Ein Coriolis-Durchflussmesser misst seit mehreren Jahren eine feststoffhaltige Suspension. Der angezeigte Massedurchfluss wirkt weiterhin plausibel und auch im normalen Prozessbetrieb sind keine offensichtlichen Störungen erkennbar. Bei der regelmäßig durchgeführten Nullpunktprüfung fällt jedoch auf, dass sich der dokumentierte Nullpunkt von Wartung zu Wartung langsam verändert.
Ist damit bereits bewiesen, dass die Messrohre durch abrasive Partikel verschlissen sind? Nicht zwangsläufig. Feststoffe können die Innenwand eines Coriolis-Messrohres tatsächlich mechanisch abtragen und dadurch dessen Wandstärke, Steifigkeit und Schwingungsverhalten verändern. Gleichzeitig reagieren Nullpunkt und weitere Diagnosegrößen jedoch auch auf Ablagerungen, Gasblasen, Rohrleitungsspannungen, Vibrationen, wechselnde Feststoffkonzentrationen oder veränderte Temperaturbedingungen.
Genau deshalb ist ein einzelner Prozess- oder Diagnosewert nur eingeschränkt als Verschleißindikator geeignet. Besonders aussagekräftig wird die Zustandsbewertung, wenn mehrere voneinander möglichst unabhängige Größen über längere Zeit gemeinsam betrachtet werden. Dazu gehören unter anderem der Nullpunkttrend, die Dichtemessung unter definierten Referenzbedingungen, Messrohrsteifigkeit beziehungsweise Tube Health, Erregerleistung und Schwingungsverhalten sowie die gesamte Betriebs- und Wartungshistorie.
Der entscheidende Vorteil einer solchen Trendüberwachung besteht darin, dass Veränderungen bereits erkannt werden können, bevor der Coriolis-Durchflussmesser einen offensichtlich falschen Prozesswert liefert. Gerade bei abrasiven Anwendungen ist das wichtig. Ein Messrohr kann sich mechanisch langsam verändern, während Massedurchfluss und Dichte im laufenden Prozess zunächst noch plausibel erscheinen.
Für eine belastbare Bewertung muss allerdings bereits bei der Inbetriebnahme ein geeigneter Ausgangszustand dokumentiert werden. Ein später gemessener Tube-Health-Wert ist deutlich wertvoller, wenn bekannt ist, wie derselbe Sensor im Neuzustand unter denselben Installationsbedingungen reagiert hat. Dasselbe gilt für Nullpunkt, Dichte mit einem bekannten Referenzmedium und typische Erregerwerte.
Auch die Auslegung der Messstelle beeinflusst den späteren Verschleiß erheblich. Partikelhärte, Größe, Form und Konzentration sind ebenso wichtig wie Strömungsgeschwindigkeit, Messrohrwerkstoff, Einbaulage und Strömungsführung unmittelbar vor dem Sensor. Ein chemisch hervorragend beständiger Werkstoff ist nicht automatisch auch optimal gegen abrasive Belastung.
Bei abrasiven Coriolis-Anwendungen sollte deshalb nicht erst auf einen deutlich falschen Durchflusswert oder einen mechanischen Messrohrschaden gewartet werden. Sinnvoller ist eine Zustandsüberwachung, die bereits im Neuzustand eine Baseline erfasst und Nullpunkt, Dichte, Tube Health und weitere Diagnosewerte anschließend systematisch als Trend über die Betriebszeit verfolgt.
Warum ist das Messrohr beim Coriolis-Verfahren so wichtig?
Bei einem Coriolis-Durchflussmesser ist das Messrohr nicht lediglich eine hydraulische Verbindung, durch die das Medium strömt. Es ist gleichzeitig ein zentraler Bestandteil des eigentlichen Messsystems. Je nach Sensorkonstruktion werden ein oder mehrere Messrohre kontrolliert in Schwingung versetzt.
Fließt Masse durch diese schwingenden Rohre, entstehen aufgrund der Corioliskraft charakteristische Veränderungen der Rohrbewegung. Sensoren erfassen die Schwingung beziehungsweise die Phasenverschiebung zwischen verschiedenen Bereichen des Messrohres. Aus diesem Verhalten wird der Massedurchfluss bestimmt.
Auch die Dichtemessung ist eng mit dem mechanischen Zustand des Messsystems verbunden. Die Resonanzfrequenz der gefüllten Messrohre verändert sich in Abhängigkeit von der Masse des Mediums und ermöglicht dadurch die Bestimmung der Dichte.
Genau daraus ergibt sich gleichzeitig eine besondere Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Veränderungen. Wird die Messrohrwand durch Abrasion oder Korrosion dünner, lagert sich Material auf der Innenwand ab oder verändert sich die mechanische Einspannung, verändert sich ein Bestandteil des eigentlichen Messprinzips.
| Veränderung am Messsystem | Möglicher Einfluss | Typischer Diagnoseansatz |
|---|---|---|
| Abrasion / Erosion | geringere Wandstärke und veränderte Steifigkeit | Tube Health, Nullpunkt- und Dichtetrend |
| Korrosion | Materialverlust und gegebenenfalls lokale Schwächung | Werkstoffbewertung und Zustandsdiagnose |
| Ablagerungen | zusätzliche Masse und veränderte Schwingungsdämpfung | Drive Level, Dichte und Reinigungskontrolle |
| Mechanische Rohrspannung | veränderte Randbedingungen der Schwingung | Nullpunkt und Einbausituation prüfen |
| Gasblasen | instabile Schwingung und Dichtebestimmung | Prozessbedingungen und Diagnosewerte vergleichen |
Ein Coriolis-Sensor sollte deshalb bei anspruchsvollen Medien nicht ausschließlich anhand des aktuellen Durchflusswertes beurteilt werden. Seine mechanische Zustandsentwicklung ist ebenso wichtig.
Wie entsteht Abrasion im Messrohr?
Abrasion bezeichnet den mechanischen Materialabtrag durch Feststoffpartikel im strömenden Medium. Typische Anwendungen sind mineralische Suspensionen, Schlämme, Bohrspülungen, Sand-Wasser-Gemische, Kalk- oder Kreidesuspensionen sowie Flüssigkeiten mit Metall-, Mineral- oder Kristallpartikeln.
Während der Strömung treffen diese Partikel immer wieder auf die Innenwand des Messrohres. Dabei kann abhängig von Partikelgröße, Form, Härte, Konzentration, Strömungsgeschwindigkeit und Auftreffwinkel Material abgetragen werden.
Der Verschleiß erfolgt nicht zwingend gleichmäßig über die gesamte Rohrlänge. Besonders Bereiche mit Strömungsumlenkungen oder lokal erhöhter Partikelkonzentration können stärker belastet werden. Bei gebogenen Messrohren kann deshalb die lokale Strömungsführung einen erheblichen Einfluss auf das Verschleißbild haben.
Auch die Trägerflüssigkeit spielt eine Rolle. Ein viskoses Medium kann Partikel anders führen als eine dünnflüssige Flüssigkeit. Dadurch verändern sich sowohl Partikelgeschwindigkeit als auch Auftreffverhalten.
Welche Partikeleigenschaften beeinflussen den Verschleiß?
Die pauschale Information „Medium enthält Feststoffe“ reicht für eine belastbare Geräteauslegung nicht aus. Zwei Suspensionen mit demselben Feststoffanteil können vollkommen unterschiedliche abrasive Eigenschaften besitzen.
Feine, relativ weiche Partikel in einer viskosen Trägerflüssigkeit verhalten sich beispielsweise anders als scharfkantiger Quarzsand in Wasser. Besonders relevante Größen sind Feststoffanteil, mittlere und maximale Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung, Härte, Form und Dichte der Feststoffe sowie die Viskosität der Flüssigkeit.
Auch die Stabilität der Suspension muss berücksichtigt werden. Sedimentieren schwere Partikel bei geringer Strömungsgeschwindigkeit, kann sich innerhalb des Sensors eine ungleichmäßige Feststoffverteilung bilden. Dadurch können sowohl Messabweichungen als auch lokal erhöhte mechanische Belastungen entstehen.
| Einflussgröße | Tendenz bei abrasiver Belastung | Praktische Bedeutung |
|---|---|---|
| Partikelhärte | harte Partikel können stärkeren Materialabtrag verursachen | Werkstoff nicht nur nach Korrosion auswählen |
| Partikelform | scharfkantige Partikel können aggressiver wirken | reale Partikelform berücksichtigen |
| Feststoffkonzentration | mehr Partikelkontakte mit der Rohrwand | Belastung über Betriebszeit bewerten |
| Strömungsgeschwindigkeit | höhere Relativgeschwindigkeit kann Abrasion erhöhen | Sensor nicht unnötig klein dimensionieren |
| Viskosität | beeinflusst Partikelbewegung und Sedimentation | Trägerfluid in Auslegung einbeziehen |
| Partikelgrößenverteilung | grobe und feine Anteile wirken unterschiedlich | nicht nur mittlere Korngröße betrachten |
Warum die Strömungsgeschwindigkeit entscheidend ist
Bei abrasiven Medien ist eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit nicht automatisch vorteilhaft. Zwar kann eine gewisse Geschwindigkeit notwendig sein, um eine Suspension homogen zu halten und Sedimentation zu vermeiden. Mit zunehmender Relativgeschwindigkeit zwischen Partikel und Messrohrwand kann jedoch gleichzeitig der mechanische Materialabtrag deutlich steigen.
Ein Coriolis-Durchflussmesser sollte deshalb nicht unnötig klein gewählt werden, nur damit der normale Prozessdurchfluss einen möglichst großen Anteil des Nennmessbereiches ausnutzt. Eine kleinere Nennweite bedeutet bei gleichem Volumenstrom eine höhere mittlere Strömungsgeschwindigkeit und damit möglicherweise eine höhere abrasive Belastung.
Die optimale Auslegung ist deshalb ein Kompromiss zwischen Messperformance, Druckverlust, Geschwindigkeit, Selbstreinigung, Sedimentationsrisiko und erwarteter Lebensdauer.
Für stark abrasive Anwendungen sollte die zulässige beziehungsweise sinnvolle Strömungsgeschwindigkeit anhand der konkreten Prozess- und Partikeldaten mit dem Gerätehersteller abgestimmt werden.
Einlaufströmung und Rohrbögen beachten
Coriolis-Durchflussmesser benötigen für ihre eigentliche Messfunktion häufig keine langen klassischen Ein- und Auslaufstrecken. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Strömungsführung bei abrasiven Medien vollkommen unbedeutend ist.
Befindet sich unmittelbar vor dem Sensor ein 90°-Rohrbogen, ein Regelventil, ein Reduzierstück oder beispielsweise ein Pumpenaustritt, können stark asymmetrische beziehungsweise verwirbelte Strömungsprofile entstehen.
Abrasive Partikel können dadurch lokal mit höherer Konzentration oder ungünstigem Winkel auf bestimmte Bereiche der Messrohre treffen. Das kann den Materialabtrag an diesen Stellen erhöhen, auch wenn das Messprinzip selbst weiterhin korrekt funktioniert.
Bei besonders abrasiven Anwendungen kann deshalb eine ruhigere und möglichst symmetrische Einströmung sinnvoll sein. Die Frage lautet dann nicht nur, welche Einlaufbedingungen das Messprinzip benötigt, sondern auch, welche Strömungsführung den mechanischen Angriff auf die Messrohre minimiert.
Einbaulage bei Suspensionen richtig wählen
Bei feststoffhaltigen Flüssigkeiten muss die Einbaulage so gewählt werden, dass weder Sedimentation noch Gasansammlungen begünstigt werden. Besonders bei schweren Feststoffen kann ein Sensor bei niedriger oder unterbrochener Strömung ansonsten teilweise mit abgesetztem Material gefüllt bleiben.
Eine vertikale Installation mit Durchflussrichtung nach oben kann bei sedimentierenden Suspensionen vorteilhaft sein. Sie unterstützt die Mitnahme der Feststoffe und reduziert das Risiko, dass sich schwere Partikel dauerhaft in tiefer liegenden Bereichen sammeln.
Die konkrete Einbaulage hängt allerdings immer von der Sensorkonstruktion und den Herstellerangaben ab. Bei gebogenen Messrohren können andere Vorgaben gelten als bei geraden Rohrgeometrien.
Eine ungünstige Einbaulage kann nicht nur Ablagerungen fördern, sondern auch Gasblasen einschließen. Beides kann Dichtemessung, Nullpunktstabilität und Schwingungsverhalten beeinflussen.
Messrohrwerkstoff richtig auswählen
Bei der Werkstoffauswahl müssen chemische Korrosion und mechanische Abrasion getrennt betrachtet werden. Ein Werkstoff kann chemisch hervorragend gegen ein Prozessmedium beständig sein und gleichzeitig gegenüber harten Partikeln einen ungünstigen abrasiven Verschleiß zeigen.
Umgekehrt kann ein mechanisch robuster Werkstoff chemisch ungeeignet sein. Die Auswahl muss deshalb immer auf der Kombination aus Prozessmedium, Temperatur, Feststoffart, Partikelhärte, Konzentration, Strömungsgeschwindigkeit und Prozessdruck basieren.
Beim SITRANS FCS600 stehen beispielsweise messstoffberührte Ausführungen aus AISI 316L und Alloy 22 zur Verfügung. Alloy 22 besitzt für zahlreiche Anwendungen eine hohe chemische Korrosionsbeständigkeit. Daraus darf jedoch nicht automatisch geschlossen werden, dass dieser Werkstoff in jeder Suspension die höhere Abrasionsbeständigkeit besitzt.
Der chemisch beständigere Werkstoff ist nicht automatisch der mechanisch verschleißfestere Werkstoff. Für abrasive Anwendungen müssen beide Belastungsmechanismen gemeinsam bewertet werden.
Was verändert sich bei dünner werdender Messrohrwand?
Wird die Wand eines Messrohres durch Abrasion oder Korrosion dünner, verändert sich nicht nur dessen Festigkeit. Auch die mechanischen Eigenschaften des schwingenden Messsystems ändern sich.
Betroffen sein können insbesondere Rohrsteifigkeit, Masse, Eigenfrequenz, Resonanzverhalten, mechanische Symmetrie und das Verhalten gegenüber dem elektromagnetischen Erreger. Bei lokalem Materialabtrag kann zusätzlich eine Asymmetrie entstehen.
Diese Veränderungen können sich wiederum auf Massedurchflussmessung, Dichtebestimmung und Nullpunkt auswirken. Entscheidend ist jedoch, dass ein beginnender Verschleiß nicht sofort einen offensichtlich falschen Durchflusswert erzeugen muss.
Genau hier liegt der Nutzen der Zustandsdiagnose. Mechanische Veränderungen können unter Umständen früher als Trend sichtbar werden, bevor die normale Prozessanzeige auffällig wird.
Was sagt der Nullpunkttrend aus?
Der Nullpunkt eines Coriolis-Durchflussmessers beschreibt das Verhalten des Sensors bei vollständig gefülltem Messsystem und tatsächlich null Durchfluss. Unter reproduzierbaren Bedingungen sollte dieser Wert über längere Zeit möglichst stabil bleiben.
Wird die Nullpunktprüfung regelmäßig unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt, kann die zeitliche Entwicklung zu einer wertvollen Diagnosegröße werden.
| Zeitpunkt | Beobachtung | Bewertung |
|---|---|---|
| Inbetriebnahme | Referenzwert erfassen | Baseline für spätere Vergleiche |
| nach 6 Monaten | Wert nahezu unverändert | unauffällige Entwicklung |
| nach 12 Monaten | leichte reproduzierbare Verschiebung | Trend weiter beobachten |
| nach 18 Monaten | weitere Veränderung in gleicher Richtung | weitere Diagnosegrößen vergleichen |
| später deutlich außerhalb des Ausgangszustands | Trend bestätigt | Ursache untersuchen und Wartungsmaßnahme bewerten |
Eine kontinuierliche Veränderung kann darauf hinweisen, dass sich mechanische oder prozesstechnische Bedingungen des Sensors verändert haben. Der Nullpunkt ist deshalb gut für Trendüberwachung geeignet, aber nicht spezifisch genug, um allein eine Aussage wie „Messrohr verschlissen“ zu rechtfertigen.
Warum Nullpunktdrift nicht automatisch Verschleiß bedeutet
Der Nullpunkt reagiert nicht ausschließlich auf die Wandstärke der Messrohre. Mechanische Rohrleitungsspannungen, geänderte Halterungen, Vibrationen, Gasblasen, Ablagerungen, inhomogene Suspensionen und Temperaturbedingungen können den Wert ebenfalls beeinflussen.
Besonders problematisch ist eine Nullpunktprüfung, bei der der Prozess nur scheinbar stillsteht. Ist ein Absperrventil nicht vollständig geschlossen oder besteht ein geringer Restdurchfluss, wird dieser vom Messsystem als vermeintlicher Nullpunktfehler interpretiert.
Für eine reproduzierbare Prüfung muss der Sensor vollständig mit Medium gefüllt sein, ohne eingeschlossene Gasblasen. Der Durchfluss muss tatsächlich null sein und Temperatur sowie Prozesszustand sollten möglichst stabil bleiben.
Ein veränderter Nullpunkt ist deshalb ein Diagnosehinweis, aber kein alleiniger Beweis für Messrohrverschleiß.
Kann die Dichtemessung auf Messrohrverschleiß hinweisen?
Die Dichtemessung eines Coriolis-Gerätes basiert auf dem Resonanzverhalten des gefüllten Messrohres. Ändert sich die mechanische Struktur des Rohres, kann sich deshalb grundsätzlich auch die berechnete Dichte verändern.
Ein langfristiger Dichtetrend kann somit für die Zustandsüberwachung interessant sein. Gleichzeitig ist die Dichte aber eine reale Prozessgröße. Bei einer Suspension verändert sie sich bereits, wenn sich Feststoffkonzentration, Zusammensetzung, Temperatur oder Gasanteil ändern.
Eine Dichteabweichung wird deshalb erst dann zu einem belastbaren Geräteindikator, wenn sie unter bekannten und reproduzierbaren Referenzbedingungen betrachtet wird.
Wird während einer Wartung beispielsweise regelmäßig dasselbe Referenzmedium bei vergleichbarer Temperatur eingesetzt und zeigt das Gerät über Jahre eine fortschreitende Dichteverschiebung, ist diese Entwicklung diagnostisch wesentlich relevanter als eine Dichteänderung während eines wechselnden Produktionsprozesses.
Messrohrsteifigkeit als Zustandsgröße
Für die Überwachung von Messrohrverschleiß sind Diagnosefunktionen besonders interessant, die möglichst direkt mechanische Eigenschaften des schwingenden Systems bewerten. Wird eine Messrohrwand dünner, verändert sich deren Steifigkeit.
Moderne Coriolis-Systeme können solche Veränderungen über Tube-Health- beziehungsweise Tube-Integrity-Funktionen diagnostisch überwachen. Dabei wird nicht einfach der aktuelle Durchflusswert bewertet, sondern ein mechanischer Zustand des Sensors mit einem zuvor gespeicherten Referenzzustand verglichen.
Eine langfristige Veränderung kann dadurch beispielsweise auf Erosion, Korrosion oder anderen Materialabtrag hinweisen. Die Aussage wird besonders wertvoll, wenn der Referenzzustand bereits bei der Inbetriebnahme unter den realen Installationsbedingungen aufgenommen wurde.
Das ist deshalb wichtig, weil nicht nur das Messrohr selbst, sondern auch die mechanische Einbausituation Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Sensors haben kann.
Erregerleistung und Schwingungszustand beobachten
Die Messrohre eines Coriolis-Sensors müssen kontrolliert in Schwingung gehalten werden. Dafür besitzt das Messsystem einen elektromagnetischen Erreger. Die dafür erforderliche Erregerleistung beziehungsweise der Drive Level kann zusätzliche Informationen über den Betriebszustand liefern.
Steigt der Energiebedarf deutlich an, kann dies beispielsweise mit Gasblasen, hoher Viskosität, stark dämpfenden Medien, Feststoffablagerungen oder veränderten mechanischen Bedingungen zusammenhängen.
Auch dieser Wert ist damit kein eindeutiger Verschleißindikator. In Kombination mit Tube Health, Nullpunkt, Referenzdichte und Aufnehmersignalen entsteht jedoch ein wesentlich vollständigeres Bild.
Gerade wenn mehrere voneinander unabhängige Diagnosegrößen über mehrere Wartungszyklen gleichzeitig in dieselbe Richtung driften, wird die Wahrscheinlichkeit einer tatsächlichen Sensorveränderung erheblich größer.
Abrasion und Ablagerung voneinander unterscheiden
Abrasive Suspensionen können zwei gegensätzliche Veränderungen des Messsystems verursachen. Bei Abrasion wird Material von der Messrohrwand entfernt. Die Wandstärke nimmt ab und die mechanische Steifigkeit kann sich verändern.
Bei einer Ablagerung passiert das Gegenteil: Zusätzliches Material lagert sich auf der Innenwand ab. Dadurch erhöht sich die Masse des schwingenden Systems, der freie Querschnitt kann kleiner werden und die Schwingung wird möglicherweise stärker gedämpft.
Beide Effekte können Resonanzverhalten, Dichtebestimmung, Nullpunkt und Erregerbedarf beeinflussen. Eine allgemeine Diagnosemeldung über eine Veränderung des Messsystems darf deshalb nicht automatisch als direkter Beweis für eine dünner gewordene Messrohrwand interpretiert werden.
Je nach Prozess müssen auch Kristallisation, Produktanhaftung oder andere Beläge ausgeschlossen werden. Eine Reinigung mit anschließender Wiederholungsdiagnose kann dabei helfen, Ablagerungen von dauerhaftem Materialabtrag zu unterscheiden.
Warum Referenzwerte im Neuzustand wichtig sind
Eine Trendüberwachung funktioniert nur dann wirklich zuverlässig, wenn ein definierter Ausgangszustand vorhanden ist. Deshalb sollten möglichst bereits bei der Inbetriebnahme die für die spätere Zustandsbewertung relevanten Diagnosegrößen dokumentiert werden.
Dazu gehören insbesondere der Nullpunkt, die Dichte eines bekannten Referenzmediums, verfügbare Tube-Health- beziehungsweise Steifigkeitswerte, typische Erregerwerte und gegebenenfalls relevante Aufnehmersignale. Gleichzeitig sollten Temperatur, Einbausituation, typischer Durchfluss und Feststoffkonzentration dokumentiert werden.
Diese Werte bilden die Baseline des konkreten Sensors. Spätere Prüfungen können dadurch nicht nur mit allgemeinen Grenzwerten, sondern mit dem realen Ausgangszustand derselben Messstelle verglichen werden.
Gerade bei langsam fortschreitendem Verschleiß ist die Veränderung gegenüber der Baseline häufig wesentlich aussagekräftiger als ein einzelner absoluter Diagnosewert.
Trendüberwachung statt Einzelwert
Ein einzelner Diagnosewert besitzt nur begrenzte Aussagekraft. Ein leicht veränderter Tube-Health-Wert kann beispielsweise zunächst durch Prozess- oder Installationsbedingungen entstanden sein. Wiederholt sich dieselbe Abweichung bei mehreren Prüfungen und vergrößert sie sich kontinuierlich, entsteht dagegen ein belastbarer Trend.
Für Predictive Maintenance sind deshalb nicht nur der aktuelle Wert, sondern insbesondere die absolute Veränderung seit Inbetriebnahme, die Veränderung seit der letzten Prüfung und die Geschwindigkeit dieser Veränderung interessant.
Zusätzlich sollte der Trend mit Betriebsdaten korreliert werden. Bei abrasiven Anwendungen kann beispielsweise die kumulierte durchgesetzte Feststoffmenge eine wesentlich aussagekräftigere Belastungsgröße sein als ausschließlich die Kalenderzeit.
Ein Sensor, der innerhalb von zwölf Monaten nur wenige hundert Betriebsstunden unter geringer Feststoffbelastung gelaufen ist, hat eine vollkommen andere mechanische Beanspruchung erfahren als ein Gerät mit mehreren tausend Betriebsstunden im Dauerbetrieb.
Wartungsintervalle risikobasiert festlegen
Für abrasive Medien gibt es kein universelles Wartungsintervall. Die sinnvolle Prüfstrategie hängt von Partikelhärte, Partikelgröße, Feststoffanteil, Strömungsgeschwindigkeit, Betriebsstunden, Messrohrwerkstoff und dem Prozessrisiko ab.
Bei einer neuen und noch nicht ausreichend bekannten Anwendung kann es sinnvoll sein, zunächst relativ kurze Diagnoseintervalle festzulegen. Denkbar wäre beispielsweise eine Referenzprüfung bei Inbetriebnahme und anschließend nach drei, sechs und zwölf Monaten.
Bleiben Nullpunkt, Tube Health, Referenzdichte und weitere Diagnosegrößen stabil, kann das Intervall anschließend verlängert werden. Zeigt sich dagegen bereits früh ein reproduzierbarer Trend, sollte das Prüfintervall verkürzt und gleichzeitig geprüft werden, ob die Prozessbedingungen optimiert werden können.
Mögliche Maßnahmen sind beispielsweise eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit, eine geänderte Sensorgröße, eine optimierte Einbaulage oder eine günstigere Strömungsführung vor dem Messgerät.
Wann eine erneute Kalibrierung sinnvoll ist
Eine interne Zustandsdiagnose ersetzt keine metrologische Kalibrierung. Beide Verfahren beantworten unterschiedliche Fragen. Die Diagnose untersucht, ob sich der Zustand des Sensors beziehungsweise seines schwingenden Messsystems verändert. Eine rückführbare Kalibrierung bestimmt dagegen, wie groß die tatsächliche Messabweichung des Durchflussmessers gegenüber einer Referenz ist.
Eine erneute Kalibrierung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn sich ein signifikanter Diagnose-Trend zeigt, der Nullpunkt dauerhaft verändert ist oder ein Referenzvergleich auffällig wird. Natürlich können zusätzlich vorgeschriebene Kalibrierintervalle unabhängig von der Zustandsdiagnose gelten.
Bei abrasiven Medien kann Materialabtrag langfristig auch die Messperformance verändern. Umgekehrt können starke Ablagerungen ebenfalls Balance und Schwingungsverhalten beeinflussen. Eine Kalibrierung zeigt dann, ob die Massedurchflussmessung noch innerhalb der geforderten Toleranz arbeitet.
Vereinfacht gilt deshalb: Diagnose = Sensorzustand überwachen und Kalibrierung = Messabweichung bestimmen.
Praxisbeispiel: abrasive Suspension in einer Prozessleitung
In einer Produktionsanlage wird eine mineralische Suspension mit einem Coriolis-Durchflussmesser erfasst. Das Medium enthält ungefähr 20 % Feststoffe und der Sensor arbeitet seit zwei Jahren überwiegend im Dauerbetrieb.
Bei der Inbetriebnahme wurden Nullpunkt, Dichte mit einem definierten Referenzmedium, ein Rohrzustandswert und typische Erregerparameter dokumentiert. Diese Daten dienen als Baseline.
Während der ersten Wartungen bleiben die Diagnosewerte weitgehend stabil. Nach ungefähr 18 Monaten zeigt der Nullpunkt jedoch eine zunehmende Abweichung vom Ausgangswert. Im normalen Produktionsbetrieb erscheinen Massedurchfluss und Dichte weiterhin plausibel.
Zunächst wird deshalb geprüft, ob der veränderte Nullpunkt reproduzierbar ist. Der Sensor wird vollständig gefüllt, der Durchfluss sicher gestoppt und auf eingeschlossene Gasblasen, instabile Temperatur und ungewöhnliche Rohrleitungsvibrationen kontrolliert. Die Nullpunktabweichung bleibt bestehen.
Anschließend werden weitere Diagnosewerte mit der Baseline verglichen. Auch der Tube-Health-Wert beziehungsweise die Rohrzustandsdiagnose zeigt eine fortschreitende Veränderung. Gleichzeitig hat sich die angezeigte Dichte eines definierten Referenzmediums leicht verschoben.
Mehrere voneinander unabhängige Hinweise entwickeln sich damit in dieselbe Richtung. Bei der Anlageninspektion fällt zusätzlich auf, dass unmittelbar vor dem Messgerät ein Rohrbogen sitzt und die Strömungsgeschwindigkeit relativ hoch ist. Die Feststoffpartikel treffen möglicherweise mit ungünstiger Strömungsverteilung auf den Sensor.
Während eines geplanten Stillstands wird der Sensor ausgebaut und untersucht. Die Prüfung bestätigt einen erhöhten Materialabtrag. Für die Ersatzinstallation werden deshalb nicht nur Sensor und Messrohrwerkstoff betrachtet, sondern auch Nennweite, Strömungsgeschwindigkeit, Einbaulage und Einlaufbedingungen neu bewertet.
Zusätzlich wird die regelmäßige Rohrzustandsdiagnose dauerhaft in das Wartungskonzept aufgenommen.
Der entscheidende Vorteil der Zustandsüberwachung liegt in diesem Beispiel darin, dass die Veränderung erkannt wurde, bevor ein vollständiger Sensorausfall, eine starke Messabweichung oder im Extremfall eine Undichtigkeit des Messrohres auftrat.
Planungs- und Prüfcheck
- Chemische Zusammensetzung des Mediums und mögliche Korrosionsbelastung vollständig erfassen.
- Art, Konzentration, Härte und Form der Feststoffe bestimmen.
- Mittlere und maximale Partikelgröße sowie Partikelgrößenverteilung berücksichtigen.
- Messrohrwerkstoff sowohl chemisch als auch mechanisch bewerten.
- Sensor nicht unnötig klein auslegen und die resultierende Strömungsgeschwindigkeit prüfen.
- Druckverlust, Sedimentationsrisiko und notwendige Mindestgeschwindigkeit gemeinsam betrachten.
- Ungünstige Strömungsumlenkungen unmittelbar vor dem Sensor bei abrasiven Anwendungen bewerten.
- Für sedimentierende Suspensionen eine geeignete Einbaulage entsprechend den Herstellervorgaben wählen.
- Gasansammlungen und nicht definierte Zweiphasenbedingungen möglichst vermeiden.
- Nullpunkt direkt bei der Inbetriebnahme unter definierten Bedingungen dokumentieren.
- Verfügbare Tube-Health- beziehungsweise Rohrzustandsreferenz speichern.
- Bei Bedarf Dichte eines bekannten Referenzmediums dokumentieren.
- Typische Erreger- und weitere Diagnosewerte als Baseline speichern.
- Wiederholungsprüfungen möglichst unter denselben Bedingungen durchführen.
- Diagnosewerte als Trend und nicht ausschließlich als aktuelle Einzelwerte bewerten.
- Veränderungen mit Betriebsstunden und durchgesetzter Feststoffmenge korrelieren.
- Bei auffälligen Trends Prüfintervalle verkürzen und Prozessbedingungen untersuchen.
- Bei Bedarf eine rückführbare Durchflusskalibrierung durchführen.
- Grenzen, Warnkriterien und Maßnahmen für die konkrete Anwendung dokumentieren.
Häufige Fehler
- Feststoffhaltige Medien pauschal gleich bewerten: Partikelgröße, Form, Härte und Konzentration beeinflussen die Abrasion wesentlich.
- Den Coriolis-Sensor möglichst klein dimensionieren: Die dadurch höhere Strömungsgeschwindigkeit kann den Verschleiß deutlich erhöhen.
- Werkstoff ausschließlich nach Korrosionsbeständigkeit auswählen: Chemische Beständigkeit sagt nicht automatisch etwas über Abrasionsbeständigkeit aus.
- Rohrbogen unmittelbar vor dem Sensor ignorieren: Verwirbelte Partikel können lokal stärker auf die Messrohre treffen.
- Sedimentation im Messsystem zulassen: Ablagerungen verändern Dichte, Nullpunkt und Schwingungsverhalten.
- Nullpunktdrift sofort als Messrohrverschleiß interpretieren: Auch Gasblasen, Vibrationen, Rohrspannung und Ablagerungen können den Nullpunkt verändern.
- Nullpunkt bei Restdurchfluss einstellen: Der reale Durchfluss wird fälschlicherweise als Nullpunktkorrektur übernommen.
- Dichteänderung automatisch als Sensorverschleiß deuten: Bei Suspensionen kann bereits eine veränderte Feststoffkonzentration die reale Prozessdichte verändern.
- Nur den aktuellen Tube-Health-Wert betrachten: Die langfristige Veränderung gegenüber der Baseline ist meist aussagekräftiger.
- Keine Referenzwerte bei Inbetriebnahme speichern: Spätere Veränderungen sind dann wesentlich schwieriger zu bewerten.
- Tube Health Check mit Kalibrierung gleichsetzen: Zustandsdiagnose und Bestimmung der Messabweichung sind unterschiedliche Aufgaben.
- Ablagerung und Materialabtrag verwechseln: Beide beeinflussen das Schwingungssystem, benötigen aber unterschiedliche Gegenmaßnahmen.
- Wartung ausschließlich kalenderbasiert planen: Bei abrasiven Medien können Betriebsstunden oder kumulierte Feststoffmenge die bessere Belastungsgröße sein.
Passender Coriolis-Durchflussmesser
Für anspruchsvolle industrielle Coriolis-Anwendungen bietet sich beispielsweise das Siemens SITRANS FC640 an. Das Messsystem kombiniert den SITRANS FCS600 Sensor mit dem SITRANS FCT040 Messumformer.
| Merkmal | Bedeutung für abrasive beziehungsweise anspruchsvolle Anwendungen |
|---|---|
| SITRANS FCS600 Sensor | Coriolis-Sensor für Massedurchfluss-, Dichte- und Temperaturmessung |
| Messrohrwerkstoffe | Ausführungen unter anderem aus AISI 316L und Alloy 22 |
| Nennweiten | Ausführungen bis DN 65 |
| Prozesstemperatur | Ausführungen für hohe Temperaturen bis 350 °C |
| Prozessdruck | Hochdruckausführungen bis 700 bar |
| SITRANS FCT040 | erweiterter Messumformer mit Diagnose- und Verifikationsfunktionen |
| Tube Health Check | Vergleich des mechanischen Rohrzustands mit einem Referenzzustand |
| Weitere Messgrößen | Massedurchfluss, Dichte, Temperatur und Volumendurchfluss |
Für die hier beschriebene Zustandsüberwachung ist insbesondere der SITRANS FCT040 interessant. Der erweiterte Messumformer unterstützt unter anderem eine Rohrzustandsprüfung beziehungsweise einen Tube Health Check sowie weitere Diagnose- und Verifikationsfunktionen.
Bei der Rohrzustandsprüfung wird unter anderem die mechanische Steifigkeit des Messrohres beziehungsweise des schwingenden Systems bewertet. Eine Verringerung der Wandstärke durch Erosion oder Korrosion kann diese Steifigkeit verändern und dadurch gegenüber dem gespeicherten Referenzzustand diagnostisch sichtbar werden.
Eine solche Funktion ersetzt weder die korrekte Werkstoffauswahl noch die geeignete hydraulische Dimensionierung der Messstelle. Sie bietet jedoch eine zusätzliche Möglichkeit, Veränderungen frühzeitig zu erkennen und Wartungsmaßnahmen stärker am tatsächlichen Sensorzustand auszurichten.
Weitere Coriolis-Systeme finden Sie unter Coriolis-Durchflussmessung bei ICS Schneider.
Weitere magnetisch-induktive, Ultraschall-, Vortex-, Coriolis- und mechanische Durchflussmessgeräte finden Sie unter Durchflussmesstechnik.
Fazit
Coriolis-Durchflussmesser können auch bei feststoffhaltigen Medien präzise Massedurchfluss- und Dichteinformationen liefern. Bei abrasiven Partikeln muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Messrohre selbst Bestandteil des schwingenden Messsystems sind und langfristig mechanisch verschleißen können.
Wie schnell dieser Verschleiß fortschreitet, hängt nicht allein vom Feststoffanteil ab. Partikelhärte, Partikelgröße und -form, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsführung, Werkstoff und Betriebsdauer bestimmen gemeinsam die tatsächliche Belastung.
Eine Nullpunktverschiebung kann ein wertvoller erster Hinweis auf einen veränderten Sensorzustand sein. Sie ist jedoch nicht spezifisch für Abrasion. Auch Gasblasen, Ablagerungen, mechanische Rohrspannungen, Vibrationen und unterschiedliche Prüfbedingungen beeinflussen den Nullpunkt.
Dasselbe gilt für die Dichtemessung. Ein systematischer Dichtetrend mit einem bekannten Referenzmedium ist diagnostisch interessant. Eine Dichteänderung im laufenden Produktionsprozess kann dagegen lediglich auf eine andere Feststoffkonzentration oder Zusammensetzung des Mediums zurückzuführen sein.
Aussagekräftiger wird die Zustandsbewertung, wenn mechanische Diagnosegrößen wie Tube Health beziehungsweise Rohrsteifigkeit ergänzt werden. Verändert sich zusätzlich der Nullpunkt, verschiebt sich die Referenzdichte und zeigt auch der mechanische Zustandswert einen Trend, entsteht ein wesentlich belastbareres Gesamtbild.
Die Grundlage dafür muss bereits bei der Inbetriebnahme geschaffen werden. Ohne dokumentierte Baseline ist später nur schwer zu beurteilen, ob ein Diagnosewert tatsächlich verändert ist oder bereits von Beginn an typisch für die konkrete Installation war.
Für abrasive Anwendungen lautet die wichtigste Strategie deshalb: Messrohrverschleiß nicht erst am fehlerhaften Durchflusswert erkennen. Nullpunkt, Referenzdichte und verfügbare Zustandsdiagnosen bereits im Neuzustand dokumentieren und ihre Entwicklung anschließend systematisch über Betriebsstunden und abrasive Belastung verfolgen.
FAQ: Coriolis-Durchflussmesser bei abrasiven Medien
Können Coriolis-Durchflussmesser abrasive Medien messen?
Grundsätzlich können Coriolis-Geräte auch feststoffhaltige Flüssigkeiten und Suspensionen messen. Ob ein bestimmter Sensor dauerhaft geeignet ist, hängt jedoch unter anderem von Partikelgröße, Feststoffkonzentration, Partikelhärte, Strömungsgeschwindigkeit, Messrohrgeometrie und Werkstoff ab.
Wie verschleißt ein Coriolis-Messrohr?
Harte Feststoffpartikel können beim Auftreffen auf die Innenwand Material abtragen. Dieser abrasive beziehungsweise erosive Verschleiß kann lokal oder über größere Bereiche auftreten und langfristig die Messrohrwand dünner werden lassen.
Kann man Messrohrverschleiß am Nullpunkt erkennen?
Eine langfristige und reproduzierbare Veränderung des Nullpunkts kann auf einen veränderten Sensorzustand hinweisen. Sie ist jedoch nicht eindeutig, weil auch Vibrationen, Gasblasen, Ablagerungen, Rohrleitungsspannungen und ungeeignete Prüfbedingungen den Nullpunkt beeinflussen können.
Was ist ein Tube Health Check?
Bei einer Rohrzustandsprüfung werden mechanische Eigenschaften des schwingenden Messsystems mit einem Referenzzustand verglichen. Dazu kann insbesondere die Messrohrsteifigkeit gehören. Verändert sich die Wandstärke durch Erosion oder Korrosion, kann sich auch die Steifigkeit ändern.
Ersetzt ein Tube Health Check eine Kalibrierung?
Nein. Die Zustandsdiagnose untersucht mechanische Veränderungen des Sensors. Eine Kalibrierung bestimmt dagegen die tatsächliche Messabweichung gegenüber einer rückführbaren Referenz. Beide Verfahren erfüllen unterschiedliche und sich ergänzende Aufgaben.
Kann Abrasion auch die Dichtemessung beeinflussen?
Ja. Die Dichtebestimmung basiert auf dem Resonanzverhalten des Messrohres. Mechanische Veränderungen können deshalb grundsätzlich auch die ermittelte Dichte beeinflussen. Für eine belastbare Zustandsbewertung sollte die Dichte jedoch unter bekannten Referenzbedingungen geprüft werden.
Warum kann eine Suspension den Nullpunkt instabil machen?
Schwere Partikel können sich bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit absetzen und eine ungleichmäßige Verteilung im Sensor erzeugen. Zusätzlich können Gasblasen oder eine inhomogene Suspension das Schwingungsverhalten beeinflussen.
Welche Einbaulage ist bei Feststoffen sinnvoll?
Bei sedimentierenden Suspensionen kann eine vertikale Installation mit Durchfluss nach oben vorteilhaft sein. Dadurch wird die Mitnahme schwerer Partikel unterstützt. Entscheidend bleiben jedoch immer die Einbauvorgaben des konkreten Sensors.
Warum kann ein Rohrbogen vor dem Coriolis-Sensor bei abrasiven Medien problematisch sein?
Ein Rohrbogen kann asymmetrische oder verwirbelte Strömungen erzeugen. Feststoffpartikel können dadurch lokal mit ungünstigem Winkel beziehungsweise höherer Konzentration auf bestimmte Bereiche der Messrohre treffen und den Materialabtrag erhöhen.
Ist Alloy 22 automatisch besser für abrasive Medien als Edelstahl?
Nein. Alloy 22 wird vor allem aufgrund seiner chemischen Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Abrasionsbeständigkeit ist eine andere Werkstoffeigenschaft. Die Auswahl muss deshalb chemische und mechanische Belastung gemeinsam berücksichtigen.
Wie häufig sollte ein Coriolis-Durchflussmesser bei abrasiven Medien geprüft werden?
Ein allgemeingültiges Intervall gibt es nicht. Bei einer neuen Anwendung sind zunächst kürzere Prüfintervalle sinnvoll. Anhand der beobachteten Trends können die Intervalle später an Betriebsstunden, durchgesetzte Feststoffmenge und Prozessrisiko angepasst werden.
Warum sollte direkt bei der Inbetriebnahme eine Referenzmessung gespeichert werden?
Nur mit einem dokumentierten Ausgangszustand lassen sich langsam fortschreitende Veränderungen zuverlässig beurteilen. Besonders hilfreich sind Baseline-Werte für Nullpunkt, Dichte unter Referenzbedingungen, Tube Health und weitere verfügbare Diagnoseparameter.
Was ist aussagekräftiger: ein einzelner Diagnosewert oder der Trend?
In der Regel ist der Trend wesentlich aussagekräftiger. Eine einmalige kleine Abweichung kann durch Prozessbedingungen verursacht werden. Eine über mehrere Prüfungen reproduzierbar zunehmende Veränderung liefert deutlich bessere Informationen für Condition Monitoring und Predictive Maintenance.