Durchflussmesser

Erste Schritte zur Auswahl des richtigen Durchflussmessers

Der erste Schritt bei der Auswahl des Durchflussmessers ist die Entscheidung, ob Durchflussdaten kontinuierlich oder in summierter Form ausgegeben werden sollen und ob diese Daten lokal oder auch extern benötigt werden. Sollen die Daten analog, digital oder kombiniert übertragen werden? Bei kombinierter Übertragung: In welchem (Mindest-) Intervall ist eine Datenaktualisierung erforderlich? Sobald diese Fragen beantwortet sind, sollte die Bewertung der Eigenschaften und Fließeigenschaften des Prozessmediums und der Rohrleitung erfolgen, in der der Durchflussmesser installiert wird. Um bei dieser Aufgabe systematisch vorzugehen, wurden Formulare erarbeitet, bei denen für jede Anwendung die folgenden Arten von Daten eingegeben werden. Bitte klicken Sie hier, um ein Formular zu bestellen.

Allgemeines zur Durchflussmessung

Für die Auswahl eines geeigneten Durchflussmessers ist es zunächst wichtig, die Anforderungen einer gegebenen Anwendung gut zu verstehen. Daher sollten die Art des Prozessmediums und die Gesamtanlage gründlich und vollständig bewertet werden.

Medium- und Durchflusseigenschaften

Aufzulisten sind das Medium mit seinem Namen und mit seinen Werten für Druck, Temperatur, zulässigen Druckabfall, Dichte (oder spezifisches Gewicht), Leitfähigkeit, Viskosität (Newtonsche Viskosität oder nicht?) und Dampfdruck bei maximaler Betriebstemperatur. Zusätzlich die Angaben, inwiefern diese Eigenschaften veränderlich sind oder sich gegenseitig beeinflussen. Außerdem sollten alle Informationen zur Sicherheit und Toxizität angegeben werden, zusammen mit detaillierten Daten zur Zusammensetzung der Flüssigkeit, Anwesenheit von Blasen, Feststoffen (schleifend oder weich, Partikelgröße, Fasern), Neigung zur Schichtbildung und die Güte der Lichtleitfähigkeit (trüb, lichtdurchlässig oder klar?).

Druck- und Temperaturbereiche

Neben den normalen Betriebswerten sollten bei der Auswahl von Durchflussmessern auch zu erwartende Höchst- und Tiefstwerte für Druck und Temperatur angegeben werden. Außerdem sollte angegeben werden, ob ein Rückfluss möglich ist, die Leitung nicht immer gefüllt ist, es zu einem Schlagfluss kommen kann (Luft-Feststoff-Flüssigkeit), ob eine Luftabsorption oder pulsierende Druckschwankungen wahrscheinlich sind, ob plötzliche Temperaturveränderungen auftreten können oder bei der Reinigung und Wartung besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sind.

Verrohrung und Installationsort

Bei Rohrleitung und Anbringungsort der Durchflussmesser sind folgende Punkte zu beachten: Ausrichtung der Rohrleitung (Abwärtsfluss bei Anwendungen mit Flüssigkeiten vermeiden), Größe, Material, Innendurchmesser, Flanschdruckwerte, Zugang, keine Rohrbögen in Zu- und Ablauf, Ventile, Regler und vorhandene Längen gerader Rohrabschnitte. Der Entwickler, der diese Angaben macht, muss wissen, ob Vibrations- oder Magnetfelder vorliegen oder in dem Bereich auftreten können, ob der Bereich als explosionsgefährdet eingestuft ist, ob es andere besondere Anforderungen gibt, wie zum Beispiel die Einhaltung von hygienischen oder Clean-In-Place-Anforderungen (CIP).

Wesentliche Fragen zur Auswahl eines Durchflussmessers

1. Um welches Medium handelt es sich bei dem zu messenden Fluid?
2. Ist eine Messung der Rate und/oder eine Summierung erforderlich?
3. Wenn es sich nicht um Wasser handelt, welche Viskosität hat die Flüssigkeit?
4. Benötigen Sie eine lokale Anzeige für den Durchflussmesser oder eine elektronische Signalausgabe?
5. Wie hoch ist die minimale und maximale Durchflussrate?
6. Wie hoch ist der minimale und maximale Prozessdruck?
7. Wie hoch ist die minimale und maximale Prozesstemperatur?
8. Sind die medienberührten Teile des Durchflussmessers mit dem Medium kompatibel?
9. Bei Prozessanwendungen: Wie groß ist die Rohrleitung?

Durchflussrate und Genauigkeit

Der nächste Schritt ist die Bestimmung des erforderlichen Messbereichs durch Ermittlung des minimalen und maximalen Durchflusses (Massedurchfluss oder Volumendurchfluss), der zu messen ist. Anschließend wird die erforderliche Messgenauigkeit bestimmt. Üblicherweise wird die Genauigkeit in Prozent des effektiven Messwerts, der kalibrierten Spanne oder des Endwerts angegeben. Die Anforderungen an die Genauigkeit sollten separat für den minimalen, normalen und maximalen Durchfluss angegeben werden. Solange Sie diese Anforderungen kennen, ist die Leistung des Durchflussmessers möglicherweise nicht im gesamten Messbereich ausreichend.

Bei Anwendungsfällen, in denen Produkte basierend auf Messergebnissen verkauft oder erworben werden, ist eine exakte Genauigkeit sehr wichtig. Bei anderen Anwendungsfällen kann die Wiederholbarkeit wichtiger sein als exakte Genauigkeit. Daher empfiehlt sich, für jede Anwendung die Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Wiederholbarkeit festzustellen und in den Spezifikationen anzugeben.

Wird die Genauigkeit des Durchflussmessers in % der kalibrierten Spanne oder % des Endwerts angegeben, steigt die absolute Fehlerrate, wenn der gemessene Durchfluss sinkt. Wird der Messfehler in % der tatsächlichen Messrate angegeben, bleibt der absolute Wert bei starkem oder geringem Durchfluss gleich. Da der Endwert immer größer ist, als die kalibrierte Spanne, hat ein Sensor mit einer Leistung in % des Endwerts immer einen größeren Messfehler als ein Sensor mit derselben Spezifikation in % der kalibrierten Spanne. Daher ist es für einen gerechten Vergleich aller Angebote empfehlenswert, alle berichteten Fehlermeldungen in dieselben prozentualen Messrateneinheiten umzurechnen.

In gut vorbereiteten Durchflussmesserspezifikationen werden alle Angaben zur Genauigkeit einheitlich in prozentuale tatsächliche Messrateneinheiten umgerechnet und die Anforderungen dafür werden separat für den minimalen, normalen und maximalen Durchfluss angegeben. Alle Spezifikationen und Angebote für Durchflussmesser sollten eindeutige Daten zur Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Messgeräts bei minimalem, normalem und maximalem Durchfluss enthalten.

Genauigkeit und Wiederholbarkeit

Wenn eine ausreichende Messleistung mit zwei verschiedenen Durchflussmesser-Kategorien möglich ist, und eine Kategorie keine beweglichen Teile enthält, ist diese zu bevorzugen. Bewegliche Teile können zu Problemen führen, nicht nur wegen der offensichtlichen Gründe, wie Verschleiß, Schmierung und Anfälligkeit für Schichtbildung, sondern auch, weil bewegliche Teile meist ein gewisses Spiel benötigen und der resultierende „Schlupf“ zu einem Verlust an Genauigkeit führt. Selbst bei gut gewarteten und kalibrierten Messgeräten verändert sich dieser ungemessene Fluss, wenn sich die Viskosität oder Temperatur des Mediums ändert. Temperaturveränderungen führen ebenfalls zu einer Veränderung des Innendurchmessers und müssen ausgeglichen werden.

Zusätzlich wird generell empfohlen, einen Durchflussmesser zu nutzen, wenn man dieselbe Leistung mit einem vollständigen Flussmesser und einem Punktsensor erhält. Da Punktsensoren nicht den gesamten Durchfluss betrachten, können sie nur präzise messen, wenn sie in einer Tiefe positioniert werden, in der die Durchflussgeschwindigkeit dem durchschnittlichen Geschwindigkeitsprofil der gesamten Rohrleitung entspricht. Selbst wenn dieser Punkt zum Zeitpunkt der Kalibrierung sorgfältig ermittelt wird, ist es unwahrscheinlich, dass er unverändert bleibt, da sich das Geschwindigkeitsprofil mit Durchflussrate, Viskosität, Temperatur und anderen Faktoren ändert.

Massen- oder volumenbezogene Einheiten

Vor der Wahl des Durchflussmessers ist es außerdem empfehlenswert, zu ermitteln, ob die Durchflussdaten besser in Masse- oder Volumeneinheiten dargestellt werden sollen. Wenn der Durchfluss von komprimierbaren Stoffen gemessen wird, ist der Volumendurchfluss nicht sehr aussagekräftig, sofern nicht die Dichte (und manchmal auch die Viskosität) konstant sind. Wenn die Geschwindigkeit (der Volumendurchfluss) von nicht komprimierbaren Flüssigkeiten gemessen wird, verursachen die verteilten Blasen Fehler, daher müssen Luft und Gase entfernt werden, bevor die Flüssigkeit das Messgerät erreicht. Bei anderen Aufnehmern für die Fließgeschwindigkeit kann die Auskleidung von Rohren zu Problemen führen (Ultraschall) oder das Messgerät vollständig außer Funktion setzen, wenn die Reynoldszahl zu niedrig ist (bei Wirbelkörpermessern ist eine RD > 20.000 nötig).

In Anbetracht dessen sollten Massedurchflussmesser, die gegenüber Dichte-, Druck- und Viskositätsveränderungen unempfindlich sind und nicht durch Veränderungen der Reynoldszahl betroffen sind in Betracht gezogen werden. In der chemischen Industrie werden oft auch die verschiedenen Gerinnenarten unzureichend genutzt, die den Durchfluss in teilgefüllten Leitungen messen können und große schwimmfähige oder Sinkstoffe vorbeilassen.

Eine gute Übersicht der OMEGA Durchflussmesser finden Sie hier.

Schwebekörper-Durchflussmesser
Der Durchflussmesser besteht aus einem konisch geformten Rohr und einem Schwebekörper. Aufgrund der geringen Kosten dafür, seiner Einfachheit, des geringen Druckabfalls und seines relativ großen Messbereichs sowie des linearen Ausgangs ist es der meistverwendete Durchflussmesser für Gase und Flüssigkeiten.

Feder- und Kolbendurchflussmesser
Kolbendurchflussmesser verwenden eine ringförmige Blende, die aus einem Kolben und einem Kegel gebildet wird. Der Kolben wird durch eine kalibrierte Feder am Kegelboden (in der Nullposition) gehalten. Die Skalierungen basieren hier auf der spezifischen Masse von 0,84 bei Öldurchflussmesser und 1,0 bei Wasserdurchflussmesser. Durch ihre einfache Auslegung und da sie problemlos für die Übertragung elektrischer Signale angepasst werden können, sind sie eine günstige Alternative zur Durchflussanzeige und -regelung mit Schwebekörper-Durchflussmessern.

Massedurchflussmesser für Gase
Thermische Massedurchflussmesser sind im Betrieb weniger abhängig von Dichte, Druck und Viskosität des Mediums. Diese Art des Durchflussmessers verwendet entweder einen anderen Drucktransmitter und Temperatursensor oder ein beheiztes Sensorelement und thermodynamische Prinzipien der Wärmeübertragung, um den korrekten Massedurchfluss zu ermitteln. Viele dieser Massedurchflussmesser verfügen über integrierte Anzeigen und Analogausgänge für die Datenaufzeichnung. Zu den häufigsten Anwendungsgebieten gehören Dichtheitsprüfungen und die Messung langsamer Durchflussgeschwindigkeiten in Millilitern pro Minute.

Ultraschalldurchflussmesser
Ultraschall-Durchflussmesser werden häufig bei der Messung verschmutzter Medien verwendet, wie z. B. Abwasser und andere verunreinigte Flüssigkeiten und Schlämme, durch die herkömmliche Sensoren in der Regel Schaden nehmen. Vom Grundprinzip her greift das Gerät auf die Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt) eines von bewegten Gasblasen oder Schwebeteilchen (Diskontinuitäten) reflektierten Ultraschallsignals zurück.

Turbinendurchflussmesser
Der Turbinendurchflussmesser kann eine Messgenauigkeit von 0,5 % erreichen. Es ist ein sehr präzises Messgerät und kann für klare und für viskose flüssige Medien mit bis zu 100 centiStokes verwendet werden. Dafür ist eine gerade Einlaufstrecke von mindestens 10 Rohrdurchmessern erforderlich. Die üblichsten Signalausgänge sind eine Sinuswelle oder ein Rechtecksignal, allerdings können Signalumformer bei analogen Ausgängen und für als explosionssicher eingestufte Anwendungen zusätzlich installiert werden. Der Durchflussmesser besteht aus einem Mehrflügelrotor, der rechtwinklig zum Fluss angebracht ist und von einem frei laufenden Lager in den Durchflussstrom hängt.

Flügelraddurchflussaufnehmer
Sie gehören zu den gängigsten kostengünstigen Durchflussmessern für Wasser oder wasserähnliche Flüssigkeiten. Häufig werden sie als Durchflussarmaturen oder Einsteckdurchflusssensoren angeboten. Diese Messgeräte, wie der Turbinenmesser, benötigen einen geraden Rohrverlauf mit einer Länge von mindestens 10 Rohrdurchmessern auf der Einlassseite und 5 auf der Auslassseite. Die chemische Kompatibilität muss verifiziert werden, wenn ein anderes Medium als Wasser verwendet wird. Sinuswellen und Rechteckimpulsausgänge sind üblich, doch integrierte oder in Schalttafeln eingebaute Messumformer sind erhältlich. Der Rotor des Flügelrad-Durchflusssensors steht senkrecht zum Durchflussstrom und berührt nur einen Teil des Durchflussstromquerschnitts.

Zahnraddurchflussmesser
Diese Messgeber werden für Anwendungen mit Wasser verwendet, wenn die Rohrleitung nicht gerade ist und Turbinen-Durchflussmesser und Flügelrad-Durchflusssensoren dort einer zu starken Verwirbelung ausgesetzt wären. Die Zahnrad-Durchflussmessung wird auch für viskose flüssige Medien verwendet.

Wirbeldurchflussmesser
Die Hauptvorteile von Wirbeldurchflussmessern sind ihre geringe Empfindlichkeit gegen über Veränderungen der Prozessbedingungen und der geringe Verschleiß im Vergleich zu Blenden- oder Turbinendurchflussmessern. Zudem sind sie günstig in Anschaffung und Wartung. Daher haben sie eine größere Akzeptanz unter Nutzern gefunden. Wirbeldurchflussmesser müssen eigens dimensioniert werden. Wenden Sie sich dazu an unsere technischen Berater.

Staudruck-Durchflussmesser oder Differenzdrucksensoren für flüssige Medien und Gase
Die Staudruck-Durchflussmesser bieten folgende Vorteile: Einfache, günstige Installation, wesentlich geringerer dauerhafter Druckabfall, sie sind wartungsarm und verschleißen kaum. Staudruck-Durchflussmesser müssen eigens dimensioniert werden. Wenden Sie sich dazu an unsere technischen Berater.

Magnetisch-induktive Durchflussmesser für leitfähige flüssige Medien
Verfügbar als In-Line- oder Eintauchgerät. Die magnetisch-induktiven Durchflussmesser enthalten keine beweglichen Teile und sind ideal geeignet für die Anwendung im Bereich Abwasser oder für den Einsatz mit anderen leitfähigen und verunreinigten Medien. Die Anzeige ist integriert und ein Analogausgang kann für die externe Überwachung oder Datenaufzeichnung.

Anemometer zur Luftstrommessung
Heißdraht-Anemometer sind Fühler ohne bewegliche Teile. Der Luft-Durchfluss bzw. Luftstrom kann in Rohr- und Schlauchleitungen mit einem Handgerät oder einem dauerhaft angebrachten Gerät gemessen werden. Flügelrad-Anemometer sind ebenfalls erhältlich. Flügelrad-Anemometer sind normalerweise größer als eine Heißdrahtversion, aber auch stabiler und kostengünstig. Erhältlich sind Modelle mit Temperatur- und Feuchtemessung.

Massedurchfluss oder Volumendurchfluss?

Sie möchten einen Durchfluss messen? Zur Erfüllung dieser Anforderung ist wahrscheinlich die Anschaffung eines Durchflussmessers erforderlich. Unter der Voraussetzung, dass ein Mediumdurchfluss als die an einem gegebenen Standort vorbeifließende Fluidmenge definiert ist, kann anscheinend praktisch jeder beliebige Durchflussmesser diese Aufgabe erfüllen. Betrachten wir zunächst die folgende den Mediumdurchfluss in einem Rohr beschreibende Gleichung.

Q = A x v

Q ist die Durchflussrate, A ist der Rohrleitungsquerschnitt und v ist die mittlere Fließgeschwindigkeit in dem Rohr. Unter Verwendung dieser Gleichung ergibt sich der Durchfluss eines mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1 m/s durch ein Rohr mit dem Querschnitt von 1 m2 fließenden Mediums zu 1 m3/s. Da Q ein Volumen pro Zeiteinheit beschreibt, wird Q allgemein als die Volumendurchflussrate bezeichnet. Betrachten wir nun die folgende Gleichung:

W = rho x Q

W ist die Durchflussrate (genau wie oben) und rho ist die Dichte des Mediums. Unter Verwendung dieser Gleichung ergibt sich der Durchfluss zu 1 kg/s, wenn 1 m3/s des Mediums mit der Dichte von 1 kg/m3 durch das Rohr fließt. Da W eine Masse pro Zeiteinheit beschreibt, wird W allgemein als die Massedurchflussrate bezeichnet. Es stellt sich die Frage: Welche Art von Durchfluss möchten Sie messen? Die Antwort ist: Es hängt vom Einzelfall ab. In einigen Anwendungen ist es sinnvoll, den Volumendurchfluss zu messen.

Zum Beispiel beim Befüllen eines Behälters. Wird ein Tank mit Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte befüllt, dann kann ein Überlaufen nur durch Messen des Volumendurchflusses vermieden werden. (Natürlich ließe sich durch den Einsatz eines Niveautransmitters und eines Füllstandsgrenzwertwächters die Notwendigkeit eines Volumendurchflussmessers umgehen.) Betrachten wir die Überwachung eines Mediumzuflusses in einen Prozess, der nur eine begrenzte Zuflussmenge pro Zeiteinheit verträgt. Hier ist eine Volumendurchflussmessung durchaus sinnvoll.

In anderen Prozesse ist es wichtig, unbedingt den Massedurchfluss zu messen. Betrachten wir chemische Reaktionen, bei denen die Substanzen A, B und C miteinander reagieren sollen. Hier ist nur die Anzahl der Moleküle (ihre Masse) von Interesse, nicht aber ihr Volumen. Genauso ist beim Kaufen und Verkaufen von Massenprodukten (Übernahmetransfer) einzig die Masse und nicht das Volumen von Wichtigkeit.

Wie hoch ist der Wartungsaufwand für einen Durchflussmesser?

Die Wartungsanforderungen und die Lebensdauer von Durchflussmessern werden durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Ein wesentlicher Faktor ist natürlich der Einsatz des für die jeweilige Anwendung geeigneten Geräts. Schlecht ausgewählte Geräte führen ausnahmslos zu einem frühen Zeitpunkt zu Problemen. Durchflussmesser ohne bewegliche Teile erfordern weniger Beachtung als Geräte mit beweglichen Teilen. Aber alle Durchflussmesser erfordern irgendwann eine gewisse Wartung.