Coriolis-Massendurchflussmesser

Ohne Durchfluss

Die beiden Schenkel des Rohrbogens, linker und rechter, schaukeln ohne zeitlichen Unterschied gleich. Von der Stirnseite der Anordnung aus gesehen bewegen sie sich deckungsgleich hintereinander. Die Auslenkung des Rohres durch die Schwingung wird mit dem Auge nicht erkannt. Die Amplitude ist zu gering, sie kann jedoch mit der Hand gefühlt werden.

Die Frequenz des Ausgangssignals beträgt hier ${\displaystyle w_{0}={\sqrt {k/J}}}$, wobei k die Torsionsfederkonstante (die Steifigkeit gegenüber dem wirkenden Auslenkmoment) des Rohres und J das Massenträgheitsmoment (welches proportional zur Masse des im Rohr befindlichen Stoffes ist) ist. Somit ist dadurch die Dichte des Messobjektes bestimmbar.

Mit Durchfluss

Wird das Rohr durchströmt, muss mit dem Eintritt des Fluids, hier z. B. von links in den linken Schenkel des Bogens, die Masse auf eine immer größere Bahngeschwindigkeit gebracht werden. Dies entspricht einer Bewegung des Fluids in der Rotationsebene der Rohre nach außen von der Drehachse weg weisend. Bei der Abwärtsbewegung des linken oberen Rohrstücks erfahren die Fluidteile eine Kraft nach oben, die sie an das Rohr weitergeben. Die Kraft wirkt auf die vertikale Schwingung des Rohrstücks deshalb links bremsend, also nacheilend, so dass sich das Rohr entsprechend verformt. Ursache ist die Corioliskraft ${\displaystyle {\vec {F}}_{C}=2\,m\left({\vec {v}}\times {\vec {\omega }}\right)}$, bzw. ${\displaystyle {\vec {F}}_{C}=2\,{\dot {m}}\left({\vec {l}}\times {\vec {\omega }}\right)}$ welche durch die Coriolisbeschleunigung entsteht. Das Medium hat im Scheitel des Bogens dann die maximale Bahngeschwindigkeit erreicht. Im nach rechts führenden Zwischenstück des Rohres ändert sich die Bahngeschwindigkeit nicht, weil der Schwingungsradius konstant bleibt, also gibt es dort auch keine Corioliskraft.

Das Medium, welches im rechten Schenkel wieder auf die Drehachse zufließt, erreicht ständig Orte geringerer Bahngeschwindigkeit, dies entspricht einer Bewegung in der Rotationsebene nach innen auf die Drehachse zu. Die Trägheitskraft der Coriolisbeschleunigung drückt nun die Flüssigkeit im Schenkel in Schwingungsrichtung vor. Die Schwingung des Rohres ist im rechten Schenkel deshalb voreilend.

Schaut man sich die bewegte Rohrschleife von der Stirnseite an, so bewegen sich die beiden Schenkel nicht mehr hintereinander. Der zeitliche Unterschied hängt von der Schwingungsfrequenz, der Masse des Mediums und der Flussgeschwindigkeit und auch vom (temperaturbestimmten) Elastizitätsmodul des Rohres ab. Somit ist dieses Verfahren in der Lage, den Massendurchfluss direkt zu messen, anstatt ihn indirekt über andere Eigenschaften (Volumen, Dichte, Viskosität) zu bestimmen.

Corioliskraft am Gartenschlauch

Der Einfluss der Corioliskraft wird sichtbar, wenn ein durchströmter Gartenschlauch durchhängend zwischen den Händen gehalten und dann schnell vor- und zurückschwingend bewegt wird. Auf der Einlaufseite wird die Bewegung gehemmt.

Da diese Technologie unabhängig von Eigenschaften des Mediums wie zum Beispiel: Leitfähigkeit, Strömungsprofil, Dichte, Viskosität u. ä. ist, können fast alle Stoffe gemessen werden wie Öle und Treibstoffe, Reinigungs- und Lösungsmittel, Fette, Silikonöle, Alkohol, Methan, Fruchtlösungen, Stärke, Farben, Essig, Ketchup, Mayonnaise, Bier, Milch, Zuckerlösungen, Gase, Flüssiggase.

Viele Anwender schätzen gerade die Dichtemessung und setzen sie gezielt zur Qualitätskontrolle ein. Aufgrund der gleichzeitigen Erfassung der Dichte und der Temperatur des Messstoffes ist auch eine gleichzeitige Qualitätsbewertung des Mediums möglich. Weicht die Dichte des Mediums von der Sollgröße ab, lässt dies auf Qualitätsprobleme im Prozess schließen. Auch Lufteinschlüsse lassen sich direkt aus dem Dichtesignal erkennen. Herkömmliche Dichtemessgeräte kosten oft ein Vielfaches bei ähnlicher Genauigkeit.