Durchflussmesser

Klein und doppelt oho

Heinrichs Messtechnik GmbH entwickelte das Prinzip des Zweirohr-Coriolis-Durchflussmessers weiter. Das Gerät im Doppel-Messrohr-Design ist extrem klein und unempfindlich gegen Drücke, Stöße und Vibrationen.

15. Oktober 2018
Bild: Heinrichs Messtechnik GmbH
Bild 1: Klein und doppelt oho (Bild: Heinrichs Messtechnik GmbH)

Wenn kleinste Massenströme bestimmt werden müssen, kommen bisher in der Regel Coriolis-Durchflussmesser mit nur einem Messrohr zum Einsatz. Der Grund hierfür ist das Gewicht der Sensorspulen: Bei Zweirohr-Coriolis-Sensoren werden die Sensorspulen auf einem der beiden Messrohre angebracht und haben deshalb bei sehr kleinen Rohrdurchmessern ein hohes Gewicht im Vergleich zu dem der Messrohre, auf denen sie angebracht werden. Mit abnehmendem Messrohrdurchmesser beeinflussen sie so das Messergebnis.

Schon leichte Stöße und Vibrationen können die Werte verfälschen. Um die Empfindlichkeit zu reduzieren und trotzdem Mengen größer null Kilogramm pro Stunde zuverlässig messen zu können, entwickelte die Heinrichs Messtechnik GmbH das Prinzip des Zweirohr-Coriolis-Durchflussmessers weiter: Die Sensorspulen werden nun nicht mehr direkt auf, sondern zwischen den Messrohren angebracht, wodurch auch sehr kleine Messrohrdurchmesser möglich sind.

Das Ergebnis ist laut Angaben des Herstellers der kleinste Zweirohr-Coriolis-Masse-Durchflussmesser der Welt: der High Performance Coriolis (HPC). Auf nur 150 Millimeter können nun hochgenaue Messwerte mit einer maximalen Abweichung von ± 0,1 Prozent erreicht werden. Dabei zeigt sich das Gerät unempfindlich gegenüber Temperaturen bis 180 Grad Celsius, Drücken bis 600 bar sowie starken Vibrationen. 

Angebotslücke

»Bei einer Betrachtung des Markts ist uns die Angebotslücke bei der Messung kleinster Durchflussmengen aufgefallen«, erklärt Frank Schramm, Geschäftsführer bei 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 einem Millimeter 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, der mit 150 Millimetern Gehäuselänge bisher kleinste Coriolis-Durchflussmesser im Doppelrohr-Design.

»Aufgrund der Empfindlichkeit von Einrohr-Coriolis 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.

Auf die Platine montiert

Da das Gewicht der Spulen das Grundproblem darstellt, die gegenüber der Schleife mit einem Durchmesser von nur 1,5 Millimetern deutlich schwerer sind, setzte Heinrichs Messtechnik hier an: Statt die Spulen auf die Rohre zu montieren, entschied sich der Hersteller dazu, sie auf einer Platine zu positionieren, 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 Gramm 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. Auf diese Weise ist nicht nur eine spannungsfreie Verschweißung möglich, auch aufwendiges Löten im Vakuumofen entfällt.

Unempfindlich

Durch das Doppelrohr-Design zeigt sich der neue HPC äußerst unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, sodass ein präzises Ergebnis mit einer maximalen Ab-weichung von ± 0,1 Prozent vom Messwert und eine Nullpunktstabilität zwischen 0,001 und 0,005 erreicht werden 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 Anlagen-vibrationen einkoppeln; Fehler-meldungen werden so vermieden. 

Da die Sensoren nun auf der unbewegten Platine und nicht mehr auf den Rohren angebracht sind, 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. 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 180Grad Celsius 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 Tisch-Modell 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«, bemerkt Schramm. Insgesamt sind die Geräte für drei Messbereiche erhältlich: 0 bis 20, 0 bis 50 und 0 bis 160 Kilogramm pro Stunde. 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. 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 konnte die Anzahl der Prototypen und damit der Kostenfaktor Entwicklung stark reduziert werden«, 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. Geplant sind außerdem ATEX- und IECEx-Zulassungen sowie eine Patentierung der Technologie. Zudem arbeitet Heinrichs Messtechnik an einem neuen Transmitter mit kleineren Maßen und flexiblen Schnittstellen, der mit dem HPC kompatibel sein soll. 

Erschienen in Ausgabe: 06/2018