Exakt auf engstem Raum

Mini-Coriolismesser als Kompaktregler

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04.08.2008 Messen und Regeln gehören in der Verfahrenstechnik untrennbar zusammen. Trotzdem werden beide Aufgaben meist separat betrachtet und instrumentiert. Ein neu entwickeltes Kompaktgerät für Gas- oder Flüssigkeitsströme ab 0,1 Gramm pro Stunde erspart dem Anwender viel Auslegungsarbeit und bietet neue Lösungsansätze.

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August 2008

Kompaktregler auf Coriolis-Basis im Test. Bild: Wagner

Ob Batchdosierer, Pumpenüberwachung oder Ventil-Regelkreis: Der Aufwand für das Engineering kleiner Messstellen ist – verglichen mit der Instrumentierung großtechnischer Anlagen – vergleichsweise hoch. Und trotzdem haben die in Labors, Technikums- oder Pilotanlagen installierten Systeme zum Messen und Regeln kleiner Ströme oft mehr Ähnlichkeiten mit Bastelbaukästen, als mit den professionellen Regelkreisen ausgewachsener Produktionsanlagen. Ein Problem, dem sich das Unternehmen Wagner Mess- und Regeltechnik zusammen mit dem niederländischen Hersteller Bronkhorst High-Tech seit mehreren Jahrzehnten widmet. Für solche Anwendungen vertreibt der Anbieter Massedurchflussmessgeräte, basierend auf thermischen Sensoren oder Coriolisgeräte, und konfiguriert diese zu kompletten Regelstrecken. Die kompakten Einheiten können dabei aus dem Strömungsmesser, einem integrierten oder externen Ventil oder einer Spezial-Zahnringpumpe bestehen und bilden eine auf die Anwendung zugeschnittene fertig parametrierte Lösung.

Die direkte Messung des Massestroms anstelle des sonst oft üblichen Volumenstroms ist für den Hersteller vor allem eine Frage der Genauigkeit: Andere Verfahren ermitteln die Masse pro Zeiteinheit indirekt durch das Umrechnen der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit, über Graviemetrie, des Volumenstroms oder des Differenzdrucks unter Einbezug von Druck und Temperatur, wobei Fehler entstehen können. Bei der Massemessung – ob thermisch oder per Coriolis-Effekt – hängt das Messsignal dagegen direkt vom Massestrom ab.
Eines der „Arbeitspferde“ für den Bereich von 0,01 Gramm bis 20 Kilogramm pro Stunde sind die thermischen Massemesser Liqui-Flow und El-Flow, die von Bronkhorst entwickelt wurden. Und obwohl sich die Bauart seit Jahrzehnten in vielen Anwendungen zur Messung von Flüssigkeiten und Gasen bewährt hat, bleibt ein Problem bestehen: Das Messprinzip ist abhängig vom zu messenden Medium. Da sich beispielsweise die Wärmekapazität eines Fluids in der Nähe des Dampfdruckes verändert, lassen sich überkritische Medien nicht mit thermischen Sensoren erfassen. Eine Alternative dazu ist das Coriolisprinzip, bei dem das Messsignal nur vom Massestrom, und nicht von den Stoffeigenschaften des zu messenden Fluids abhängt. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig. Typische Anwendungen sind:

  • die Überwachung und Dokumentation auch sehr schneller Pumpvorgänge, beispielsweise bei der Abfüllung von Pharmazeutika, Lebensmittel- und Odorierungszusätzen oder in der Reaktionstechnik bei der Zugabe von Reagenzien;
  • die Mikroreaktionstechnik;
  • das Messen und Regeln von (überkritischen)Fluiden;
  • die Regelung und Dokumentation von Batchprozessen;
  • die Dosierung von stark reaktiven Fluiden;
  • die Messung bzw. Regelung von unbekannten Fluiden oder Gemischen usw.

 

Mit dem Cori-Flow steht seit einigen Jahren ein Massedurchflussmesser für Flüssigkeiten und Gase zur Verfügung, mit dem – je nach Baugröße – Strömungen von 200 g bis 600 kg/h gemessen werden können. Der neue mini Cori-Flow erweitert diesen Bereich noch einmal um ein Vielfaches nach unten – bei einer deutlich reduzierten Baugröße. Die in drei Modellen verfügbaren Geräte erfassen Ströme ab 0,1 g/h bis 30 kg/h mit einer Genauigkeit von 0,2 % (Flüssigkeiten) bzw. 0,5 % (Gase) vom Messwert. Neben dem Wert für den aktuellen Durchfluss werden auch die aktuelle Prozesstemperatur und die Dichte am Ausgang zur Verfügung gestellt. „Ziel bei der Entwicklung war es, ein kompaktes und kostengünstiges Gerät zu entwickeln, mit dem sehr kleine Ströme genau gemessen und geregelt werden können“, erklärt Carsten Neutzer, Geschäftsführer bei Wagner Mess- und Regeltechnik, der das System in Süddeutschland vertreibt.

Neue Sensortechnik sorgt für hohe Nullpunktstabilität

Um dies zu erreichen, hat der niederländische Hersteller der Geräte tief in die Trickkiste moderner Messtechnik gegriffen. Gegenüber den Cori-Flow-Sensoren kommt bei der „mini“-Variante kein Doppelrohr, sondern eine als rechteckiger Sensor ausgeführte, totraumarme Einrohr-Konstruktion zum Einsatz. Neu ist auch, dass die bei der Coriolismessung entstehende Messrohr-Verspannung optisch abgetastet wird. Auch in der Art der Messrohr-Erregung unterscheidet sich das neue Gerät vom alten. Dieses wird magnetisch aktiviert. Daraus resultiert die für die Genauigkeit so wichtige Nullpunktstabilität, die bei der Variante M12 (0,1 bis 200 g/h) unter 0,02 g/h liegt. Außerdem ist der Sensor durch diese Konstruktion weniger empfindlich gegenüber Störungen und Vibrationen als bisherige Lösungen, wodurch Pumpen und Ventile mit dem Sensor auf engstem Raum verbaut werden können. In Anwendungen, in denen bislang ein thermischer Massemesser eingesetzt wurde, lassen sich die mini Cori-Flow-Geräte nun alternativ verwenden, da sie in Anschlussbelegungen, Abmessungen und Geometrie mit den thermischen Mess- und Regelgeräten weitgehend übereinstimmen.

Die Messdynamik ist mit bis zu 1:2000 vergleichsweise hoch. Der Messbereich kann über die kostenlos mitgelieferte Software oder über Aufsteckanzeigen vom Anwender selbst eingestellt werden. Ein weiteres Merkmal ist die Geschwindigkeit der Messung: Diese liegt bei 50 bis 100 ms und ist damit deutlich schneller als bisherige Massemesser. Dadurch sind schnelle Regelungen mit Einregelzeiten zwischen 0,5 und 1 s möglich, wodurch sich Strömungen stabil halten und Abfüll- bzw. Dosierprozesse exakt steuern lassen.

Engineeringaufwand sinkt

Durch den Einsatz der mit Pumpe bzw. Ventilen komplett konfigurierten Geräte spart der Anwender den Aufwand, die einzelnen Elemente der Regelstrecke selbst auswählen und auslegen zu müssen. „Das ist für uns ein riesiger Markt und ein großer Vorteil für den Anwender im Vergleich zu konventionellen Lösungen“, verdeutlicht Carsten Neutzer den zunehmenden Wunsch nach solchen Lösungen. Denn häufig unterschätzt der Anwender die Bedeutung der Engineering-Details: Druckverluste, Änderungen des Aggregatszustands und der Einfluss von Pulsationen auf die Messung müssen bei der Auswahl der Ventile und Pumpen ebenso berücksichtigt werden, wie das Regelverhalten. So sind oszillierende Verdränger wie zum Beispiel Membranpumpen in der Kombination mit Coriolisgeräten keine ideale Wahl, da die Messung durch Pulsationen gestört wird.

Durch den Einsatz von Zahnring- oder Zahnkranzpumpen ist es dagegen möglich, Massemesser und Pumpe auf sehr engem Raum zu kombinieren. Für Regelungen mit Ventil wird der Massemesser entweder mit einem integrierten Ventil mit Spülanschluss auch für aggressive Fluide oder aber mit einem separaten bzw. externen Ventil geliefert. Die Auslegungsarbeit wird durch das Tool Cori-Calc unterstützt. Die Software unterstützt bei der Berechnung von Druckverlusten, bei der Sensorauswahl und Ventilauslegung sowie bei der Berechnung von Volumenstrom, Genauigkeit und Dampfdruck. Für die Berechnung von Konversionsfaktoren für Gase und Flüssigkeiten durch den Anwender selbst, hat der niederländische Gerätehersteller eine Datenbank entwickelt, die unter www.fluidat.com genutzt werden kann. Dort ist auch die Kalkulation von Kv-Werten und Düsen der Ventile, der Druckverluste und von Verdampfungssystemen möglich.

Fazit: Durch den Einsatz kompakter und fertig vorkonfigurierter Regler lässt sich der Aufwand und Platzbedarf für die Instrumentierung in Labor-, Technikums- und Pilotanlagen sowie in der Mikroreaktionstechnik deutlich reduzieren. Neue Geräte basierend auf dem Coriolisprinzip sind nun auch für kleinste Ströme eine interessante und medienunabhängige Lösung für bisher schwierig lösbare Mess- und Dosieraufgaben.

Heftausgabe: August 2008

Über den Autor

Armin Scheuermann , Redaktion
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