Konzentration mit Coriolis-Dichte bestimmen: Temperaturkompensation richtig einsetzen

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Eine Coriolis-Dichtemessung kann die Konzentration eines Flüssigkeitsgemisches kontinuierlich im Prozess bestimmen, wenn die Beziehung zwischen Dichte, Temperatur und Zusammensetzung des konkreten Produktes bekannt und korrekt hinterlegt ist.

Ein Coriolis-Durchflussmesser misst nicht nur den Massedurchfluss. Aus dem Schwingungsverhalten seiner Messrohre lässt sich gleichzeitig die Dichte des Mediums bestimmen, während ein integrierter Temperatursensor die Prozesstemperatur erfasst.

Damit stehen genau die Größen zur Verfügung, die für viele Inline-Konzentrationsmessungen benötigt werden:

Konzentration = f(Dichte, Temperatur, Produktkennlinie)

Entscheidend ist jedoch der letzte Bestandteil dieser Beziehung. Die gleiche Dichte kann bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedenen Konzentrationen entsprechen. Ebenso können zwei verschiedene Produkte bei gleicher Dichte völlig unterschiedliche Zusammensetzungen besitzen.

Eine präzise Dichtemessung allein ist deshalb noch keine Konzentrationsmessung. Erst die richtige temperaturabhängige Produktkennlinie macht aus dem gemessenen Dichtewert eine belastbare Konzentrationsangabe.

Besonders passend für diese Aufgaben ist der Siemens SITRANS FCT040 Messumformer. Er unterstützt neben Massedurchfluss, Dichte und Temperatur auch Funktionen für Konzentration beziehungsweise Fraktion. Als komplettes Coriolis-Messsystem kann er beispielsweise im SITRANS FC540 oder für kleine Durchflüsse im SITRANS FC140 eingesetzt werden.

Weitere Lösungen finden Sie unter Coriolis-Durchflussmesstechnik sowie in der gesamten Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider.

Wie misst ein Coriolis-Gerät die Dichte?

Bei einem Coriolis-Durchflussmesser werden ein oder mehrere Messrohre gezielt in Schwingung versetzt.

Der Massedurchfluss wird aus der durch die Corioliskraft verursachten Veränderung der Rohrschwingung bestimmt.

Gleichzeitig hängt die Eigenfrequenz beziehungsweise Schwingungsperiode des Messrohres von dessen Gesamtmasse ab.

Diese setzt sich im Wesentlichen zusammen aus:

• der bekannten Masse des Messrohres,
• der Masse des Mediums im Messrohr.

Ändert sich die Dichte des Mediums, verändert sich damit auch die Masse des gefüllten Messrohres und folglich dessen Schwingungsverhalten.

Aus diesem Zusammenhang berechnet die Elektronik die aktuelle Flüssigkeitsdichte.

Mehrere Prozessgrößen aus einem Messsystem

Ein modernes Coriolis-System kann gleichzeitig erfassen beziehungsweise daraus berechnen:

• Massedurchfluss,
• Dichte,
• Prozesstemperatur,
• Volumendurchfluss,
• Konzentration beziehungsweise Fraktion.

Gerade für Misch-, Dosier- und Qualitätsprozesse ist diese Kombination interessant, weil kein separater Dichtesensor in einer Bypassleitung erforderlich sein muss.

Wie wird aus Dichte eine Konzentration?

Die Dichte eines Gemisches verändert sich häufig systematisch mit dem Anteil seiner Komponenten.

Bei einem Gemisch aus einem Trägerstoff A und einer Komponente B kann beispielsweise eine Konzentration angegeben werden als:

c = mB / (mA + mB)

Die Dichte lässt sich dann vereinfacht als Funktion schreiben:

ρ = f(c, T)

Für die Auswertung wird dieser Zusammenhang umgekehrt:

c = f(ρ, T)

Der Messumformer erfasst also die aktuelle Dichte und Temperatur und berechnet daraus anhand einer hinterlegten Kennlinie die Konzentration.

Typische Anwendungen

• Zucker in Wasser,
• Alkohol-Wasser-Gemische,
• Laugen und Säuren,
• Glykol-Wasser-Gemische,
• CIP-Reinigungsmedien,
• Sirup und Getränkegrundstoffe,
• chemische Lösungen und Mischprozesse.

Ob das Verfahren geeignet ist, hängt davon ab, ob zwischen Dichte, Temperatur und gewünschter Konzentrationsgröße eine ausreichend eindeutige Beziehung besteht.

Warum muss die Temperatur berücksichtigt werden?

Flüssigkeiten ändern ihre Dichte mit der Temperatur.

Bei vielen Flüssigkeiten nimmt die Dichte mit steigender Temperatur ab, obwohl sich ihre chemische Zusammensetzung überhaupt nicht verändert.

Ohne Temperaturkompensation entsteht deshalb ein scheinbarer Konzentrationsfehler

Angenommen, eine Lösung besitzt während des gesamten Prozesses eine konstante Zusammensetzung.

Die Temperatur steigt jedoch von:

20 °C

auf:

50 °C

Die gemessene Dichte verändert sich.

Würde die Auswertung ausschließlich mit einer Dichte-Konzentrations-Kennlinie für 20 °C arbeiten, würde sie aus dieser Dichteänderung fälschlicherweise eine Veränderung der Konzentration berechnen.

Die richtige Auswertung benötigt deshalb beide Messwerte

Dichte + Temperatur

Die Produktkennlinie beschreibt, welche Dichte das jeweilige Gemisch bei einer bestimmten Konzentration und Temperatur besitzt.

Temperaturkompensation bedeutet dabei nicht, einen beliebigen Korrekturfaktor auf den Messwert aufzuschlagen. Die hinterlegte Beziehung muss zum tatsächlichen Stoffsystem und zum gültigen Temperaturbereich passen.

Warum ist die Produktkennlinie entscheidend?

Eine Dichte von beispielsweise 1.100 kg/m³ besitzt für sich allein keine eindeutige Aussage über eine Konzentration.

Sie kann je nach Medium zu völlig unterschiedlichen Zusammensetzungen gehören.

Für die Konzentrationsberechnung müssen deshalb bekannt sein

• Komponente beziehungsweise Produkt,
• Trägerflüssigkeit,
• gewünschte Konzentrationsdefinition,
• gültiger Konzentrationsbereich,
• gültiger Temperaturbereich.

Eine Kennlinie für:

Saccharose + Wasser

darf beispielsweise nicht ohne Weiteres für:

Glykol + Wasser

verwendet werden.

Auch innerhalb derselben Produktgruppe können Unterschiede entstehen

Ein Getränkesirup enthält neben Zucker möglicherweise:

• Säuren,
• Aromen,
• Salze,
• Farbstoffe,
• weitere gelöste Feststoffe.

Seine Dichte-Konzentrations-Beziehung muss deshalb nicht exakt der einer reinen Saccharose-Wasser-Lösung entsprechen.

Für anspruchsvolle Anwendungen sollte die verwendete Kennlinie daher immer gegen reale Produktproben beziehungsweise eine geeignete Laborreferenz geprüft werden.

Brix und andere Konzentrationseinheiten richtig interpretieren

Eine häufig verwendete Konzentrationsgröße in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie ist:

°Bx

beziehungsweise Grad Brix.

Bei einer reinen Saccharose-Wasser-Lösung entspricht der Brix-Wert dem Massenanteil an Saccharose.

Beispiel

20 °Bx

entspricht bei der definierten Saccharose-Wasser-Beziehung einer Lösung mit einem entsprechenden Zucker-Massenanteil.

Bei realen Produkten muss genauer hingesehen werden

Enthält das Produkt neben Saccharose weitere gelöste Stoffe, kann ein aus Dichte berechneter Brix-Wert eher eine prozessbezogene Vergleichsgröße als eine exakte chemische Analyse des Saccharoseanteils darstellen.

Dasselbe gilt grundsätzlich für andere aus Dichte abgeleitete Größen.

Je nach Anwendung können beispielsweise ausgegeben werden:

• Massenprozent,
• Volumenprozent,
• °Bx,
• Alkoholanteil,
• kundenspezifische Fraktion.

Die Einheit muss zur verwendeten Produktkennlinie passen.

Produktwechsel und Rezepturänderungen berücksichtigen

Eine korrekt konfigurierte Konzentrationsmessung kann nach einem Produktwechsel plötzlich plausible, aber trotzdem falsche Werte liefern.

Typisches Beispiel

Eine Anlage verarbeitet zunächst Produkt A.

Für dieses Produkt ist eine passende Dichte-Temperatur-Kennlinie hinterlegt.

Später wird Produkt B gefahren.

Beide Produkte besitzen ähnliche Dichtebereiche, aber unterschiedliche Zusammensetzungen.

Bleibt die Kennlinie von Produkt A aktiv, wird die gemessene Dichte weiterhin mathematisch korrekt verarbeitet – das Ergebnis beschreibt jedoch nicht die tatsächliche Konzentration von Produkt B.

Bei Mehrprodukt-Anlagen sollte deshalb eindeutig geregelt sein

• welcher Produktdatensatz aktiv ist,
• wann zwischen Kennlinien umgeschaltet wird,
• wie Zwischen- und Spülphasen behandelt werden,
• welche Werte während eines Produktwechsels gültig sind.

Besonders sinnvoll ist eine eindeutige Rezeptur- beziehungsweise Chargenzuordnung über SPS oder Prozessleitsystem.

Wann funktioniert die Dichte-Konzentrations-Methode besonders gut?

Besonders günstig sind Zweikomponentensysteme, bei denen sich die Dichte über den relevanten Konzentrations- und Temperaturbereich eindeutig mit der Zusammensetzung verändert.

Typische Beispiele sind:

• Zucker und Wasser,
• Glykol und Wasser,
• bestimmte Laugen und Wasser,
• definierte Säure-Wasser-Gemische.

Wichtig ist die Eindeutigkeit

Für jedes Wertepaar aus:

Dichte + Temperatur

sollte innerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereiches möglichst eindeutig eine Konzentration bestimmbar sein.

Besitzt die Kennlinie Bereiche mit geringer Steigung, können bereits kleine Dichteabweichungen zu größeren Konzentrationsabweichungen führen.

Grenzen bei Mehrkomponentengemischen

Bei einem Gemisch aus drei oder mehr veränderlichen Komponenten ist die Dichte allein häufig nicht ausreichend, um die Zusammensetzung eindeutig zu bestimmen.

Beispiel

Ein Prozessmedium enthält:

• Wasser,
• Zucker,
• Alkohol.

Unterschiedliche Kombinationen dieser drei Komponenten können unter Umständen dieselbe Gesamtdichte erzeugen.

Aus Dichte und Temperatur allein lässt sich dann nicht eindeutig bestimmen, welcher Anteil jeder einzelnen Komponente vorliegt.

Die Coriolis-Dichtemessung bleibt trotzdem nützlich

Sie kann beispielsweise verwendet werden für:

• Rezepturüberwachung,
• Erkennung von Produktabweichungen,
• Trendüberwachung,
• Qualitätsgrenzen,
• Prozessregelung auf einen empirisch bestimmten Zielwert.

Für eine eindeutige chemische Zusammensetzungsanalyse kann jedoch eine zusätzliche Messgröße beziehungsweise Labormethode erforderlich sein.

Warum Gasblasen die Dichtemessung stören

Mitgerissene Gasblasen gehören zu den wichtigsten Störgrößen einer Coriolis-Dichte- und Konzentrationsmessung an Flüssigkeiten.

Gas besitzt eine wesentlich geringere Dichte als die Flüssigkeit.

Enthält das Messrohr gleichzeitig Flüssigkeit und Gas, verändert sich deshalb die vom Sensor erfasste Gemischdichte.

Zusätzlich beeinflusst Zweiphasenströmung das Schwingungsverhalten

Mögliche Folgen sind:

• zu niedrige oder instabile Dichtewerte,
• springende Konzentrationsanzeige,
• instabiler Massedurchfluss,
• erhöhte Messunsicherheit,
• Diagnosemeldungen des Messsystems.

Typische Ursachen für Gas im Medium

• undichte Saugseite einer Pumpe,
• Entgasung bei Druckabfall,
• zu niedriger Prozessdruck,
• starke Schaumbildung,
• leere beziehungsweise teilweise gefüllte Rohrleitung,
• Lufteinschluss nach Wartungsarbeiten.

Eine Konzentrationskorrektur darf nicht dazu verwendet werden, eine instabile Zweiphasenströmung rechnerisch zu kaschieren. Zuerst muss ein reproduzierbarer einphasiger Messzustand hergestellt werden.

Vollständig gefüllte Messrohre sicherstellen

Für eine zuverlässige Flüssigkeitsdichtemessung müssen die Messrohre vollständig mit dem Prozessmedium gefüllt sein.

Bei der Einbauplanung ist deshalb darauf zu achten, dass sich am Messgerät keine Gaspolster sammeln.

Zu berücksichtigen sind insbesondere

• Einbaulage,
• Fließrichtung,
• Position von Pumpen,
• höchster beziehungsweise niedrigster Rohrleitungspunkt,
• Prozessdruck,
• Entlüftungsmöglichkeiten.

Die optimale Orientierung hängt vom Messgerät, der Rohrgeometrie und dem Medium ab und sollte entsprechend den Herstellerangaben gewählt werden.

Was hat der Nullpunkt mit der Konzentrationsmessung zu tun?

Beim Coriolis-Messgerät wird häufig vom Nullpunktabgleich gesprochen.

Dabei muss zwischen Massedurchfluss- und Dichtemessung unterschieden werden.

Der klassische Nullpunktabgleich betrifft primär den Massedurchfluss

Bei vollständig gefülltem Messrohr und tatsächlich stillstehendem Medium wird das Nullsignal des Durchflusses bestimmt.

Ein fehlerhafter Durchflussnullpunkt kann insbesondere bei kleinen Massedurchflüssen einen relevanten Messfehler verursachen.

Eine falsche Konzentrationsanzeige wird dadurch jedoch nicht automatisch korrigiert

Liegt die Ursache beispielsweise in:

• einer falschen Produktkennlinie,
• einem falschen Temperaturwert,
• Gasblasen,
• einer fehlerhaften Dichtekalibrierung

ist ein erneuter Durchfluss-Nullpunktabgleich nicht die richtige Maßnahme.

Ein Nullpunktabgleich und eine Dichte- beziehungsweise Konzentrationsüberprüfung sind zwei unterschiedliche Aufgaben.

Dichtemessung überprüfen statt falsch nachjustieren

Wenn die berechnete Konzentration nicht mit einer Laboranalyse übereinstimmt, sollte systematisch geprüft werden, an welcher Stelle der Messkette die Abweichung entsteht.

Sinnvolle Reihenfolge

1. Prozesszustand auf Gasblasen und vollständige Rohrfüllung prüfen.
2. Gemessene Temperatur mit einer geeigneten Referenz vergleichen.
3. Gemessene Dichte mit einer geeigneten Referenzprobe vergleichen.
4. Aktive Produktkennlinie kontrollieren.
5. Bezugsbedingungen und Konzentrationseinheit prüfen.
6. Erst anschließend gegebenenfalls die Produktkorrelation anpassen.

Wichtig bei der Probenahme

Die Laborprobe muss möglichst denselben Prozesszustand repräsentieren wie die Inline-Messung.

Werden Probe und Messwert zeitlich weit auseinander erfasst, können bereits reale Prozessänderungen den Vergleich verfälschen.

Einfluss des Prozessdrucks

Der Prozessdruck steht bei einer Dichte-Konzentrationsmessung meist weniger im Vordergrund als die Temperatur, kann aber bei anspruchsvollen Anwendungen ebenfalls relevant sein.

Der Druck kann auf zwei Wegen wirken

• die Dichte kompressibler Medien verändert sich mit dem Druck,
• der mechanische Zustand der Messrohre kann vom Prozessdruck beeinflusst werden.

Besonders bei hohen Drücken, sehr hohen Genauigkeitsanforderungen oder stark kompressiblen Medien sollte deshalb geprüft werden, ob eine Druckkompensation erforderlich ist.

Der SITRANS FCT040 bietet hierfür auch Funktionen zur dynamischen Druckkompensation.

Coriolis-Messgerät richtig einbauen

Coriolis-Messgeräte benötigen für die eigentliche Messung in vielen Anwendungen keine langen geraden Ein- und Auslaufstrecken wie bestimmte andere Durchflussmessprinzipien.

Das bedeutet jedoch nicht, dass die Einbausituation beliebig ist.

Für eine stabile Dichte- und Konzentrationsmessung sind besonders wichtig

• vollständig gefüllte Messrohre,
• keine Ansammlung von Gas oder Sediment,
• spannungsfreie Rohrleitungsmontage,
• geeignete Rohrleitungsabstützung,
• Vermeidung starker externer Vibrationen,
• ausreichender Prozessdruck gegen Ausgasung,
• geeignete Einbaulage entsprechend dem Medium.

Mechanische Rohrspannung vermeiden

Der Durchflussmesser sollte nicht dazu verwendet werden, schlecht ausgerichtete Rohrleitungen mechanisch zusammenzuziehen.

Übermäßige Rohrkräfte können die Messbedingungen verändern und die mechanische Belastung des Gerätes erhöhen.

Mischen, Dosieren und schnelle Konzentrationsänderungen

Bei kontinuierlichen Mischprozessen kann die Konzentration direkt als Regelgröße verwendet werden.

Beispiel

Ein Grundmedium wird kontinuierlich mit einer konzentrierten Komponente gemischt.

Der Coriolis-Durchflussmesser erfasst:

• Massedurchfluss,
• Dichte,
• Temperatur,
• daraus berechnete Konzentration.

Die Konzentration kann anschließend an die SPS beziehungsweise das Prozessleitsystem übertragen und zur Regelung eines Dosierventils oder einer Pumpe verwendet werden.

Dabei ist die Prozessdynamik zu beachten

Zwischen:

• Dosierstelle,
• Mischstrecke,
• Coriolis-Messgerät

besteht eine reale Transport- und Mischzeit.

Eine zu aggressive Regelung kann deshalb trotz sehr schneller Messwertaktualisierung zu einem schwingenden Prozess führen.

Die Messstelle sollte hinter einer ausreichend homogenen Mischstrecke angeordnet werden.

Inline-Wert mit Laborreferenz abgleichen

Gerade bei kundenspezifischen Produkten ist ein Vergleich mit einer etablierten Laborreferenz empfehlenswert.

Vorgehensweise

1. Produkt bei stabilem Prozesszustand fahren.
2. Dichte, Temperatur und berechnete Konzentration des Coriolis-Gerätes speichern.
3. Nahezu gleichzeitig eine repräsentative Probe entnehmen.
4. Probe mit der etablierten Referenzmethode analysieren.
5. Mehrere Konzentrations- und Temperaturpunkte vergleichen.
6. Abweichungen über den gesamten Arbeitsbereich bewerten.

Ein einzelner Abgleichpunkt reicht für eine belastbare Produktkennlinie häufig nicht aus.

Mehrere Punkte zeigen

• Offsetfehler,
• Steigungsfehler,
• Nichtlinearitäten,
• Temperaturabhängigkeiten.

Erst daraus lässt sich beurteilen, ob eine einfache Korrektur ausreichend ist oder eine eigene Produktkennlinie benötigt wird.

Praxisbeispiel: Konzentration driftet mit der Temperatur

In einer Mischanlage wird die Konzentration einer wässrigen Prozesslösung über die Inline-Dichtemessung eines Coriolis-Durchflussmessers überwacht.

Bei Produktionsbeginn beträgt die Temperatur:

20 °C

Die Anzeige stimmt mit der Laboranalyse überein.

Während der Produktion steigt die Temperatur auf:

45 °C

Die Rezeptur und damit der tatsächliche Stoffanteil bleiben unverändert.

Fehlerbild

Die angezeigte Konzentration sinkt trotzdem kontinuierlich.

Erste Prüfung

Massedurchfluss und Dichtewerte sind stabil und plausibel.

Es gibt keine Hinweise auf Gasblasen.

Ursache

In der Auswertung wurde lediglich eine einfache Dichte-Konzentrations-Zuordnung bei einer festen Referenztemperatur verwendet.

Die tatsächliche temperaturabhängige Produktkennlinie wurde nicht berücksichtigt.

Lösung

Die Konzentrationsberechnung wird auf eine passende Dichte-Temperatur-Kennlinie des tatsächlichen Produktes umgestellt.

Anschließend werden mehrere Betriebspunkte mit Laborproben überprüft.

Ergebnis

Die berechnete Konzentration bleibt nun auch bei wechselnder Prozesstemperatur innerhalb der geforderten Toleranz.

Das Beispiel zeigt, warum ein sehr genauer Dichtewert trotzdem zu einer falschen Konzentration führen kann: Die messtechnische Qualität der Dichtemessung und die Qualität der Produktkennlinie sind zwei getrennte Bestandteile der Gesamtmessung.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Konzentration ändert sich mit Temperatur	Temperaturkompensation oder Kennlinie falsch	Produktkennlinie und Temperaturwert prüfen
Dichte stimmt, Konzentration aber nicht	falscher Produktdatensatz	aktive Kennlinie und Einheit kontrollieren
Dichte springt stark	Gasblasen oder Zweiphasenströmung	Rohrfüllung und Prozessdruck prüfen
Dichte ist dauerhaft zu niedrig	mitgerissenes Gas oder falsche Dichtekalibrierung	Prozesszustand und Referenzdichte prüfen
Messung stimmt nach Produktwechsel nicht mehr	Kennlinie des vorherigen Produktes aktiv	Rezeptur- beziehungsweise Datensatzumschaltung prüfen
Laborwert und Inline-Wert unterscheiden sich konstant	Offset beziehungsweise abweichende Referenzbedingungen	gleichzeitige Probe und Inline-Wert vergleichen
Abweichung wird bei hoher Konzentration größer	Kennliniensteigung oder Nichtlinearität falsch	mehrere Konzentrationspunkte prüfen
Nur Massedurchfluss bei kleinen Raten falsch	Durchflussnullpunkt	Nullpunkt unter korrekten Bedingungen prüfen
Konzentrationsfehler bleibt nach Nullabgleich bestehen	Fehler liegt nicht im Durchflussnullpunkt	Dichte, Temperatur und Produktkennlinie prüfen
Messung instabil nach Pumpenstart	Gasansaugung oder Kavitation	Saugseite, Druckniveau und Pumpenbetrieb prüfen
Wert stimmt bei einem Produkt, bei anderem nicht	unterschiedliche Dichte-Konzentrations-Beziehung	produktspezifische Kennlinie verwenden
Brix stimmt nicht mit Labor überein	Produkt ist keine reine Saccharose-Wasser-Lösung oder Referenzmethode unterscheidet sich	Produktmatrix und Bezugsdefinition prüfen
Messwert driftet langsam während des Betriebes	Ablagerungen oder veränderte Messrohreigenschaften	Diagnose und Rohrzustand prüfen

Empfohlener Auslegungs- und Prüfablauf

1. Messaufgabe definieren: Festlegen, welche Konzentrationsgröße benötigt wird.
2. Produktzusammensetzung prüfen: Zweikomponenten- oder Mehrkomponentengemisch unterscheiden.
3. Konzentrationsbereich bestimmen: Minimalen und maximalen Betriebswert erfassen.
4. Temperaturbereich bestimmen: Reale Prozessgrenzen berücksichtigen.
5. Dichtebereich bestimmen: Dichten des Produktes über den Arbeitsbereich ermitteln.
6. Produktkennlinie auswählen: Herstellerkennlinie oder kundenspezifischen Datensatz verwenden.
7. Einheit definieren: Beispielsweise Massen-%, Volumen-% oder °Bx.
8. Coriolis-System auswählen: Durchfluss, Nennweite, Werkstoff und Prozessanschluss berücksichtigen.
9. Dichtegenauigkeit berücksichtigen: Nicht nur die Massedurchflussgenauigkeit vergleichen.
10. Einbaulage festlegen: Vollständige Rohrfüllung und Gasfreiheit sicherstellen.
11. Prozessdruck prüfen: Ausgasung beziehungsweise Kavitation vermeiden.
12. Rohrleitungen spannungsfrei montieren: Mechanische Zusatzbelastungen vermeiden.
13. Temperaturmesswert kontrollieren: Plausibilität vor Konzentrationsabgleich prüfen.
14. Dichtewert überprüfen: Geeignete Referenzprobe beziehungsweise Referenzmedium verwenden.
15. Nullpunkt getrennt betrachten: Durchflussnullpunkt nur bei entsprechender Ursache korrigieren.
16. Mehrere Referenzpunkte aufnehmen: Konzentration und Temperatur über den relevanten Bereich variieren.
17. Laborvergleich durchführen: Proben möglichst gleichzeitig mit den Inline-Werten erfassen.
18. Produktkennlinie verifizieren: Offset, Steigung und Temperaturverhalten beurteilen.
19. Produktwechsel definieren: Automatische oder manuelle Kennlinienumschaltung festlegen.
20. Gasblasen diagnostizieren: Instabile Dichtewerte nicht durch Kennlinienkorrektur kompensieren.
21. Grenzwerte einrichten: Unplausible Dichte-, Temperatur- oder Konzentrationswerte erkennen.
22. Messstelle dokumentieren: Produkt, Kennlinie, Temperaturbereich und Referenzmethode festhalten.
23. Regelmäßig verifizieren: Besonders nach Produkt-, Prozess- oder Wartungsänderungen.

Passende Coriolis-Systeme bei ICS Schneider

Siemens SITRANS FCT040 – für Dichte und Inline-Konzentration

Der Siemens SITRANS FCT040 ist der erweiterte Messumformer der SITRANS-FC-Coriolis-Baureihe und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen neben dem Durchfluss zusätzliche Prozessinformationen benötigt werden.

Zu den verfügbaren Mess- und Auswertefunktionen gehören je nach Ausführung beziehungsweise Konfiguration:

• Massedurchfluss,
• Dichte,
• Temperatur,
• Volumendurchfluss,
• Konzentration beziehungsweise Fraktion,
• Viskosität,
• Wärmeenergie.

Für den FCT040 wird bei entsprechender Systemausführung eine typische Dichtemessgenauigkeit bis:

±0,5 kg/m³

angegeben.

Zusätzlich stehen Funktionen für Standard-Konzentrationsmessungen und erweiterte Fraktionsmessungen zur Verfügung.

Vorkonfigurierte Konzentrationsanwendungen

Für geeignete Konfigurationen stehen unter anderem definierte Stoffsysteme zur Verfügung, beispielsweise:

• Saccharose/Wasser mit Ausgabe in °Bx,
• Natriumhydroxid/Wasser,
• Kaliumhydroxid/Wasser,
• Salzsäure/Wasser,
• Ethylenglykol/Wasser,
• Methanol/Wasser,
• Alkohol/Wasser.

Die jeweils zulässigen Konzentrations- und Temperaturbereiche müssen bei der Geräteauswahl berücksichtigt werden.

SITRANS FC540 – Universal- und Hygieneanwendungen

Das SITRANS FC540 kombiniert den FCS500-Messaufnehmer mit dem erweiterten FCT040-Messumformer.

Das System eignet sich besonders für Anwendungen in:

• Lebensmittelindustrie,
• Getränkeindustrie,
• Pharmaindustrie,
• allgemeiner Prozessindustrie.

Der FCS500 ist mit doppelt gekrümmten Messrohren aus Edelstahl AISI 316L verfügbar und kann mit Hygiene-Prozessanschlüssen ausgeführt werden.

SITRANS FC140 – kleine Durchflüsse und hochwertige Medien

Das SITRANS FC140 kombiniert den Präzisionssensor FCS100 mit dem FCT040.

Es eignet sich insbesondere für:

• kleine Durchflussmengen,
• Pilotanlagen,
• Forschung und Entwicklung,
• hochwertige Zusatzstoffe,
• präzise Misch- und Dosierprozesse.

Für Konzentrationsmessungen bei kleinen Prozessmengen ist diese Kombination besonders interessant, weil Massedurchfluss, Dichte und Temperatur innerhalb desselben Multiparameter-Messsystems zur Verfügung stehen.

Weitere Systeme finden Sie unter Coriolis-Durchflussmessung bei ICS Schneider.

Fazit

Die Coriolis-Dichtemessung bietet eine leistungsfähige Möglichkeit, die Konzentration von Flüssigkeitsgemischen direkt und kontinuierlich im Prozess zu bestimmen.

Dichte allein reicht nicht aus

Für die Konzentration muss bekannt sein, wie Dichte, Temperatur und Zusammensetzung des konkreten Produktes zusammenhängen.

Die Temperaturkompensation ist unverzichtbar

Eine temperaturbedingte Dichteänderung darf nicht als Änderung der Produktkonzentration interpretiert werden.

Die Produktkennlinie bestimmt die Qualität der Umrechnung

Eine Kennlinie muss zum tatsächlichen Stoffsystem, Konzentrationsbereich und Temperaturbereich passen.

Produktwechsel erfordern die richtige Kennlinie

Ein messtechnisch korrekter Dichtewert kann bei Verwendung des falschen Produktdatensatzes trotzdem zu einer falschen Konzentrationsanzeige führen.

Gasblasen sind ein Prozessproblem

Zweiphasenströmung beeinflusst die Dichte- und Coriolis-Messung und sollte nicht durch rechnerische Korrekturen kaschiert werden.

Nullpunkt und Dichte sind unterschiedliche Themen

Der klassische Coriolis-Nullpunktabgleich betrifft primär den Massedurchfluss und korrigiert keine falsche Konzentrationskennlinie.

Laborvergleich bleibt bei kundenspezifischen Produkten wichtig

Mehrere Referenzpunkte über Konzentrations- und Temperaturbereich zeigen, ob die hinterlegte Produktkorrelation den realen Prozess ausreichend genau beschreibt.

Für die Praxis gilt

Produkt und Konzentrationsgröße definieren → Temperatur- und Dichtebereich erfassen → passende Produktkennlinie wählen → geeignete Coriolis-Dichtegenauigkeit festlegen → vollständig gefüllte und gasfreie Messrohre sicherstellen → Dichte und Temperatur unabhängig plausibilisieren → mehrere Konzentrations- und Temperaturpunkte mit Laborreferenzen vergleichen → Kennlinie verifizieren → Produktumschaltung eindeutig festlegen → Diagnose und Rohrzustand regelmäßig überwachen.

FAQ: Konzentration mit Coriolis-Dichtemessung bestimmen

Kann ein Coriolis-Durchflussmesser die Dichte messen?

Ja. Die Dichte wird aus dem Schwingungsverhalten beziehungsweise der Eigenfrequenz der mit dem Prozessmedium gefüllten Messrohre bestimmt.

Kann aus der Dichte direkt die Konzentration berechnet werden?

Nur wenn eine geeignete Beziehung zwischen Dichte, Temperatur und Konzentration für das konkrete Produkt bekannt ist.

Warum wird die Temperatur benötigt?

Weil sich die Dichte eines Mediums mit der Temperatur verändert. Ohne Temperaturkompensation könnte diese Dichteänderung fälschlicherweise als Konzentrationsänderung interpretiert werden.

Welche Grundgleichung gilt für die Konzentrationsberechnung?

Vereinfacht gilt: Konzentration = f(Dichte, Temperatur, Produktkennlinie).

Was ist eine Produktkennlinie?

Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen Dichte, Temperatur und Zusammensetzung eines definierten Stoffsystems.

Kann dieselbe Kennlinie für verschiedene Flüssigkeiten verwendet werden?

Nein. Unterschiedliche Stoffsysteme besitzen unterschiedliche Dichte-Konzentrations-Beziehungen.

Was passiert, wenn die falsche Kennlinie aktiv ist?

Die Dichte kann korrekt gemessen werden, während die daraus berechnete Konzentration trotzdem falsch ist.

Was bedeutet Brix?

Bei einer definierten Saccharose-Wasser-Lösung beschreibt °Bx den entsprechenden Zucker-Massenanteil. Bei komplexen Produkten können zusätzliche gelöste Stoffe die Interpretation beeinflussen.

Kann ein Coriolis-Gerät Brix ausgeben?

Geeignet konfigurierte SITRANS-FC-Systeme mit FCT040 unterstützen unter anderem Konzentrations- beziehungsweise Fraktionsfunktionen für Saccharose-Wasser-Gemische mit Ausgabe in °Bx.

Kann auch Alkoholkonzentration gemessen werden?

Für geeignete Alkohol-Wasser-Gemische stehen entsprechende Konzentrations- beziehungsweise Fraktionsfunktionen zur Verfügung, sofern der definierte Stoff- und Temperaturbereich eingehalten wird.

Funktioniert die Methode bei jedem Zweikomponentengemisch?

Sie ist besonders geeignet, wenn Dichte und Temperatur innerhalb des relevanten Arbeitsbereiches eine eindeutige Zuordnung zur Konzentration erlauben.

Was ist bei drei oder mehr Komponenten?

Dann ist die Zusammensetzung aus Dichte und Temperatur häufig nicht mehr eindeutig bestimmbar. Eine zusätzliche Messgröße oder Laboranalyse kann erforderlich sein.

Warum sind Gasblasen problematisch?

Sie verändern die effektive Dichte des Mediums und beeinflussen zusätzlich das Schwingungsverhalten der Coriolis-Messrohre.

Wie erkennt man Gasblasen im Prozess?

Typische Hinweise sind instabile Dichte- und Durchflusswerte, unerwartet niedrige Dichte sowie entsprechende Diagnosemeldungen des Messsystems.

Muss das Messrohr vollständig gefüllt sein?

Ja. Für zuverlässige Flüssigkeitsdichte- und Konzentrationsmessungen sollte das Messsystem vollständig und reproduzierbar mit dem Medium gefüllt sein.

Benötigt ein Coriolis-Messgerät gerade Einlaufstrecken?

In vielen Anwendungen sind keine langen geraden Einlaufstrecken erforderlich. Die konkreten Montagevorgaben des Herstellers und eine vollständig gefüllte, mechanisch saubere Installation müssen dennoch eingehalten werden.

Was bewirkt der Coriolis-Nullpunktabgleich?

Er dient primär zur Korrektur des Massedurchfluss-Nullsignals bei tatsächlich stillstehendem und vollständig gefülltem Messrohr.

Verbessert ein Nullpunktabgleich die Dichtemessung?

Ein Durchfluss-Nullpunktabgleich korrigiert keine falsche Produktkennlinie und ist nicht mit einer Dichtekalibrierung gleichzusetzen.

Wie sollte eine falsche Konzentrationsanzeige untersucht werden?

Zuerst sollten Prozesszustand, Gasfreiheit, Temperaturwert und Dichtemessung geprüft werden. Danach werden Produktkennlinie und Konzentrationsskalierung kontrolliert.

Warum ist ein Laborvergleich sinnvoll?

Damit lässt sich überprüfen, ob die hinterlegte Dichte-Temperatur-Korrelation das reale Produkt über den gesamten Arbeitsbereich ausreichend gut beschreibt.

Reicht ein einzelner Laborpunkt?

Für eine belastbare Kennlinie sollten nach Möglichkeit mehrere Konzentrations- und Temperaturpunkte untersucht werden.

Wie sollte die Probe entnommen werden?

Die Probe sollte möglichst repräsentativ und zeitlich nah am gespeicherten Inline-Messwert entnommen werden.

Kann der Prozessdruck die Dichte beeinflussen?

Ja. Besonders bei hohen Drücken oder kompressiblen Medien kann die Druckabhängigkeit relevant werden.

Welcher Siemens-Messumformer eignet sich besonders für Konzentrationsmessungen?

Der SITRANS FCT040 unterstützt erweiterte Mess- und Auswertefunktionen für Konzentration beziehungsweise Fraktion.

Welche Dichtegenauigkeit bietet der SITRANS FCT040?

Für entsprechend konfigurierte Systeme wird eine typische Dichtemessgenauigkeit bis ±0,5 kg/m³ angegeben.

Welches System eignet sich für hygienische Anwendungen?

Das SITRANS FC540 kombiniert den FCS500-Sensor mit dem FCT040 und ist auch für Hygieneanwendungen verfügbar.

Welches System eignet sich für kleine Durchflussmengen?

Das SITRANS FC140 kombiniert den FCS100-Präzisionssensor mit dem FCT040 und ist für Anwendungen mit kleinen Durchflussmengen ausgelegt.

Kann das FCT040 neben Konzentration auch andere Werte erfassen?

Je nach Ausführung stehen unter anderem Massedurchfluss, Dichte, Temperatur, Volumendurchfluss, Konzentration beziehungsweise Fraktion, Viskosität und Wärmeenergie zur Verfügung.

Wo finde ich weitere Coriolis-Durchflussmesser?

Weitere Geräte finden Sie unter Coriolis-Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider.