Durchflussmesstechnik: Grundlagen

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, auch elektromagnetische Durchflussmesser oder einfach Magmeter genannt, arbeiten auf der Grundlage des Faradayschen Gesetzes und werden in verschiedenen Branchen zur Messung des Volumenstroms von leitfähigen Flüssigkeiten wie Wasser, Chemikalien oder Getränken eingesetzt. Der unverbaute Messkörper verursacht praktisch keinen Druckverlust und eignet sich daher gut für die Messung von dichten, viskosen Medien. Er kann aufgrund seines speziellen medienberührten Materials und Designs auch für korrosive und abrasive Flüssigkeiten eingesetzt werden.

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte sind mit zwei Feldspulen aufgebaut, die auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs installiert sind und ein Magnetfeld erzeugen. Wenn die Flüssigkeit das Feld durchläuft, induziert sie eine Spannung, die von einem Elektrodenpaar gemessen wird. Die induzierte Spannung ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund des angewandten Messprinzips können Magmeter nur leitende Flüssigkeiten messen und sind nicht für nicht leitende Flüssigkeiten wie Öle, Kohlenwasserstoffe oder demineralisiertes, hochreines und destilliertes Wasser geeignet.

Zu den magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte – Vorteile:

• Hohe Genauigkeit
• Einfache Inbetriebnahme
• Kein Druckverlust
• Große Auswahl an Größen verfügbar
• Bi-direktionale Durchflussmesstechnik

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte – Einschränkungen:

• Nur für leitfähige Flüssigkeiten geeignet
• Nicht geeignet für hohe Temperaturen

Video 2: Übersicht Coriolis-Durchflussmesser

Coriolis-Durchflussmesser können je nach Hersteller und Modell unterschiedlich aufgebaut sein, folgen aber alle dem gleichen Grundprinzip: Eine Antriebsspule regt das Messrohr auf einer Resonanzfrequenz an, während ein Paar von Aufnehmern, die im Einlass und im Auslass des Rohres installiert sind, die Frequenz des schwingenden Rohres messen. Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, schwingen beide Enden des Rohrs synchron. Sobald eine Strömung im Rohr vorhanden ist, wird durch die von der Antriebsspule verursachte Rohrbewegung eine abwechselnde Verdrehung des Rohres erzwungen, und eine Phasenverschiebung in der Bewegung beider Rohrenden wird von den Aufnehmern erfasst. Der Massenstrom ist somit proportional zur Zeitdifferenz zwischen dem Ansprechverhalten des Einlass- und des Auslassaufnehmers.

Coriolis-Durchflussmesser – Vorteile:

• Eine der genauesten Technologien
• Massendurchflussmesstechnik für Flüssigkeiten und Gase
• Multivariabele Messung
• Geeignet für extreme Temperatur- und Druck-Prozessbedingungen
• Bi-direktionale Durchflussmesstechnik

Coriolis-Durchflussmesser – Einschränkungen:

• Hohe Anfangsinvestitionskosten
• Druckverlust je nach Rohrkonstruktion

Ultraschall-Durchflussmesser sind Durchflusssensoren, meist in Clamp-On-Bauweise, die berührungslos von außen an die Rohrwand eingebaut werden. Die häufigste Anwendung für diese Art von Durchflussmessern ist die Wassermesstechnik, insbesondere bei großen Rohren, bei denen andere Technologien kostspielig werden. Sie haben sich auch in der Wasser- und Abwasserindustrie durchgesetzt, haben aber auch andere Anwendungen und einige Modelle sind sogar für die Gasmessung ausgelegt. Es gibt zwei verschiedene Technologien, die auf dem Markt erhältlich sind: Transit Time und Doppler-Effekt, je nach Hersteller und Modell.

Abbildung 1 – Doppler-Effekt-Methode

Video 3: Übersicht Ultraschall-Durchflussmessstechnik

Die Transit-Time-Methode ist die an der häufigsten verwendeten Variante. Sie verwendet ein oder mehrere Sensorpaare. Jeder Sensor erzeugt und empfängt auch das Ultraschallsignal, das vom anderen Sensor kommt. Die sich bewegende Flüssigkeit im Rohr führt zu einer Differenz zwischen den Laufzeiten aus beiden Richtungen. Die Laufzeitdifferenz ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit.

Ultraschall-Durchflussmesser – Vorteile:

• Unabhängig von Flüssigkeitsleitfähigkeit, Viskosität oder Druck
• Kein Druckverlust
• Clamp-On-Version: nicht-intrusive und wirtschaftliche Lösung für große Rohrgrößen

Ultraschall-Durchflussmesser – Einschränkungen:

• Lange Ein- und Auslaufstrecken sind erforderlich
• Empfindlich gegenüber zweiphasigen Flüssigkeiten

Thermische Durchflussmessgeräte oder auch thermische Massendurchflussmesser arbeiten auf der Grundlage des Prinzips der thermischen Dispersion, auch bekannt als das King'sche Gesetz (King’s Law), wonach ein sich bewegendes Fluid Wärme von einer Wärmequelle wegträgt. Diese Art von Durchflussmesser wird häufig als Druckluftzähler und auch für verschiedene Gasarten verwendet, da es sich um eine zuverlässige und dennoch kostengünstige Technologie im Vergleich zu anderen Massendurchflussmessern wie dem Coriolis handelt.

Der Aufbau des thermischen Durchflussmessers kann je nach Hersteller variieren, besteht aber in der Regel aus zwei Temperatursensoren. Ein Sensor dient als Referenzsensor und misst die Flüssigkeitstemperatur, während der zweite Sensor durch einen elektrischen Strom beheizt wird, wodurch eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Referenzsensor und dem beheizten Sensor entsteht. Sobald eine Strömung im Rohr vorhanden ist, wird ein Teil der Wärme von der Flüssigkeit abgeführt, wodurch das beheizte Element abgekühlt wird. Die Elektronik liefert daraufhin mehr Strom an den beheizten Sensor, so dass die Temperaturdifferenz immer konstant bleibt. Der Massendurchfluss kann dann anhand der Stromaufnahme des beheizten Sensors berechnet werden.

Video 4: Thermische Durchflussmesstechnik

Die thermischen Eigenschaften der Fluide müssen dem Durchflusstransmitter bekannt sein, da diese bei jedem Fluid unterschiedlich sind, was die Messung beeinflusst. Die gängigsten Gase, die in den verschiedenen Industrien verwendet werden, sind bei den meisten thermischen Massendurchflussmessern bereits vorkonfiguriert.

Es gibt zwei handelsübliche Ausführungen von thermischen Massendurchflussmessern: die Einsteck- und Inline-Ausführung. Die Einsteckversion wird üblicherweise für größere Rohre verwendet, wobei die Sonde direkt in das Rohr eingeführt wird.

Zu Thermische Durchflussmessgeräte

Thermische Massendurchflussmesser – Vorteile:

• Direkte Durchflussmesstechnik
• Vernachlässigbarer Druckverlust
• Einstecktyp kann bei großen Rohren kostengünstig sein

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• Anfällig für Ungenauigkeiten aufgrund von Gasfeuchtigkeit
• Anfällig für Ungenauigkeiten aufgrund von Änderungen der Gaszusammensetzung

Video 5 – Überblick über das Prinzip der Turbinen-Durchflussmessung (Englisch)

Schaufelrad-Durchflussmesser, auch bekannt als Flügelrad-Durchflussmesser. Sie werden oft als eine Variante des Turbinen-Durchflussmessers angesehen und werden für einfache Anwendungen wie die Messung des Wasserdurchflusses verwendet. Anstelle von Turbinen sind die Durchflussmesser mit einem Schaufelrad ausgestattet, das sich durch die Kraft der Strömung dreht. Die Umdrehungen des Schaufelrades sind proportional zur Durchflussmenge. Die Bewegung des Schaufelrads wird von einem Bewegungssensor erfasst, der elektronische Impulse erzeugt, die der Volumenmenge entsprechen. Bei einfacheren Modellen bewegt das Schaufelrad eine Reihe von Zahnrädern, mit denen die Zählziffern verändert werden. In dieser Version ist das Instrument vollständig mechanisch und benötigt keine Stromversorgung.

Abbildung 2 – Schaufelrad-Durchflussmesser

Turbinen-Durchflussmesser – Vorteile:

• Hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
• Unabhängig von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit
• Einfache Konstruktion zum günstigen Preis

Turbinen-Durchflussmesser – Einschränkungen:

• Druckverlust
• Bewegliche Teile können mit der Zeit verschleißen
• Beschränkungen der Flüssigkeitsviskosität

Video 6: Übersicht – Vortex Durchflussmesstechnik

Vortex-Durchflussmesser sind Durchflusssensoren mit einem breiten Anwendungsspektrum, von der Wasser- bis zur Gasdurchflussmessung. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Drücke werden sie jedoch häufig in der Durchflussmessung für Dampf eingesetzt; die häufigste Anwendung für diese Art von Durchflussmessern.

Vortex-Durchflussmessgeräte arbeiten nach dem Prinzip der Wirbelablösung. Dabei strömt ein Fluid an einem Hindernis, dem sogenannten Störkörper, vorbei, wodurch hinter dem Störkörper Unterdruckzonen entstehen und sich auf beiden Seiten des Störkörpers Zwischenwirbel bilden. Ein nach dem Störkörper installierter Sensor misst die Frequenz, mit der sich die Wirbel bilden. Die Strömungsgeschwindigkeit und der Volumenstrom sind somit proportional zur Frequenz, mit der die Wirbel auftreten.

Vortex-Durchflussmessgeräte ansehen

Vortex-Durchflussmesser – Vorteile:

• Kostengünstige und zuverlässige Lösung für die Dampfmessung
• Hohe Temperaturbeständigkeit
• Unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit

Vortex-Durchflussmesser – Einschränkungen:

• Nicht geeignet für Flüssigkeiten mit hoher Viskosität
• Begrenzte Rohrdurchmesser
• Erfordert eine Mindestströmungsgeschwindigkeit
• Unidirektionale Durchflussmesstechnik

Differenzdruck-Durchflussmesser, allgemein als DP-Meter bezeichnet, sind eine der am häufigsten verwendeten und vielseitigsten Durchflussmesstechniken, geeignet für die volumetrische Durchflussmessung von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf. Sie nutzen die Druckdifferenz, die durch Primärelemente wie Messblenden, Düsen, Venturirohre, Pitot- und Annubar-Rohre usw. induziert wird. Ein Hauptanwendungsgebiet ist die Messung von Dampf und Kondensaten bei hohen Temperaturen. Pitot- und Annubar-Rohre eignen sich eher für Situationen, in denen der Druckverlust unerwünscht ist, oder für große Rohrdurchmesser.

Einschränkende Primärelemente, wie z.B. Messblenden und Venturirohre, verursachen einen Druckabfall in der Leitung. Durch Messung des Drucks vor und nach der Drosselung, kann der Volumenstrom bestimmt werden. Es gibt verschiedene Formen und Typen von drosselnden Primärelementen, die für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden können. Der gebräuchlichste Typ ist die Messblende, die ebenfalls eine Vielzahl von Formen und Ausführungen aufweisen kann.

Abbildung 3 – Differenzdruck-Durchflussmesser

Abbildung 4 – Staudrucksonde (Pitotrohr)

Einsteckbare Primärelemente, wie Pitotrohre, messen den dynamischen Druck. Dieser setzt sich aus der Summe des statischen Drucks der Leitung plus dem Druck, der durch die Fluidbewegung gegen das Sensorelement ausgeübt wird, zusammen, während nur der statische Druck separat gemessen wird. Aus der Druckdifferenz zwischen den beiden Messpunkten kann dann der Volumenstrom und die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden.

Aufgrund ihres Designs verursachen einsteckbare Primärelemente einen Druckverlust. Dieser ist jedoch geringer als bei Messblenden.

Differenzdruck-Durchflussmesser – Vorteile:

• Geringere Kosten im Vergleich zu anderen Technologien
• Messung von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf/li>
• Hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit
• Robuste Primärelemente ohne bewegliche Teile

Differenzdruck-Durchflussmesser – Einschränkungen:

• Druckverlust
• Installation kann im Vergleich zu anderen Technologien komplexer sein
• Geringere Genauigkeit im Vergleich zu anderen Technologien

Schwebekörper-Durchflussmesser bestehen aus einem senkrechten Rohr aus einem transparenten Material wie z.B. Glas, das sich zunehmend im Durchmesser vergrößert, und einem Schwebekörper, der oft aus Glas oder Metall besteht. Kurz gesagt, der Fluidstrom übt eine Kraft auf den Schwebekörper aus, die ihn nach oben drückt. Aufgrund der Schwerkraft, des Gewichts des Schwebekörpers und der konischen Rohrkonstruktion wird ein Gleichgewicht innerhalb des Systems erreicht. Der Schwebekörper bleibt in einer festen Position stehen und zeigt den aktuellen Durchfluss an. Die Position des Schwebekörpers kann auf einer Skala abgelesen werden, die die Durchflussmenge anzeigt. Fortschrittlichere Modelle verfügen über einen integrierten Sensor, der die Position des Schwebekörpers erfasst und ein proportionales elektrisches Signal, z.B. 4 - 20 mA, überträgt.

Aufgrund der unterschiedlichen Flüssigkeitseigenschaften gibt es verschiedene Rohr- und Schwebekörperausführungen mit unterschiedlichen Materialien, die entsprechend der vorgesehenen Anwendung ausgewählt werden sollten, da sonst die Leistung und Funktion des Gerätes beeinträchtigt werden kann.

Abbildung 4 – Schwebekörper-Durchflussmesser

Schwebekörper-Durchflussmesser – Vorteile:

• Kostengünstiger Durchflussmesser mit einfachem Aufbau
• Keine Hilfsenergie erforderlich
• Geringer Druckverlust
• Geeignet für Anwendungen mit geringem Durchfluss

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Schwebekörper-Durchflussmesser – Einschränkungen:

• Mäßige Genauigkeit
• Nicht geeignet für Flüssigkeiten mit Feststoffanteil oder verschmutzte Flüssigkeiten

Nehme Sie Sie gerne Kontakt zu unseren Ingenieure auf, wenn Sie Hilfe bei der Auswahl eines Durchflussmessers für Ihre jeweilige Anwendung benötigen:

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