Ein Coriolis-Durchflussmesser überwacht kontinuierlich einen flüssigen Produktionsstrom. Der Massedurchfluss erscheint zunächst plausibel, gleichzeitig fällt der gemessene Dichtewert jedoch plötzlich von:
998 kg/m³
auf:
965 kg/m³
und springt anschließend innerhalb weniger Sekunden wieder zurück.
Hat sich die Produktzusammensetzung verändert? Wurde versehentlich ein anderes Medium eingeleitet? Oder befinden sich lediglich Gasblasen in der Flüssigkeit?
Genau hier liegt ein wichtiger zusätzlicher Nutzen moderner Coriolis-Messgeräte. Sie messen nicht ausschließlich den Massedurchfluss. Aus dem Schwingungsverhalten der Messrohre lässt sich gleichzeitig die Dichte des Mediums bestimmen. Zusätzlich steht normalerweise eine Temperaturmessung zur Verfügung.
Der Dichtewert kann deshalb als zusätzlicher Prozessindikator genutzt werden, beispielsweise zur Erkennung von:
- Produktwechseln,
- Konzentrationsänderungen,
- Mischfehlern,
- Verdünnung,
- Gasblasen,
- unvollständig gefüllten Messrohren.
Die entscheidende Einschränkung lautet jedoch:
Ein veränderter Coriolis-Dichtewert besitzt nicht nur eine mögliche Ursache. Dichte, Temperatur, Massedurchfluss, Prozessdruck, zeitlicher Verlauf und Geräte-Diagnose müssen gemeinsam betrachtet werden, bevor aus einer Dichteabweichung auf eine tatsächliche Produktänderung geschlossen wird.
Wie funktioniert ein Coriolis-Durchflussmesser?
Ein Coriolis-Durchflussmesser besitzt ein oder mehrere schwingende Messrohre.
Diese werden durch einen Erreger kontrolliert in Schwingung versetzt.
Strömt Masse durch das schwingende Rohr, entstehen Corioliskräfte.
Sie führen zu einer sehr kleinen zeitlichen beziehungsweise räumlichen Verschiebung der Rohrbewegung.
Aus dieser Phasenverschiebung bestimmt das Messsystem den:
Massedurchfluss
.
Gleichzeitig enthält das Schwingungsverhalten weitere Informationen.
Daraus können je nach Messsystem zusätzlich unter anderem bestimmt werden:
- Dichte,
- Temperatur,
- Volumendurchfluss,
- abgeleitete Konzentrations- beziehungsweise Prozessgrößen.
Damit liefert ein Coriolis-Gerät mehrere Informationen über denselben Prozesszustand.
Gerade diese Kombination macht das Messprinzip für die Prozessdiagnose interessant.
Wie bestimmt ein Coriolis-Gerät die Dichte?
Die Eigenfrequenz des schwingenden Messrohres hängt unter anderem von seiner bewegten Masse ab.
Diese besteht aus:
Masse des Messrohres + Masse des enthaltenen Mediums
.
Ändert sich die Dichte des Mediums, verändert sich deshalb auch das dynamische Verhalten des Messrohres.
Vereinfacht gilt:
höhere Fluiddichte → größere bewegte Masse → niedrigere Resonanzfrequenz
und entsprechend:
niedrigere Fluiddichte → kleinere bewegte Masse → höhere Resonanzfrequenz
.
Das Messgerät wertet diese Änderung aus und berechnet daraus die Fluiddichte.
Damit stammt der Dichtewert aus demselben physikalischen Messsystem wie der Massedurchfluss, wird jedoch aus einer anderen Eigenschaft der Rohrschwingung bestimmt.
Warum eignet sich die Dichte als Qualitätsindikator?
Viele Flüssigkeiten besitzen bei definierter Temperatur eine charakteristische Dichte.
Ändert sich ihre Zusammensetzung, kann sich deshalb auch die Dichte verändern.
Beispiele sind:
- Änderung einer Konzentration,
- Verdünnung mit Wasser,
- Mischung zweier Produkte,
- Produktwechsel,
- falsche Rezeptur,
- Verunreinigung.
Ein kontinuierlich gemessener Dichtewert kann deshalb sehr viel früher auf eine Prozessabweichung hinweisen als eine später entnommene Laborprobe.
Beispiel:
Ein Produkt liegt unter normalen Prozessbedingungen typischerweise bei:
ρ = 1.035 kg/m³
Ändert sich der Prozess reproduzierbar auf:
ρ = 1.020 kg/m³
kann dies ein Hinweis auf eine veränderte Zusammensetzung sein.
Der Dichtewert wird damit zu einem:
kontinuierlichen Prozessindikator
.
Er ist jedoch nicht automatisch eine eindeutige chemische Analyse.
Warum braucht man einen Referenzzustand?
Ein einzelner Dichtewert ist nur dann aussagekräftig, wenn bekannt ist, welcher Wert für den normalen Prozess erwartet wird.
Dafür sollte ein Referenzzustand definiert werden.
Zu diesem gehören beispielsweise:
- Produkt,
- Temperatur,
- Prozessdruck,
- normaler Durchflussbereich,
- zulässiger Dichtebereich.
Besonders wichtig ist die Temperatur.
Viele Flüssigkeiten verändern ihre Dichte deutlich mit der Temperatur.
Die Aussage:
Soll-Dichte = 1.000 kg/m³
ist deshalb wesentlich weniger aussagekräftig als:
Soll-Dichte bei definierter Temperatur beziehungsweise temperaturabhängige Sollkurve
.
Für eine belastbare Qualitätsüberwachung sollte deshalb möglichst ein normaler Zusammenhang zwischen:
Dichte ↔ Temperatur ↔ Prozesszustand
bekannt sein.
Wie sieht eine echte Prozessänderung aus?
Eine tatsächliche Veränderung der Produktzusammensetzung zeigt häufig ein anderes zeitliches Verhalten als kurzfristiger Gaseintrag.
Typisch für eine reale Produktänderung kann beispielsweise sein:
- Dichte verschiebt sich auf einen neuen stabilen Wert,
- Änderung bleibt über längere Zeit erhalten,
- Temperaturverhalten passt zur neuen Produktzusammensetzung,
- Massedurchfluss bleibt vergleichsweise ruhig,
- keine auffälligen Geräte-Diagnosen treten auf.
Beispiel:
1.020 → 1.018 → 1.015 → 1.012 kg/m³
und anschließend:
stabil bei etwa 1.012 kg/m³
.
Ein solcher Übergang kann beispielsweise zu einem Produktwechsel oder einer zunehmenden Verdünnung passen.
Das zeitliche Verhalten muss jedoch immer zum tatsächlichen Prozessablauf passen.
Wie verändern Gasblasen den Dichtewert?
Gas besitzt normalerweise eine wesentlich geringere Dichte als die umgebende Flüssigkeit.
Gelangen Gasblasen in ein mit Flüssigkeit betriebenes Coriolis-Messrohr, befindet sich dort vorübergehend kein homogenes einphasiges Medium mehr.
Vereinfacht betrachtet entsteht eine Mischung aus:
Flüssigkeit + Gas
.
Die effektive Dichte dieser Mischung liegt unterhalb der Dichte der reinen Flüssigkeit.
Deshalb kann das Messgerät einen niedrigeren Dichtewert anzeigen.
Gleichzeitig beeinflusst die Zweiphasenströmung das mechanische Schwingungsverhalten der Messrohre.
Mögliche Symptome sind:
- kurze Dichteeinbrüche,
- stark schwankende Dichte,
- unruhiger Massedurchfluss,
- sprunghafte Volumendurchflusswerte,
- Diagnosemeldungen beziehungsweise reduzierte Messqualität.
Ein typisches Muster kann beispielsweise aussehen wie:
998 → 972 → 990 → 960 → 996 kg/m³
innerhalb kurzer Zeit.
Ein solcher unruhiger Verlauf spricht eher für einen instabilen Prozesszustand als für eine gleichmäßige Änderung einer Produktkonzentration.
Warum reicht die Dichte allein nicht zur Diagnose?
Eine niedrige Dichte beweist keine Gasblasen.
Ebenso beweist eine niedrige Dichte keine Produktveränderung.
Mehrere Ursachen können denselben Dichtewert erzeugen.
Beispielsweise können:
- eine echte Verdünnung,
- ein leichteres Produkt,
- eine Temperaturerhöhung,
- eingetragene Luft
zu einem niedrigeren Messwert führen.
Besonders schwierig wird die Situation, wenn der Gaseintrag relativ konstant ist.
Eine kontinuierlich mitgeführte kleine Gasmenge kann unter Umständen einen vergleichsweise stabilen, aber zu niedrigen Dichtewert erzeugen.
Deshalb sollte eine Qualitätsentscheidung niemals ausschließlich aus einem einzelnen Dichtewert abgeleitet werden, wenn Mehrphasigkeit im Prozess möglich ist.
Wie hilft die Temperatur bei der Unterscheidung?
Die Temperatur gehört zu den wichtigsten Vergleichsgrößen.
Viele reale Dichteänderungen lassen sich durch die Temperatur zumindest teilweise erklären.
Beispiel:
Steigt die Produkttemperatur kontinuierlich und sinkt die Dichte gleichzeitig entsprechend der bekannten Produktkennlinie, spricht dies zunächst für ein normales temperaturbedingtes Verhalten.
Anders sieht es aus, wenn:
Temperatur stabil
bleibt, während:
Dichte plötzlich stark springt
.
Dann ist eine reine thermische Ursache unwahrscheinlicher.
Bei einer Qualitätsüberwachung sollten Dichte und Temperatur deshalb immer gemeinsam betrachtet werden.
Besonders hilfreich ist eine temperaturkompensierte Sollkurve:
ρsoll = f(T)
Die aktuelle Messung kann anschließend mit diesem erwarteten Wert verglichen werden.
Was verrät der Massedurchfluss?
Der Massedurchfluss liefert einen zweiten wichtigen Hinweis.
Ändert sich die Produktdichte aufgrund einer echten, stabilen Zusammensetzungsänderung, kann der Massedurchfluss weiterhin relativ ruhig gemessen werden.
Bei Gasblasen beziehungsweise ausgeprägter Zweiphasenströmung wird dagegen auch die Durchflussmessung häufig unruhiger.
Ein mögliches Diagnosemuster ist deshalb:
| Beobachtung | Mögliche Interpretation |
|---|---|
| Dichte verändert sich langsam, Massedurchfluss stabil | Produkt- oder Temperaturänderung wahrscheinlicher |
| Dichte springt, Massedurchfluss ebenfalls unruhig | Gasblasen beziehungsweise instabile Zweiphasenströmung wahrscheinlicher |
| Dichte konstant falsch, Durchfluss ruhig | Produkt, Temperatur, Kalibrierung oder stabiler Fremdanteil prüfen |
| Dichte und Durchfluss brechen beim Entleeren gleichzeitig zusammen | teilweise gefüllte Messrohre beziehungsweise Leerfahren prüfen |
Diese Zuordnung ist eine Diagnosehilfe und kein mathematischer Beweis.
Warum sollte auch der Prozessdruck betrachtet werden?
Gasblasen entstehen häufig nicht zufällig.
Sie können unmittelbar mit dem Prozessdruck zusammenhängen.
Mögliche Ursachen sind:
- zu niedriger Druck auf der Pumpensaugseite,
- Druckabfall über ein Ventil,
- Entgasung gelöster Gase,
- Kavitation,
- teilweise leere Rohrleitung.
Ein besonders aussagekräftiges Muster ist deshalb:
Druck fällt → Dichte wird unruhig → Massedurchfluss wird unruhig
.
Eine solche Korrelation deutet eher auf eine hydraulische beziehungsweise pneumatische Prozessstörung hin als auf eine plötzlich veränderte Rezeptur.
Für kritische Anwendungen kann es deshalb sinnvoll sein, den Druck am relevanten Prozesspunkt zusätzlich zu erfassen und gemeinsam mit dem Coriolis-Signal zu trendieren.
Warum kann der berechnete Volumenstrom besonders auffällig werden?
Ein Coriolis-Durchflussmesser misst den Massedurchfluss direkt.
Der Volumendurchfluss kann aus Masse und Dichte abgeleitet werden.
Vereinfacht:
Qv = Qm / ρ
Dabei sind:
Qv= Volumendurchfluss,Qm= Massedurchfluss,ρ= Dichte.
Sinkt der Dichtewert aufgrund von Gasblasen plötzlich ab, verändert sich deshalb auch der berechnete Volumenstrom.
Das kann dazu führen, dass der Volumendurchfluss besonders starke Sprünge zeigt.
Bei einer Diagnose sollte deshalb geklärt werden, welche angezeigten Größen:
- direkt gemessen und
- aus anderen Messgrößen berechnet
werden.
Warum ist die Geschwindigkeit der Änderung wichtig?
Nicht nur die Höhe einer Dichteabweichung ist relevant.
Auch deren zeitliche Dynamik liefert Informationen.
Eine reale Konzentrationsänderung in einem großen Behälter kann beispielsweise über:
mehrere Minuten
ablaufen.
Ein einzelner Gasblasenpfropfen kann den Dichtewert dagegen innerhalb von:
Sekunden
verändern.
Deshalb kann zusätzlich zur absoluten Dichte auch deren Änderungsrate überwacht werden.
Vereinfacht:
dρ / dt
Eine sehr schnelle Dichteänderung kann als zusätzlicher Diagnosehinweis verwendet werden.
Der zulässige Grenzwert muss jedoch aus dem realen Prozessverhalten abgeleitet werden.
Welche Messgrößen sollten gemeinsam aufgezeichnet werden?
Für eine belastbare Diagnose sollten möglichst mehrere Prozessgrößen zeitlich synchron gespeichert werden.
Besonders hilfreich sind:
- Dichte,
- Massedurchfluss,
- Temperatur,
- Volumendurchfluss,
- Prozessdruck, sofern verfügbar,
- Ventil- beziehungsweise Pumpenzustand,
- Gerätestatus und Diagnosemeldungen.
Damit lassen sich Ereignisse später wesentlich besser zuordnen.
Beispiel:
10:15:02 Ventil öffnet
10:15:04 Prozessdruck fällt
10:15:05 Dichte fällt stark
10:15:05 Massedurchfluss wird unruhig
Diese Kombination liefert wesentlich mehr Information als die isolierte Meldung:
Dichte außerhalb Toleranz
.
Welche Gerätediagnosen helfen zusätzlich?
Moderne Coriolis-Systeme überwachen neben den eigentlichen Prozesswerten auch den Zustand des schwingenden Messsystems.
Je nach Geräteausführung stehen zusätzliche Diagnose- und Verifikationsinformationen zur Verfügung.
Damit können beispielsweise Hinweise auf:
- instabile Messbedingungen,
- Messrohrzustand,
- Gerätefehler,
- ungewöhnliches Prozessverhalten
gewonnen werden.
Eine Diagnosemeldung sollte deshalb nicht unterdrückt werden, nur weil der aktuell angezeigte Massedurchfluss noch plausibel erscheint.
Gerade für eine Qualitätsüberwachung ist interessant, ob die Dichteabweichung:
bei technisch ruhiger Messung
oder:
gleichzeitig mit auffälligem Messsystemverhalten
auftritt.
Was passiert beim Anfahren und Wiederbefüllen?
Nach Wartung, Entleerung oder Produktwechsel befinden sich häufig zunächst Luft beziehungsweise Gas im Rohrsystem.
Beim Wiederbefüllen durchläuft der Coriolis-Sensor deshalb zeitweise unterschiedliche Zustände:
leer → Gas → Gas/Flüssigkeit → vollständig mit Flüssigkeit gefüllt
Während dieser Übergangsphase sind:
- Dichte,
- Massedurchfluss,
- Volumendurchfluss
nicht mit einem normalen stationären Produktionszustand vergleichbar.
Eine Qualitätsfreigabe sollte deshalb erst erfolgen, nachdem:
- die Messstrecke vollständig gefüllt,
- eingeschlossene Luft ausgetragen,
- Dichte und Durchfluss stabil
sind.
Wie unterscheidet sich ein Produktwechsel von Lufteinschluss?
Bei einem geplanten Produktwechsel entsteht häufig ein relativ eindeutiger Übergang.
Beispiel:
Produkt A:
ρ ≈ 1.050 kg/m³
Produkt B:
ρ ≈ 980 kg/m³
Während des Übergangs kann zunächst ein Mischbereich auftreten.
Danach sollte sich der Wert jedoch auf dem für Produkt B erwarteten Niveau stabilisieren.
Bei Gasblasen ist der Verlauf häufig weniger reproduzierbar:
1.050 → 1.010 → 1.045 → 995 → 1.047 kg/m³
.
Zusätzlich können Massedurchfluss und weitere Diagnosegrößen gleichzeitig unruhig werden.
Die Stabilität nach dem Ereignis ist deshalb häufig genauso wichtig wie die eigentliche Dichteabweichung.
Welche Rolle spielen Pumpe und Saugseite?
Gasblasen können bereits vor dem Coriolis-Sensor entstehen.
Eine häufige Ursache ist die Saugseite einer Pumpe.
Mögliche Fehler sind:
- undichte Verschraubung,
- undichte Gleitringdichtung,
- zu geringe Zulaufhöhe,
- verstopfter Filter,
- zu hoher Pumpendurchsatz,
- zu niedriger Behälterfüllstand.
Dadurch kann Luft angesaugt oder der lokale Druck so stark abgesenkt werden, dass gelöste Gase aus dem Medium austreten.
Das Coriolis-Messgerät zeigt dann lediglich die Folgen einer Prozessstörung, obwohl der Sensor selbst technisch einwandfrei arbeitet.
Wie können Druckabfälle Gasblasen erzeugen?
Auch innerhalb einer vollständig geschlossenen Leitung können Gasblasen entstehen.
Ein Fluid kann Gase gelöst enthalten.
Sinkt der Druck ausreichend stark, können diese aus der Flüssigkeit austreten.
Typische Stellen mit deutlichem Druckabfall sind:
- Regelventile,
- Drosseln,
- Pumpeneinläufe,
- Engstellen,
- hohe Rohrleitungsabschnitte.
Tritt die Dichteabweichung immer nur bei einer bestimmten Ventilstellung beziehungsweise Pumpendrehzahl auf, sollte dieser Zusammenhang untersucht werden.
Welche Einbaubedingungen sind wichtig?
Coriolis-Durchflussmesser sind gegenüber dem klassischen Strömungsprofil häufig weniger empfindlich als viele andere Durchflussmessprinzipien.
Die Einbausituation ist trotzdem nicht beliebig.
Für Flüssigkeitsanwendungen sollte insbesondere sichergestellt werden, dass:
- die Messrohre vollständig gefüllt bleiben,
- Gas nicht dauerhaft im Sensor gesammelt wird,
- die Einbaulage zur Anwendung passt,
- Rohrleitungsspannungen möglichst vermieden werden,
- externe starke Vibrationen nicht unnötig eingekoppelt werden.
Die optimale Einbaulage hängt von Sensorbauform, Medium und Anwendung ab und sollte entsprechend der jeweiligen Herstelleranleitung gewählt werden.
Ein Messgerät mit korrekter Parametrierung kann eine dauerhaft ungünstige Zweiphasenströmung nicht vollständig kompensieren.
Wie lässt sich eine sinnvolle Dichteüberwachung parametrieren?
Eine einfache Überwachung verwendet einen unteren und oberen Dichtegrenzwert.
Beispiel:
995 ... 1.005 kg/m³ = normal
und:
außerhalb dieses Bereichs = Warnung
.
Eine solche feste Grenze funktioniert jedoch nur, wenn die normale Dichte ausreichend konstant ist.
Bei deutlicher Temperaturabhängigkeit ist eine dynamische Grenze besser.
Beispielsweise:
ρmin(T) ≤ ρmess ≤ ρmax(T)
Zusätzlich kann eine Zeitbedingung verwendet werden.
Ein einzelner kurzer Dichteimpuls muss dann nicht sofort einen Produktalarm auslösen.
Beispiel:
Dichte außerhalb Sollbereich länger als 10 s → Qualitätswarnung
Während:
sehr schneller Dichteeinbruch + unruhiger Durchfluss → Prozess-/Gasblasenalarm
getrennt behandelt werden kann.
Warum darf eine starke Dämpfung Gasblasen nicht verstecken?
Messwertdämpfung kann eine Anzeige optisch ruhiger machen.
Sie beseitigt jedoch nicht die Ursache einer instabilen Messung.
Eine sehr starke Dämpfung kann kurze Dichteschwankungen sogar so weit glätten, dass die eigentliche Prozessstörung kaum noch sichtbar ist.
Für die Prozessregelung kann eine gewisse Dämpfung sinnvoll sein.
Für Diagnose und Qualitätsüberwachung sollten jedoch möglichst auch ausreichend schnelle Roh- beziehungsweise Trendinformationen verfügbar bleiben.
Ein ruhiger angezeigter Wert ist nicht automatisch ein Beweis für einen ruhigen Prozess.
Wann ist eine externe Produktanalyse erforderlich?
Die Dichtemessung ist ein leistungsfähiger Inline-Indikator.
Sie kann jedoch nicht jede chemische Veränderung eindeutig identifizieren.
Zwei unterschiedliche Produkte können unter bestimmten Bedingungen:
dieselbe Dichte
besitzen.
Umgekehrt kann dieselbe Produktzusammensetzung bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Dichten zeigen.
Bei einer qualitätskritischen Entscheidung kann deshalb zusätzlich eine:
- Laboranalyse,
- Leitfähigkeitsmessung,
- Brechungsindexmessung,
- pH-Messung,
- spezifische Konzentrationsmessung
erforderlich sein.
Der Coriolis-Dichtewert eignet sich besonders gut als kontinuierlicher Indikator, der auffällige Prozesszustände frühzeitig sichtbar macht.
Praxisbeispiel: Dichte fällt während einer Abfüllung ab
Eine Flüssigkeit wird über einen Coriolis-Durchflussmesser zu einer Abfüllanlage gefördert.
Normaler Prozesszustand:
Dichte: 1.025 kg/m³
Temperatur: 22 °C
Massedurchfluss: stabil
Während einer Produktionsphase fällt die Dichte plötzlich auf:
985 kg/m³
.
Nach wenigen Sekunden liegt sie wieder bei:
1.023 kg/m³
.
Gleichzeitig zeigt der Massedurchfluss kurze Schwankungen.
Die Temperatur bleibt praktisch unverändert.
Bei der Trendanalyse zeigt sich außerdem, dass das Ereignis immer unmittelbar nach einer Erhöhung der Pumpendrehzahl auftritt.
Die Rezeptur selbst wurde nicht verändert.
Bei der Inspektion wird festgestellt, dass auf der Pumpensaugseite bei hoher Förderleistung der Druck deutlich absinkt.
Das Medium beginnt lokal zu entgasen.
Die dabei entstehenden Gasblasen gelangen durch den Coriolis-Sensor.
Nach Anpassung des Pumpenbetriebspunktes bleibt der Druck höher und die Dichte stabil.
Der niedrige Dichtewert war damit kein Beweis für eine fehlerhafte Produktzusammensetzung, sondern ein Prozessindikator für temporäre Zweiphasenströmung.
Dichteabweichungen systematisch diagnostizieren
- Normalen Dichtebereich des Produktes bestimmen.
- Aktuelle Produkttemperatur kontrollieren.
- Dichte mit der erwarteten temperaturabhängigen Dichte vergleichen.
- Zeitlichen Verlauf des Dichtewertes betrachten.
- Massedurchfluss gleichzeitig prüfen.
- Volumendurchfluss auf ungewöhnliche Sprünge kontrollieren.
- Prozessdruck beziehungsweise Pumpenzustand betrachten.
- Ventilstellungen und Prozessereignisse zeitlich zuordnen.
- Gerätediagnosen auswerten.
- Prüfen, ob das Messrohr vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist.
- Pumpe und Saugseite auf Lufteintrag prüfen.
- Druckabfälle und mögliche Entgasung untersuchen.
- Bei geplanten Produktwechseln Übergangsphase berücksichtigen.
- Bei dauerhafter Dichteänderung Produkt beziehungsweise Konzentration unabhängig verifizieren.
- Erst danach Gerätekalibrierung oder Sensorfehler als Ursache bewerten.
Coriolis-Messstelle für Qualitätsüberwachung planen
- Zu überwachendes Medium eindeutig definieren.
- Normalen Dichtebereich bestimmen.
- Temperaturabhängigkeit der Dichte berücksichtigen.
- Minimalen und maximalen Massedurchfluss festlegen.
- Passende Sensorgröße auswählen.
- Zulässigen Druckverlust bewerten.
- Prozessdruck und mögliche Entgasung berücksichtigen.
- Messstelle so planen, dass die Rohre vollständig gefüllt bleiben.
- Gasansammlung im Sensor vermeiden.
- Pumpe und Regelventile in die Prozessbetrachtung einbeziehen.
- Dichte, Temperatur und Massedurchfluss im Leitsystem verfügbar machen.
- Trendaufzeichnung für die relevanten Messgrößen vorsehen.
- Sollbereiche beziehungsweise temperaturabhängige Grenzwerte definieren.
- Gasblasen- und Qualitätsalarm nicht unkritisch gleichsetzen.
- Diagnosemeldungen des Messgerätes in SPS beziehungsweise Leitsystem integrieren.
Häufige Fehler
- Jede Dichteabweichung als Qualitätsfehler interpretieren: Gasblasen und Mehrphasigkeit können ebenfalls deutliche Dichteänderungen verursachen.
- Dichte ohne Temperatur betrachten: Eine normale thermische Dichteänderung kann fälschlich als Produktänderung bewertet werden.
- Nur einen Momentanwert auswerten: Zeitlicher Verlauf und Änderungsrate liefern wichtige Diagnoseinformationen.
- Massedurchfluss ignorieren: Gleichzeitig unruhiger Durchfluss kann ein wichtiger Hinweis auf Gasblasen sein.
- Prozessdruck nicht betrachten: Entgasung beziehungsweise Kavitation kann durch einen lokalen Druckabfall ausgelöst werden.
- Volumenstromsprünge direkt als echten Durchflussanstieg interpretieren: Der berechnete Volumenstrom wird durch eine veränderte Dichte beeinflusst.
- Anfahrphase als normalen Produktionszustand bewerten: Beim Wiederbefüllen können Luft und Flüssigkeit zeitweise gemeinsam durch den Sensor strömen.
- Dichtealarm zu eng einstellen: Normale Temperatur- und Prozessschwankungen können unnötige Alarme erzeugen.
- Dichtealarm zu stark verzögern: Kurze Gasblasenereignisse können vollständig verborgen bleiben.
- Starke Dämpfung als Fehlerbehebung verwenden: Die Anzeige wird ruhiger, die Prozessstörung bleibt bestehen.
- Coriolis als chemischen Analysator betrachten: Eine Dichteänderung ist nicht immer eindeutig einer bestimmten Zusammensetzungsänderung zuzuordnen.
- Sensor neu kalibrieren, bevor der Prozess geprüft wurde: Gasblasen, unvollständige Füllung oder Prozessinstabilität dürfen nicht in eine Gerätekorrektur übernommen werden.
SITRANS FC540 und FCT040 für Multiparametermessungen
Siemens SITRANS FC540
Für Anwendungen, bei denen neben dem Durchfluss zusätzliche Prozessinformationen wie Dichte und Temperatur benötigt werden, eignet sich beispielsweise das Siemens SITRANS FC540.
Das Multiparameter-Coriolis-System kombiniert:
SITRANS FCS500 Sensor + SITRANS FCT040 Messumformer
.
Damit stehen je nach Konfiguration unter anderem folgende Mess- und Auswertegrößen zur Verfügung:
- Massedurchfluss,
- Dichte,
- Temperatur,
- Volumendurchfluss,
- Konzentration beziehungsweise Fraktion,
- weitere Diagnose- und Zusatzfunktionen.
Der FCS500 ist für universelle Prozessanwendungen sowie entsprechende hygienische Anwendungen verfügbar.
Damit eignet sich das System unter anderem für:
- Produktüberwachung,
- Dosierung,
- Mischprozesse,
- Lebensmittel- und Getränkeprozesse,
- chemische Prozesse,
- Qualitäts- und Trendüberwachung.
Weitere Informationen finden Sie beim SITRANS FC520/540 Coriolis-Multiparameter-Durchflussmesssystem.
Siemens SITRANS FCT040
Der SITRANS FCT040 ist der erweiterte Messumformer der aktuellen SITRANS-FC-Coriolis-Familie.
Er kann mit unterschiedlichen SITRANS-FC-Sensoren kombiniert werden und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen zusätzlich zur klassischen Durchflussmessung weitere Prozessinformationen benötigt werden.
Je nach Ausführung beziehungsweise bestellter Funktion können unter anderem:
- Dichte,
- Temperatur,
- Konzentration beziehungsweise Fraktion,
- Viskosität,
- Chargenfunktionen,
- Rohrzustands- und Verifikationsfunktionen
genutzt werden.
Gerade für die hier beschriebene Anwendung ist entscheidend, dass Dichte nicht isoliert betrachtet werden muss, sondern zusammen mit weiteren Prozess- und Diagnoseinformationen ausgewertet werden kann.
Weitere Coriolis-Systeme finden Sie unter Coriolis-Durchflussmessung bei ICS Schneider.
Die vollständige Produktübersicht finden Sie unter Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider.
Fazit
Die Dichtemessung eines Coriolis-Durchflussmessers kann weit mehr leisten als lediglich einen zusätzlichen Zahlenwert auszugeben.
Bei einem bekannten Produkt kann sie als empfindlicher kontinuierlicher Indikator für Prozess- und Qualitätsänderungen genutzt werden.
Eine Dichteabweichung darf jedoch nicht automatisch als Änderung der Produktzusammensetzung interpretiert werden.
Gasblasen und Zweiphasenströmung können ebenfalls zu deutlich niedrigeren beziehungsweise stark schwankenden Dichtewerten führen.
Die Unterscheidung gelingt deshalb am zuverlässigsten über die Kombination mehrerer Informationen.
Eine echte Produktänderung führt häufig zu einem neuen, reproduzierbaren Dichteniveau, das mit Temperatur und Prozessablauf plausibel zusammenpasst.
Gasblasen zeigen dagegen häufig schnelle beziehungsweise unruhige Dichteänderungen und treten gleichzeitig mit Schwankungen des Massedurchflusses, Druckänderungen oder anderen Diagnosehinweisen auf.
Auch diese Unterscheidung ist jedoch keine universelle mathematische Regel. Ein stabiler Gasanteil kann beispielsweise einen dauerhaft verschobenen Dichtewert erzeugen.
Für qualitätskritische Prozesse sollten deshalb Dichte, Temperatur, Massedurchfluss, Druck und Geräte-Diagnose gemeinsam getrendet werden.
Der Coriolis-Dichtewert wird damit besonders wertvoll, wenn er nicht isoliert als Produktwert betrachtet wird, sondern als Bestandteil einer Multiparameter-Prozessdiagnose: Dichteänderung erkennen, Temperaturbezug prüfen, zeitliche Dynamik bewerten, Massedurchfluss und Prozessdruck vergleichen und erst anschließend entscheiden, ob tatsächlich eine Produktänderung oder eine Störung durch Gasblasen vorliegt.
FAQ: Coriolis-Dichte als Qualitätsindikator
Kann ein Coriolis-Durchflussmesser die Dichte messen?
Ja. Neben dem Massedurchfluss kann aus dem Schwingungsverhalten beziehungsweise der Resonanzfrequenz der Messrohre die Dichte des enthaltenen Mediums bestimmt werden.
Kann der Dichtewert zur Qualitätskontrolle verwendet werden?
Ja. Bei einem bekannten Produkt kann ein veränderter Dichtewert auf Konzentrations-, Mischungs- oder Produktänderungen hinweisen. Der Wert sollte jedoch zusammen mit Temperatur und weiteren Prozessgrößen bewertet werden.
Warum verändern Gasblasen den gemessenen Dichtewert?
Gas besitzt eine deutlich niedrigere Dichte als die Flüssigkeit. Befinden sich Gas und Flüssigkeit gleichzeitig im Messrohr, verändert sich die erfasste Gemischdichte und zusätzlich das Schwingungsverhalten des Coriolis-Sensors.
Bedeutet eine niedrige Dichte automatisch Gasblasen?
Nein. Auch ein anderes Produkt, Verdünnung oder eine Temperaturänderung können die Dichte reduzieren. Der Dichtewert allein erlaubt deshalb keine eindeutige Ursachenbestimmung.
Wie erkenne ich Gasblasen im Coriolis-Signal?
Typische Hinweise sind schnelle beziehungsweise unruhige Dichteschwankungen, gleichzeitig instabiler Massedurchfluss sowie ein Zusammenhang mit Pumpen-, Ventil- oder Druckänderungen. Zusätzliche Gerätediagnosen sollten ebenfalls ausgewertet werden.
Wie sieht eine echte Produktänderung typischerweise aus?
Häufig verschiebt sich der Dichtewert auf ein neues stabiles Niveau und bleibt dort. Die Änderung sollte mit Temperatur, Rezeptur und tatsächlichem Prozessablauf plausibel zusammenpassen.
Warum muss die Temperatur zusammen mit der Dichte betrachtet werden?
Die Dichte vieler Flüssigkeiten ist temperaturabhängig. Eine normale Temperaturänderung kann daher einen Dichteunterschied verursachen, obwohl sich die Produktzusammensetzung überhaupt nicht verändert hat.
Warum ist der Prozessdruck für die Diagnose wichtig?
Bei sinkendem Druck können gelöste Gase aus einer Flüssigkeit austreten oder Kavitation entstehen. Tritt eine Dichtestörung gleichzeitig mit einem Druckabfall auf, ist dies ein wichtiger Hinweis auf eine Prozessstörung.
Kann ein Produkt mit Gasblasen trotzdem einen stabilen Dichtewert anzeigen?
Ja. Ein relativ konstanter Gasanteil kann unter Umständen zu einem dauerhaft verschobenen Dichtewert führen. Deshalb ist auch ein stabiler Wert allein kein sicherer Beweis für ein einphasiges Medium.
Warum kann der Volumendurchfluss bei Gasblasen stark springen?
Der Volumendurchfluss kann aus Massedurchfluss und Dichte berechnet werden. Verändert sich die Dichte schnell, beeinflusst dies deshalb auch den daraus berechneten Volumenstrom.
Kann eine starke Messwertdämpfung das Problem lösen?
Nein. Dämpfung kann die Anzeige ruhiger machen, beseitigt jedoch weder Gasblasen noch Zweiphasenströmung. Eine zu starke Dämpfung kann wichtige Diagnoseinformationen sogar verdecken.
Welche Werte sollte ich gemeinsam trendieren?
Besonders sinnvoll sind Dichte, Massedurchfluss, Temperatur, Volumendurchfluss, gegebenenfalls Prozessdruck sowie Geräte- und Prozessstatusmeldungen.
Welcher Siemens Coriolis-Durchflussmesser eignet sich für Dichte- und Prozessüberwachung?
Ein konkretes Beispiel ist der SITRANS FC540 mit FCS500-Sensor und FCT040-Messumformer. Das System stellt neben Massedurchfluss auch Dichte, Temperatur und weitere Multiparameter- beziehungsweise Diagnosefunktionen zur Verfügung.
Kann die Coriolis-Dichte eine Laboranalyse vollständig ersetzen?
Nicht in jeder Anwendung. Dichte ist ein sehr leistungsfähiger kontinuierlicher Prozessindikator, aber unterschiedliche Stoffzusammensetzungen können unter bestimmten Bedingungen dieselbe Dichte besitzen. Bei qualitätskritischen Entscheidungen kann deshalb eine zusätzliche analytische Messung erforderlich sein.