Funktionsprinzip des Coriolis-Durchflussmessers

Was ist der Coriolis-Effekt?

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Vielleicht haben Sie schon einmal vom Coriolis-Effekt gehört. Dieser Begriff wird häufig verwendet, um zu erklären, warum sich Hurrikane, Tornados und Taifune auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn drehen. Hinter diesem Phänomen steht die Coriolis-Kraft, eine fiktive Kraft, die für die scheinbare Ablenkung eines Objekts verantwortlich ist, das sich in einem rotierenden Bezugssystem bewegt. Im Beispiel des Wetters wird die Luft, die sich durch die Atmosphäre bewegt, je nach Hemisphäre entweder nach rechts oder nach links gelenkt und bestimmt die Drehrichtung der Wetterkörper.

Während die Newtonschen Bewegungsgesetze die Bewegung von Objekten innerhalb eines stationären Rahmens ausreichend beschreiben, benötigen sie einen zusätzlichen Korrekturfaktor, der durch die fiktive Corioliskraft bereitgestellt wird, um die Bewegung innerhalb eines rotierenden Bezugssystems zu beschreiben. Dies ist notwendig, weil das Objekt nicht physisch an den Bezugsrahmen oder das Koordinatensystem gebunden ist, das zur Beschreibung seiner Bewegung verwendet wird. Ein Objekt scheint also von der ursprünglichen Bahn abgelenkt zu werden, wenn sich das Bezugssystem unter ihm dreht.

Der Unterschied zwischen dem beabsichtigten und dem tatsächlichen Weg ist als Ablenkung aufgrund des Coriolis-Effekts messbar.

Abbildung 1. Der Coriolis-Effekt beeinflusst die Flugbahn

Ein Beispiel aus der Praxis soll dies verdeutlichen: Stellen Sie sich vor, eine Person berechnet die Flugbahn eines Balls ausschließlich anhand der Newtonschen Gesetze. Die Person steht dann an einem Ort in der Nähe des Nordpols und wirft den Ball direkt nach Süden auf ein Ziel am Äquator. Wäre die Erde ein vollkommen ruhiges, stationäres Bezugssystem, würde der Ball auf dem Ziel landen. Da sich die Erde jedoch dreht, landet der Ball tatsächlich irgendwo westlich des Ziels. Diese Ablenkung nach Westen ist umso größer, je länger der Ball in der Luft ist und je näher er am Äquator liegt.

Coriolis und Massenfluss: ein dynamisches Duo

Was hat das mit dem Massenstrom zu tun?

Standard-Massendurchflussgeräte wie thermische oder auf Differenzdruck basierende Massendurchflussmesser berechnen Massendurchflussraten anhand gemessener Temperaturänderungen oder volumetrischer Durchflusswerte in Verbindung mit bekannten Flüssigkeitseigenschaften. Durchflussmesser und -regler, die auf dem Coriolis-Arbeitsprinzip basieren, sind jedoch einzigartig in ihrer Fähigkeit, den Massendurchfluss direkt und ohne Abhängigkeit von solchen Eigenschaften zu messen.

Ermöglicht wird dies durch eine geschickte Ausnutzung des Coriolis-Effekts. Ein Rohr (oder eine Reihe von Rohren) wird elektromagnetisch betätigt und dient als beweglicher Bezugsrahmen. Die gesamte Flüssigkeit, die in das Gerät eintritt, durchläuft das sich bewegende Rohr und erfährt eine sehr geringe Ablenkung von ihrem vorgesehenen Weg. Sensoren messen die Größe der Ablenkung als Schwingungsphasenverschiebung zwischen verschiedenen Punkten im Rohr. Diese Ablenkung ist nur von der Masse der Flüssigkeit abhängig, so dass Coriolis-Geräte unabhängig von den Eigenschaften, der Zusammensetzung und der Temperatur der Flüssigkeit präzise Messungen des Massendurchflusses liefern können. Ein einziger Temperatursensor wird in der Regel zur Messung der Rohrtemperatur eingesetzt, da die physikalischen Eigenschaften des Rohrs in Abhängigkeit von der Temperatur leicht variieren können.

Wie funktioniert die CODA-Serie von Alicat?

Abbildung 2. Internes Schema des Coriolis-Durchflussmessgeräts

Die Massedurchflussmesser und -regler der CODA-Reihe arbeiten nach dem Coriolis-Prinzip und verwenden den oben beschriebenen Einrohraufbau. Der Messvorgang läuft wie folgt ab:

1. Das Rohr wird elektromagnetisch betätigt, um eine feste Schwingung bei der Eigenresonanzfrequenz des Rohrs zu erzeugen.
2. Im strömungslosen Zustand sind die Schwingungsfrequenzen der Ecken C1 und C2 (siehe Abbildung oben) in Phase.
3. Die Strömung durch das Rohr führt zu einer Veränderung der Schwingung (d. h. zu einer “Verdrehung” des Rohrs).
4. Die Drehbewegung führt zu einer Phasenverschiebung der Schwingungsfrequenz von C1 im Vergleich zu C2.
5. Eine Reihe von Sensoren misst die Größe der Phasenverschiebung, die direkt proportional zum Massendurchsatz ist.
6. Die Elektronik wandelt die Sensordaten in eine Messung der Durchflussmenge als Masse pro Zeiteinheit um.