Die Schwinger-Dichtemessung

Auf einen Blick
In Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser Methode ergeben sich einige Vor- und Nachteile, die ausführlich beleuchtet werden.

Link zu Teil 1 - Grundlagen der Dichtemessung

Inhalte

Wie funktioniert die Schwinger-Dichtemessung?
Welche Vorteile ergeben sich?
Was sind kritische Einflussfaktoren (Nachteile)?
Wo wird die Schwinger-Dichtemessung angewendet?
Ermittlung der Methanzahl in Gasmotoren zur Effizienzsteigerung.

Wie funktioniert die Schwinger-Dichtemessung?

Bei der Schwinger-Dichtemessmethode wird die Dichte indirekt durch eine Frequenzbestimmung gemessen. Das zu messende Fluid wird dazu in ein Rohr (Schwinger) gefüllt, das in Resonanzschwingung versetzt wird. Die daraus resultierende Schwingungsfrequenz, die von der Dichte des Fluids sowie der Steifigkeit des Schwingers abhängig ist, gibt nun Aufschluss über die Dichte.

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Je grösser die Schwingungsfrequenz ist, desto kleiner ist die Dichte des Fluids

Grafik - Abhängigkeit Fluiddichte zur Schwingungsfrequenz

Abhängigkeit Fluiddichte/Schwingfrequenz

Die Eigenschaften des Schwingers (u.a. Steifigkeit) sind temperatur- und druckabhängig. Diese Abhängigkeiten werden anhand von Kalibriermessungen ermittelt und durch das Messgerät kompensiert.

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Übrig bleibt als beeinflussbare Grösse somit nur die Dichte des Fluids

Die folgende Gleichung verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Dichte ρ des Fluids, den Eigenschaften des Schwingers (Konstanten A und B) sowie der Schwingungsfrequenz ƒ:

Formel - p Mediumsdichte und Schwingfrequenz

Zusammenhang zwischen Mediumsdichte ρ und Schwingfrequenz ƒ

Funktionsweise des Schwinger-Messgeräts:

Schwinger ist an beiden Enden fest eingespannt.
Erreger versetzt das Rohr in Schwingung.
Schwingungssensoren erfassen die Schwingungsfrequenz.

Form und Materialien des Schwingers sind dabei nicht fest vorgegeben. So kann es sich bei dem Schwinger sowohl um ein Rundrohr als auch um ein Vierkantrohr handeln.

1. Vibrations-Sensor, 2. Erreger, 3. Fest eingespannter Schwinger

Welche Vorteile ergeben sich?

Die einfache Handhabung, die mit einem geringen prüftechnischen Aufwand einhergeht, ist einer der grössten Vorteile der Schwinger-Dichtemessung. Die Dichte wird nach Zugeben des Mediums gemessen, ohne dass weitere Einstellungen vorgenommen werden müssen. Ablesefehler können ausgeschlossen werden, da die Ausgabe des Dichtwerts über eine digitale Anzeige erfolgt. Eine Temperierung des Mediums ist nicht notwendig, stattdessen erfolgt die Temperaturmessung an Ort und Stelle. Zudem muss keine exakte Volumenmenge entnommen werden.

Die mögliche Miniaturisierung der Technologie erfordert nur geringe Probemengen zur zuverlässigen Dichtebestimmung. Diese Eigenschaft ist besonders für kostspielige Medien relevant. Die Verwendung geringer Probemengen erleichtert zudem die Bestimmung der Mediumstemperatur bei der Dichtemessung.

Die Messung kann in einem geschlossenen System und somit unter Druck erfolgen. Dies ist vor allem für bestimmte Medien wie Alkohol-Wassergemische oder Gase relevant. Ohne einen entsprechenden Druck verflüchtigen sich solche Medien, was zu falschen Messenwerten führen würde.

Schliesslich stehen die Messergebnisse bereits in kürzester Messzeit zur Verfügung.

Schwinger-Messgeräte können zudem für eine kontinuierliche Messung mit Durchfluss direkt im Prozess eingesetzt werden.

Was sind kritische Einflussfaktoren (Nachteile)?

Die Methode ermöglicht keine direkte Rückführbarkeit, d.h. der Dichtemesswert kann nicht mit den nationalen Normalen (kg und m3) für diese Messgrösse verglichen werden. Grund dafür ist, dass die Dichte über eine gemessene Frequenz berechnet wird. Für die Berechnung sind mindestens zwei Referenzmedien mit bekannter Dichte notwendig. Eine Rückführbarkeit ist daher nur über diese beiden Referenzmedien möglich.

Die Messempfindlichkeit wird durch die Beschaffenheit des Messrohrs beeinflusst. Je kleiner das Eigengewicht des Messrohrs ist, desto geringer ist sein Einfluss auf die Frequenz und umso höher ist die Messempfindlichkeit. Die Bestimmung von geringen Mediumsmassen bei gleichzeitig hohem Eigengewicht des Messrohrs ist hingegen problematisch.

Die mechanischen Eigenschaften des Schwingers werden durch Druck- und Temperatureinflüsse verändert. Infolgedessen verändert sich auch die Frequenz. Durch Kalibrierungen mit verschiedenen Druck- und Temperaturpunkten können diese Abhängigkeiten kompensiert werden.

Darüber hinaus ist die Frequenz auch von der Viskosität der Messfluiden abhängig. Dies kann weitere Messunsicherheiten zur Folge haben.

Luftblasen in der Messflüssigkeit können zudem zu Messfehlern führen. Dies ist nicht der Fall, wenn vor der Messung eine Entgasung vorgenommen wird.

Das Messergebnis kann durch Verunreinigungen des Schwingers verfälscht werden. Ein sauberer Schwinger ist an der korrekten Luftdichte im leeren Zustand zu erkennen.

Wo wird die Schwinger-Dichtemessung angewendet?

Die Bestimmung der Dichte von Fluiden mithilfe der Schwinger-Dichtemessmethoden eignet sich besonders in Branchen mit verschiedenen Genauigkeitsanforderungen in Labor und Prozess:

In der Öl- und Gasbranche z.B. zur Bestimmung von Heizwert, Energiegehalt oder zur Ermittlung der Zusammensetzung.
In Tankstellen zur Abrechnung des korrekten Werts und bestimmen von Fremdpartikeln.
Im Transport zur Abrechnung des korrekten Wertes und zur Kontrolle des Mediums.
Bei Flugzeugbetankungen zur Optimierung der Füllmenge auf Distanz.
Bei Motorenprüfständen zur Prüfung der konstanten Treibstoffqualität.
Etc..