Wie definiert man die Messgröße Durchfluss?

Durch die Durchflussmessung wird die Menge pro Zeiteinheit bestimmt, die durch ein Rohrsystem fließt. Bei dem Medium kann es sich um eine Flüssigkeit, ein Gas oder um Dampf handeln. Bei der Durchflussmessung wird zwischen der Messung des Volumendurchflusses und der des Massendurchflusses unterschieden.

Volumendurchfluss

Beim Volumendurchfluss handelt es sich um ein Volumen, das pro Zeiteinheit durch ein Rohr fließt (in l/h, cbm/h etc.). Mit den meisten hier vorgestellten Systemen wird der Volumendurchfluss gemessen.

Massendurchfluss

Der Massendurchfluss ist definiert als die Masse, die pro Zeiteinheit durch ein System fließt (in kg/h, t/h etc.). Ist die Dichte eines Mediums gleichbleibend, kann der Massendurchfluss durch die Multiplikation des Volumendurchflusses mit der Dichte ermittelt werden. Ist die Dichte nicht konstant – wie beispielsweise oft bei Dampf und Gasen – muss diese ebenfalls messtechnisch erfasst werden.

In welchen Anwendungen muss der Durchfluss gemessen werden?

In vielen Anwendungen muss lediglich detektiert werden, ob ein minimaler Durchfluss eines Mediums vorhanden ist. Erforderlich ist dann der Einsatz von Durchflusswächtern, beispielsweise als Trockenlaufschutz für Pumpen.

Die hier vorgestellte Sensorik dient jedoch der kontinuierlichen Durchflussmessung und kommt u. a. in folgenden Anwendungen zum Einsatz:

• Bei der Abfüllung von Endprodukten in Flaschen, Behälter oder Tanks
• Bei der Überwachung oder Anzeige der Durchflussmenge in unterschiedlichen Prozessen
• In eichpflichtigen Systemen wie z. B. Zapfsäulen oder Warm- und Kaltwasserzählern, etc.

Welchen Anforderungen unterliegt die Durchflussmessung?

Die Anforderungen an das Durchflussmessgerät sind je nach Messaufgabe sehr unterschiedlich. Für das Abfüllen wird eine gute Wiederholbarkeit benötigt und im eichpflichtigen Verkehr ist zumindest in der EU ein Bauartprüfzertifikat notwendig. Auch für das Überwachen und Anzeigen der Durchflussmenge im Prozess gibt es beliebig viele Anforderungen, die einer spezifischen Applikation oder Branche geschuldet sind. Diese ergeben sich u. a. aus der Art des zu messenden Mediums und den Genauigkeitsanforderungen, aber auch aus den gesetzlichen Auflagen wie z. B. der Druckgeräterichtlinie in der EU oder dem Explosionsschutz nach ATEX-Richtlinie.

Welche Medien misst ein Durchflusssensor?

Die Medien werden in 4 unterschiedliche Kategorien eingeteilt, für die dann auch nur ausgewählte Sensorik zum Einsatz kommen kann:

• Leitfähige Flüssigkeiten (>20 µS/cm): Säuren, Basen, Bier, Milch, Trinkwasser …
• Nicht-leitfähige Flüssigkeiten: Alkohole, Glykole, mineralölbasierte Flüssigkeiten, entionisiertes Wasser …
• Gase: Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft, Erdgas …
• Dampf: Sattdampf, überhitzter Dampf

Welche Messverfahren zur Durchflussmessung gibt es?

Durchflussmessgeräte arbeiten nach unterschiedlichen Messprinzipien, die jeweils aber nicht alle Medien der zuvor angegebenen Kategorien messen können. Die nachfolgende Tabelle führt die üblichen Messverfahren auf und zeigt, welche Flüssigkeitskategorien mit diesen gemessen werden können.

Coriolis-Durchflussmessung

Die recht aufwändigen und sehr teuren Durchflussmesser nach dem Coriolis-Prinzip verfügen über ein Alleinstellungsmerkmal im Vergleich zu allen anderen hier vorgestellten Prinzipien. Sie können den Massenstrom (kg/h, t/h etc.) auch bei nicht konstanter Dichte bestimmen.

So befindet sich in Coriolis-Durchflussmessern ein Rohr, das durch einen Erreger ständig in Schwingung versetzt wird. Erfolgt kein Durchfluss, so schwingt das Messrohr über die ganze Länge gleichmäßig hin und her. Findet ein Durchfluss statt, ergibt sich durch die Trägheit des Messmediums eine Schaukelbewegung entlang des Rohres in Form einer Welle. Die Abschnitte zu Beginn und zum Ende des Rohres schwingen dann zur selben Zeit in unterschiedliche Richtungen (also mit einer Phasenverschiebung). Die Phasenverschiebung φ wird gemessen – sie ist ein direktes Maß für den Durchfluss

v ~ φ.

Ist das Rohr mit einem schwereren Medium gefüllt, schwingt dies mit einer geringeren Frequenz. So ist die Frequenz ein Maß für die Dichte des Messmediums. Über den Durchfluss und die Dichte bestimmen die Durchflussmesser den Massedurchfluss.

Coriolis-Durchflussmesser gelten als die genausten Inline-Durchflussmesser auf dem Markt; die Spezifikationen beginnen bei 0,05 % des Messwerts.

Magnetisch-induktive Durchflussmessung

Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID) misst nach dem Faraday’schen Gesetz der  elektromagnetischen Induktion. Er besteht aus einem metallenen Messrohr, durch das das leitfähige Messmedium fließt. Spulen erzeugen ein Magnetfeld, welches orthogonal zur Fließrichtung durch das Medium geführt wird.

Sobald sich die leitfähige Flüssigkeit durch das orthogonale Magnetfeld bewegt, wird eine Spannung induziert. Die Messung der induzierten Spannung erfolgt über Elektroden, die im 90°-Winkel zur Flüssigkeit und dem Magnetfeld angeordnet sind ( Drei-Finger-Regel).

Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Fließgeschwindigkeit.

Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Fließgeschwindigkeit.

v ~ U_ind

Ultraschalldurchflussmessung

Für die Ultraschall-Durchflussmessung werden hauptsächlich 2 unterschiedliche physikalische Prinzipien verwendet: das Laufzeit- und das Dopplerprinzip. Auf dem Markt dominiert das hier beschriebene Laufzeitprinzip.

Ultraschall ist eine mechanische bzw. akustische Welle, die gegen den Strom gebremst und mit dem Strom beschleunigt wird. Bei Durchflussmessungen mit Ultraschall werden die unterschiedlichen Laufzeiten (mit und gegen den Strom) für die gleiche Strecke gemessen. Dabei ist die Differenz beider Zeiten das Maß der Fließgeschwindigkeit.

V ~ △ t

Um die Zeitdifferenz messen zu können, werden 2 Messwandler benötigt, die als "Lautsprecher" und "Mikrofon" dienen.

Vortex-Durchflussmessung

Das Vortex-Messprinzip beruht auf der Kármánschen Wirbelstraße, bei der ein umströmter Körper gegenläufige Wirbel auftreten lässt. In der Praxis werden beim fließenden Medium durch das Einbringen eines Störkörpers in die Rohrleitung Wirbel erzeugt. Die Wirbel sind gegenläufig und werden abwechselnd links und rechts vom Störkörper abgelöst. Die Wirbel bilden hinter dem Störkörper lokale Druckdifferenzen, die durch einen entsprechend konzipierten Sensor erfasst werden. Der Sensor misst die Anzahl der Wirbel pro Zeiteinheit, also die Frequenz der auftretenden Wirbel. Die Frequenz verhält sich proportional zur Fließgeschwindigkeit.

v ~ ƒ

Kalorimetrische Durchflussmessung

Das Verfahren nutzt 2 Widerstandssensoren, von denen einer als Heiz- und der andere als Messelement für die Mediumstemperatur eingesetzt wird. Die Temperaturdifferenz zwischen dem heizenden Pt100 und dem Medium wird konstant gehalten und die dafür benötigte Heizleistung gemessen. Je höher die Strömung des Mediums, desto mehr Heizleistung wird benötigt, um die Temperaturdifferenz beständig zu halten. Auf diese Weise können durch die Heizleistung Rückschlüsse auf die jeweilige Durchflussmenge gezogen werden.

Die eingespeiste Leistung ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit:

v ~ P

Durchflussmessung mit Differenzdruck/Wirkdruckgeber

Wirkdruckgeber sind u. a. Blenden, Staudrucksonden oder Venturi-Rohre. Im Rohr eingebaut, erzeugen sie einen Wirkdruck oder auch Differenzdruck, der z. B. bei der Blende über den statischen Druck vor und nach der Blende gemessen wird. Aus dem Differenzdruck kann nach der Bernoulli-Gleichung die Durchflussgeschwindigkeit bestimmt werden, sie verhält sich proportional zur Quadratwurzel des Differenzdrucks:

v ~ √△p

Um den Wirkdruck zu messen, werden entsprechende Differenzdrucksensoren benötigt. Die Genauigkeit setzt sich damit aus der Unsicherheit des Wirkdruckgebers und des Differenzdrucktransmitters zusammen.

Flügelrad-Durchflussmessung

Das Flügelrad wird durch das Fließen des Mediums gedreht und ein am Gehäuse angebrachter induktiver Impulsgeber gibt pro vorbeibewegtem Flügelrad einen Impuls aus. Die Impulsfrequenz ist ein direktes Maß für die Fließgeschwindigkeit:

v ~ ƒ

Viele Flügelradsensoren geben das Impulssignal direkt aus und eine Auswerteeinheit ermittelt aus diesem den Durchfluss. Alternativ können die Sensoren aber auch mit einer Elektronik ausgestattet sein, die das Impulssignal in ein analoges Signal wandelt und dieses der Auswerteeinheit zuführt.

Wie wählt man den richtigen Sensor zur Durchflussmessung aus?

Das Messprinzip muss – wie zuvor beschrieben – für das Medium geeignet sein. Zu den weiteren Voraussetzungen, die ein Durchflussgerät erfüllen muss, zählen:

• Betriebsbedingungen (Durchflussbereich, Druck, Temperatur, Materialkompatibilität)
• Einbaubedingungen (Ein-/Auslaufstrecken, Rohrführung, Installation)
• Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Vibrationen)
• Gesetzliche Vorgaben (Explosionsschutz, Eichpflicht)

Die Auswahl wird noch durch weitergehende praktische Rahmenbedingungen erschwert:

• Feststoff- oder Gasanteile
• Nicht optimale Einbausituation
• Kosten versus Genauigkeit

Durch diese unterschiedlichen Herausforderungen ist eine fachliche Beratung bei der Wahl des Durchflussmessgeräts unabdingbar.