Multifrequenztechnologie verbessert Coriolis-Massedurchflussmessung

Seit vielen Jahren wird in der Coriolis-Massedurchflussmessung versucht, bei Flüssigkeits-Durchflussmessungen mit Gasanteilen einen stabilen und genauen Messbetrieb zu realisieren. Während bisherige Entwicklungen bei der Coriolis-Technologie vornehmlich eine stabile Messung ohne Ausfälle zum Ziel hatten, war eine echte Kompensation des Einflusses von Gasblasen auf die Genauigkeit des Messsignals bisher nicht möglich.

Liegen in einer Flüssigkeit im Messrohr eines Coriolis Durchflussmessgerätes Gasblasen vor, dann verschiebt sich bei jeder Auslenkung im Rahmen der Messrohrschwingung der Masseschwerpunkt der Flüssigkeit im Gegensatz zu gasfreien Flüssigkeiten vom Mittelpunkt weg. Der Grund dafür ist, dass Gasblasen im Unterschied zur Flüssigkeit kompressibel sind. Die unterschiedliche Auslenkung des Masseschwerpunktes führt dazu, dass durch die Messrohrschwingung die Gasblasen auf der einen Seite komprimiert und auf der anderen Seite auseinandergezogen werden. Dieser Effekt erzeugt eine zusätzliche Kraft auf die Messrohrwand und führt bei der Mengen- und Dichtemessung zu Abweichungen, die mit zunehmendem Gasanteil steigen.

Beim Corolis-Massedurchflussmessgerät Promass Q werden diese Effekte über die Multifrequenztechnologie (MFT) kompensiert. Bei der Multifrequenztechnologie werden die Messrohre gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Frequenzen angeregt. Die zweite, höhere Frequenz zur Anregung zwingt dem Massemessrohr eine zusätzliche Taumelbewegung auf. Beide Schwingungen werden gleichzeitig von beiden parallel laufenden Messrohren des Coriolis Durchflussmessgerätes ausgeführt. Durch die unterschiedlichen Anregungsfrequenzen entstehen nun bei vorhandenen Gasblasen unterschiedlich starke Abweichungen, die exakt herausgerechnet werden können. Dadurch ist eine verlässliche und genaue Kompensation der Abweichungen durch Gasanteile im Messmedium möglich.

Bei der Multifrequenztechnologie werden die Messrohre gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Frequenzen angeregt. Durch die unterschiedlichen Anregungsfrequenzen entstehen in Anwesenheit von Gasblasen unterschiedlich starke Abweichungen, die exakt herausgerechnet werden können.

Diese Kompensation funktioniert bei allen Flüssigkeiten, unabhängig von deren Dichte sowie unabhängig von allen anderen Prozessänderungen wie Temperatur oder Druck der Messflüssigkeit. Über dieses Kompensationsverfahren lässt sich der Anwendungsbereich für die hochgenaue Kontroll- und Abrechnungsmessung auch auf Anwendungen mit hohem Anteil an Gasblasen oder anderen schwierigen Prozessbedingungen wie Mehrphasengemischen erweitern. Durch die Weiterentwicklung der Coriolistechnologie bei Promass Q entstehen darüber hinaus weitere anwendungsrelevante Vorteile für die Prozessmessung von Flüssigkeiten. Ein maßgeblicher Aspekt ist die verbesserte Dichtegenauigkeit für Inline-Qualitätsmessungen.

Hochgenaue Dichtemessung

Das Coriolisgerät Promass Q erreicht eine Dichtegenauigkeit von 0,2 g/l. Zum Vergleich: Heutige Standard-Coriolisgeräte sind typischerweise mit 1g/l spezifiziert. Die Genauigkeit wird mit der im Werk durchgeführten umfangreichen Dichtekalibrierung im werkseigenen akkreditierten Dichtekalibrierlabor für den gesamten Einsatzbereich von Flüssigkeitsdichten von 0 bis 2 kg/l und Betriebstemperaturen von -20 bis 60 °C sichergestellt und nachgewiesen. Damit werden im rauen Prozessbetrieb Genauigkeiten wie unter Laborbedingungen erreicht. Möglich geworden ist das durch weitreichende Optimierung des Sensordesigns mittels CFD-Modellierung und Simulationsmethoden auf Basis der Finite Elemente Analyse. Dazu kommen Verbesserungen bei der Fertigung, die es erlauben, die Geräteperformance auch in der Serienfertigung sicherzustellen.

Durch die unterschiedlichen Anregungsfrequenzen entstehen in den Messrohren unterschiedlich starke Abweichungen, die exakt herausgerechnet werden können. Dadurch ist eine verlässliche und genaue Kompensation der Abweichungen durch Gasanteile im Messmedium möglich.

Liegen Gasblasen vor, verschiebt sich der Masseschwerpunkt der Flüssigkeit (roter Punkt) vom Masseschwerpunkt des Messrohrs weg (blauer Punkt).

Design und Kompensationsverfahren zahlen sich durch eine hohe Messgenauigkeit für die Massemessung (0,05 % v. MW) sowie bei der Dichte- (0,2 g/l v. MW) und Konzentrationsmessung aus. Die Wiederholbarkeit beträgt 0,025 % v. MW für Flüssigkeiten und 0,25 % für Gase. Auch bei stark schwankenden Prozessparametern wird eine hohe Messstabilität erreicht. Dazu kommt ein hoher Nennberstdruck (bis 100 bar) und ein Schutzbehälter-Berstdruck bis 220 bar sowie ein niedriger Druckverlust und eine hohe Messdynamik.

Verbesserte PAT-Parameter im Prozessbetrieb

Die Inline-Analysemessung gerät in der chemischen und pharmazeutischen Industrie immer mehr in den Fokus zur Qualitätssicherung im laufenden Prozessbetrieb. Hier ermöglicht der Coriolissensor neben der hochgenauen Dichtemessung zusätzlich eine exakte In­line-Konzentrationsmessung. Dazu wurde ein neues Anwendungssoftware-Paket „Konzentration“ entwickelt, das für vielfältige Gemische genutzt werden kann. Dazu wird die verbesserte Leistung bei der Dichtemessung mit der integrierten Temperaturmessung kombiniert. Im Software-Paket sind für die Konzentrationsmessung in der chemischen Industrie die folgenden Prozessmedien im Standard enthalten:

• Ethanol (%mass, %vol, % Std. Vol, %ABV@20°C, Proof@60F),
• Methanol (%mass), Wasserstoffperoxid (%mass),
• Säuren: HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4 (%mass, mol/l),
• Laugen: KOH, NaOH (%mass, mol/l) sowie
• Salze: NH4NO3, FeCl3 (%mass, mol/l).

Das Paket ermöglicht eine einfache Inbetriebnahme durch die integrierten Datensätze zur Konzentrationsmessung für alle genannten Medien. Für die genaue Konzentrationsmessung wurden neue Kalkulationsmodelle für Elektrolyten wie Säuren, Laugen und Salze implementiert und die Bettin-Spieweck-Formel konform zur OIML für die Konzentrationsmessung von Ethanol integriert. Außerdem wurden die hinterlegten Polynome für eine 3D-Berechnung kundenspezifischer Einheiten verbessert. Zudem kann zur noch genaueren Konzentrationsmessung der Mineraliengehalt des Trägermediums hinterlegt werden. In der chemischen Industrie wurden bereits einige erfolgreiche Testanwendungen umgesetzt wie zum Beispiel die Steuerung der Aufkonzentration von Schwefelsäure.

Erweiterte Möglichkeiten mit dem Petroleum-Anwendungspaket

Mit dem optionalen Anwendungspaket „Petroleum Package“ steht eigens für die Petro-Industrie ein spezifisches Softwarepaket im neuen Coriolisgerät zur Verfügung. Mit Hilfe spezifischer Algorithmen und weiteren Gerätevariablen wie z. B. der Referenzdichte oder anderen externen Eingängen ist es möglich, das korrigierte Normvolumen nach API-Standard direkt im Messumformer zu berechnen. Außerdem ist das Gerät für den Eichbetrieb gemäß Europäischem Eichgesetz nach MI-005 zugelassen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den „Oil-Watercut“ bei der Erdölförderung direkt am Bohrloch gemäß API-Standard zu messen. Auch andere Medien wie Rohöl, raffinierte Produkte, Schmieröle aber auch LPG und NGL lassen sich damit hochgenau nach API für eine Volumenausgabe korrekturrechnen.

Fazit: Mit dem Promass Q 300 lassen sich der ohnehin schon breite Anwendungsbereich und die gute Performance der Coriolis-Durchflussmessgeräte erweitern. Davon profitieren vor allem kritische Anwendungen wie Mehrphasenströmungen mit hohem Gasblasenanteil oder Einsatzfälle bei schwankenden Prozessbedingungen. Die genaue Dichtemessung in Kombination mit dem Softwarepaket zur Konzentrationsmessung eröffnet weitreichende Möglichkeiten zur Inline-Qualitätssicherung. _^1812ct906