Rohr als Messwertreferenz wegfällt und sie aufgrund der Anbringung der Sensorspulen an der Gehäusewand anfälliger für Vibrationen oder andere Störeinflüsse sind. Aus diesem Grund hat sich die Heinrichs Messtechnik GmbH das Ziel gesetzt, einen hochgenauen und stossunempfindlichen Coriolis-Massendurchflussmesser zu entwickeln. Entstanden ist der High Performance Coriolis – kurz HPC – der mit 150 mm Gehäuselänge bisher kleinste Coriolis-Durchflussmesser im Doppelrohr-Design.

Weniger Störeinflüsse durch neue Positionierung der Sensorspulen
«Aufgrund der Empfindlichkeit von EinrohrCoriolis müssen diese häufig aufwendig mechanisch entkoppelt werden, wodurch sie nicht für jeden Prozess geeignet sind. Wir mussten also einen Weg finden, wie trotz der kleinen Grösse zwei Messrohre zum Einsatz kommen können», führt Schramm aus. Da das Gewicht der Spulen das Grundproblem darstellt, die gegenüber der Schleife mit einem Durchmesser von nur 1,5 mm deutlich schwerer sind, setzte Heinrichs Messtechnik hier an: Statt die Spulen auf die Rohre zu montieren, wurden sie auf einer Platine positioniert, die zwischen den Messrohren angebracht wird. Somit wurde gleichzeitig die Anzahl der Sensorspulen von zwei auf vier erhöht, wodurch sich eine höhere Auflösung ergibt. Auf den Messrohren sind nur sehr leichte Magnete befestigt, die mit ihrem geringen Gewicht von weniger als 0,08 g keinen mechanischen Einfluss auf das Schwingverhalten der Messrohre mehr haben. Um die Herstellungskosten gering zu halten, setzt Heinrichs Messtechnik statt wie bisher Löttechnik nun einen speziellen Laserschweissprozess zur Befestigung der Magnete und Fixierung der Messrohre ein. Somit ist nicht nur eine spannungsfreie Verschweissung möglich, auch aufwändiges Löten im Vakuumofen entfällt.

Unempfindlich gegen äussere Einflüsse
Durch das Doppelrohr-Design zeigt sich der neue HPC äusserst unempfindlich gegenüber äusseren Einflüssen, so dass man ein präzises Ergebnis mit einer maximalen Abweichung von ±0,1 % vom Mittelwert und eine Nullpunktstabilität zwischen 0,001 und 0,005 erreichen kann. Eine mechanische Entkopplung ist im Normalfall nicht notwendig. Aufgrund der hohen Arbeitsfrequenz der Messrohre von über 200 Hz wird zuverlässig verhindert, dass sich Schwingungen oder ähnliche Anlagenvibrationen einkoppeln; Fehlermeldungen werden so vermieden. Da die Sensoren nun auf der unbewegten Platine angebracht sind und nicht mehr auf den Rohren, ist keine offene Verdrahtung wie bei marktüblichen Geräten mehr nötig. Diese stellt häufig eine Schwachstelle dar, da der Draht oder das Verbindungsmaterial in gleicher Frequenz wie die Messrohre schwingen.

Keine Verschweissungen mehr nötig
Der HPC besteht – abgesehen von den mittels Laser angeschweissten Schleifen – im Wesentlichen aus einem mit Bohrungen versehenen, massiven Edelstahlblock. Darüber hinaus wurde das Gerät um einen Splitter am Zulauf der Schleifen reduziert. Stattdessen verfügt der HPC über ein Reservoir – über den Prozessdruck verteilt sich die Flüssigkeit exakt in den Messrohren und die Strömung wird nicht durch einen Splitter gestört. So sind auch hier kein zusätzliches Bauteil und kein Verschweissen mehr nötig. Dies führt dazu, dass das Gerät höchst robust ist und selbst Temperaturen bis 180°C sowie Drücken bis 600 bar standhält. «Prinzipiell sind aber auch Ausführungen in Hastelloy oder anderen Legierungen bestellbar», merkt Schramm an.

Variables Montagekonzept
Für die flexible Installation werden verschiedene Varianten des HPC angeboten: Neben der Inline-Version, die sich direkt in die Prozessleitungen einsetzen lässt, sind noch drei weitere Modelle verfügbar, die sich entweder zur Befestigung mit Wandhalterungen oder zur Tischanbringung eignen. «Bei unserem Tischmodell sind zwei Optionen wählbar: die Anordnung der Messrohre oberhalb oder unterhalb der Leitung. Für Gasmessungen ist die Orientierung nach oben empfehlenswert, um Probleme mit Flüssigkeiten zu vermeiden. Das gleiche gilt auch umgekehrt», so Schramm. Insgesamt sind die Geräte für drei Messbereiche erhältlich: 0 bis 20, 0 bis 50 und 0 bis 160 kg/h. Auf Wunsch sind auch weitere Anpassungen möglich, beispielsweise kundenspezifische Gehäuse, Stecker oder Schnittstellen. Speziell für die Chemie- und Halbleiterindustrie können zudem verschweisste Edelstahlgehäuse geliefert werden.

Mit High-End-Simulationen schnell zum Entwicklungserfolg
Die gesamte Entwicklungsphase nahm lediglich eineinhalb Jahre in Anspruch. Damit diese kurze Zeitspanne erreicht werden konnte, setzte Heinrichs Messtechnik eine neue Simulationstechnologie ein. «Auf diese Weise konnten wir die Anzahl der Prototypen und damit der Kostenfaktor Entwicklung stark reduzieren», zeigt sich Schramm zufrieden. Mithilfe der Simulationstechnologie ist es darüber hinaus möglich, kundenspezifische Anforderungen zu erfassen und so in kürzester Zeit individuelle Lösungen zu finden.

Infoservice
Kobold Instruments AG
Birchlenstrasse 46, 8600 Dübendorf
Tel. 044 801 99 99, Fax 044 801 99 98
info.ch@kobold.com, www.kobold.com



Mit dem High Performance Coriolis lassen sich auf nur 150 mm hochgenaue Messwerte mit einer maximalen Abweichung von ±0,1 % erreichen


Mit dem High Performance Coriolis lassen sich auf nur 150 mm hochgenaue Messwerte mit einer maximalen Abweichung von ±0,1 % erreichen


Der HPC besteht – abgesehen von den angeschweissten Schleifen – im Wesentlichen aus einem massiven Edelstahlblock


Frank Schramm, Geschäftsführer der Heinrichs Messtechnik GmbH


Die Entwicklungszeit nahm dank Simulationstechnologie nur eineinhalb Jahre in Anspruch