Coriolis-Massendurchflussmesser
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Ein Coriolis-Massendurchflussmesser (CMD) ist ein Messgerät, das den Massenstrom von durchströmenden Flüssigkeiten oder Gasen misst. Das Messverfahren beruht auf dem Coriolis-Prinzip.
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[Bearbeiten] Aufbau
Ein Massendurchflussmesser wird aus einem oder zwei metallischen Rohren hergestellt, welche die Form eines Bogens, Halbkreises, Deltaform oder Vollkreises besitzen. Die einfachste Form ist ein Gartenschlauch der zwischen zwei Händen baumelt. Damit kann der Einfluss der Corioliskraft verdeutlicht werden.
[Bearbeiten] Funktion
Der Rohrbogen wird mittels Magneten in Schwingung - 80 .. 1000 Hz - versetzt. Die Drehachse ist die Basis des Bogens, also die Richtung von Zu- und Ablauf. Die Schenkel schwingen und vollziehen damit einen Teilkreis. Dabei ist die Bahngeschwindigkeit eines Punktes auf dem Schenkel um so größer, je größer der Abstand von der Drehachse ist.
[Bearbeiten] Ohne Durchfluss
Die beiden Schenkel des Rohrbogens, linker und rechter, schaukeln ohne zeitlichen Unterschied gleich. Von der Stirnseite der Anordnung aus gesehen bewegen sie sich deckungsgleich hintereinander.
Die Auslenkung des Rohres durch die Schwingung wird mit dem Auge nicht erkannt. Die Amplitude ist zu gering, sie kann jedoch mit der Hand gefühlt werden.
Die Frequenz des Ausgangssignals beträgt hier 
, wobei k die Federkonstante des Rohres und I das Massenträgheitsmoment (welches proportional zur Masse des im Rohr befindlichen Stoffes ist) ist. Somit ist dadurch die Dichte des Messobjektes bestimmbar.
[Bearbeiten] Mit Durchfluss
Wird das Rohr durchströmt, muss mit dem Eintritt des Fluids, z.B. in den linken Schenkel des Bogens, die Masse auf eine immer größere Bahngeschwindigkeit gebracht werden. Nach dem Trägheitsgesetz F = m * a wird deshalb der linke Schenkel verzögert = nacheilend. Dieses ist die Corioliskraft welche durch die Coriolisbeschleunigung entsteht. Das Medium im Scheitel des Bogens hat die maximale Bahngeschwindigkeit erreicht. Das Medium, welches im rechten Schenkel wieder auf die Drehachse zu fließt, erreicht ständig Orte geringerer Bahngeschwindigkeit. Die Trägheitskraft durch die Coriolisbeschleunigung drückt nun den Schenkel in Schwingungsrichtung vor. Der rechte Schenkel ist voreilend.
Schaut man sich wiederum die bewegte Rohrschleife von der Stirnseite an, so bewegen sich die beiden Schenkel nicht mehr hintereinander. Der zeitliche Unterschied hängt von der Schwingungsfrequenz, der Masse des Mediums und dessen Flussgeschwindigkeit ab. Somit ist dieses Verfahren eines, das in der Lage ist, den Massendurchfluss direkt zu messen, und nicht über die Ermittlung anderer Eigenschaften (Volumen, Dichte) bestimmt.
[Bearbeiten] Signalwandlung
Ein- und auslaufseitig sind am Schwingsystem Magnete montiert, welche in einer angrenzenden Spule eine bewegungsproportionale Spannung induzieren. Die so erzeugten Signale sind sinusförmig. Ohne Durchfluss sind beide Signale phasengleich. Bei steigendem Massedurchfluss erhöht sich die dadurch erzeugte Corioliskraft, was dazu führt, dass die beiden Signale zunehmend eine proportionale Phasenverschiebung aufweisen. Der Phasenwinkelversatz ist das Maß für den Massestrom.
[Bearbeiten] Anwendung
Je nach Medium, ob Gase oder Flüssigkeiten (=Masse), oder Flussgeschwindigkeit werden Rohre mit unterschiedlichen Innendurchmessern eingesetzt (Messbereiche von 20 g/h bis 680 t/h sind möglich). Mit ihnen kann eine Durchflussmessung mit einer Genauigkeit von bis zu ± 0,05% vom MW erzielt werden. Ausführungen für den Eichpflichtigen Verkehr stehen auch zur Verfügung. Das Messgerät ist für Mehrphasenströmung nur bedingt geeignet, da sich die ungleichmäßige Dichteverteilung im Messrohr ungünstig auf das Schwingsystem auswirken kann. Sind die Phasen hingegen homogen gemischt, lassen sich über die Dichtemessung und Kenntnis der Fluideigenschaften zwei Phasen anteilmäßig berechnen (z.B. gelöster Zucker in Wasser, kann direkt in Brix umgerechnet und ausgegeben werden). Der Druckverlust variiert je nach Bauform, Rohrinnendurchmesser und Mediumseigenschaft. Die Sensoren besitzen keine Spalten und lassen sich daher auch in der Lebensmittelindustrie oder Pharmazie exzellent einsetzen. Die Resonanzfrequenz des Schwingsystems ist nebst den mechanischen Eigenschaften des Messrohrs (bzw. der Rohre) von der Dichte des zu messenden Mediums abhängig. Temperaturausdehnungen in Messrohr(en) und Trägerstruktur verändern die Frequenz zudem. Daher wird in der Regel die Temperatur an Messrohr und Trägerstruktur gemessen und zur Temperaturkompensation herangezogen. So kann die Dichte mit einer Genauigkeit von ± 0,2 kg/m³ präzise erfasst und bei Kenntnis der Stoffdaten auch gleich Temperatur-kompensiert ausgegeben werden. Viele Anwender schätzen gerade die Dichtemessung und setzen sie gezielt als Qualitätskontrolle ein. Gerade herkömmliche Dichtemessgeräte kosten oft ein Vielfaches bei ähnlicher Genauigkeit. Weitere Einsatzbereiche sind unter anderem: Erdgaszapfsäulen, Pipeline Verrechnungsmessungen, Dosieranlagen, LKW/Bahnverladung, Prüfstandsbau etc. Es stehen Geräte für Hohe Temperaturen von bis zu 425°C und Drücke von bis zu 345 bar zur Verfügung. Einsatz in explosionsgefährteten Bereichen ist ebenso möglich.
