Magnetisch-induktive Durchflussmessung

Die Basis dieses Messverfahrens bildet das Faradaysche Induktionsgesetz: In einem elektrischen Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Dieses elektrische Feld lässt sich über eine Spannung zwischen den Leiterenden messen - es wird eine Spannung induziert.
Hierbei entspricht die zu messende leitfähige Flüssigkeit dem bewegten Leiter. Das Magnetfeld mit konstanter Stärke wird durch zwei stromdurchflossene Feldspulen zu beiden Seiten des isolierenden Messrohres erzeugt. In der Praxis kommt überwiegend das Laufzeitverfahren zum Einsatz.
Die beim Durchfliessen des Messstoffs erzeugte Spannung wird an den zwei an der Rohrinnenwand befindlichen Messelektroden abgegriffen. Die Durchflussgeschwindigkeit ist dabei proportional zu der induzierten Spannung, die durch einen geeigneten Messumformer in Standardsignale umgesetzt wird.

  • Messprinzip praktisch unabhängig von Druck, Dichte, Temperatur und Viskosität
  • auch feststoffbeladene Flüssigkeiten sind messbar (z.B. Erzschlämme, Zellstoffbreie)
  • großer Nennweitenbereich verfügbar (DN2 bis  DN2000)
  • freier Rohrquerschnitt (CIP-/SIP-reinigbar, molchbar)
  • keine bewegten Teile
  • geringer Wartungs- und Pflegeunterhalt
  • keine Druckverluste
  • sehr hohe Messdynamik bis 1000:1
  • hohe Messsicherheit und Reproduzierbarkeit, hohe Langzeitstabilität

Ultraschall-Durchflussmessung

Das Ultraschall-Durchfluss-Messverfahren kann in die folgenden vier unterschiedlichen Messprinzipien unterteilt werden:

1) Laufzeitverfahren
Das Laufzeitverfahren nutzt den physikalischen Effekt, dass der Schall in einem strömenden Medium von der Strömung mitgenommen wird.
Hierbei wird ein Ultraschallimpuls in Strömungs- und gegen Strömungsrichtung gesandt. Bei einem strömenden Medium ist nun die effektive Schallgeschwindigkeit um die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums größer - bzw. kleiner, wenn der Schall gegen den Strom läuft - als im ruhenden Medium. Aus dieser gemessenen Laufzeitdifferenz kann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.

2) Dopplerverfahren
Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit wird beim Dopplerverfahren die Frequenzverschiebung von einem bewegten (inhomogenen) Partikel reflektierten Schallsignals ermittelt. Dieses Messverfahren setzt voraus, dass in dem zu messenden Medium also Feststoffe oder Gasblasen enthalten sind.

3) Driftverfahren
Bei der Driftmessung wird senkrecht zur Strömung des zu messenden Mediums ein kontinuierliches Ultraschallsignal abgestrahlt. Nun wird die Intensitätsverteilung durch das Medium entsprechend der Strömungsrichtung abgelenkt. Aus der relativen Intensitätsverteilung des Ultraschallsignals auf die gegenüberliegenden Empfänger kann die relative Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.

4) Stroboskop-Verfahren
Das Stroboskop-Meßverfahren arbeitet ähnlich wie das Dopplerverfahren mit reflektierten Schallsignalen von bewegten Partikeln. Es wird dabei, im Gegensatz zum Dopplerverfahren nicht die Frequenzverschiebung des Schallsignals genutzt, sondern die Zeit gemessen, die ein Partikel zum Durchlaufen einer definierten Wegstrecke in einem Schallkegel benötigt. Hierzu werden kurze Ultraschallimpulse in schneller Folge - ähnlich wie Stroboskopaufnahmen mit Licht - hintereinander ausgestrahlt.
  • Einsatz in einem großen Nennweitenbereich (DN50 bis DN4000)
  • direkte Montage auf bestehende Rohrleitungen - berührungsloses Messen von außen
  • das Messverfahren ist unabhängig von Druck, Temperatur, Leitfähigkeit und Viskosität
  • unkompliziertes Messen von aggressiven Flüssigkeiten auch unter Hochdruck
  • keine Druckverluste und Querschnittsreduzierungen
  • minimaler Wartungsaufwand
  • Inbetriebnahme ohne Prozessunterbrechung da keine Eingriffe notwendig sind
  • hohe Lebensdauer (keine Abrasion oder Korrosion durch den Messstoff)

Coriolis-Massendurchflussmessung (CMD)

Das sogenannte Coriolis Prinzip zur Massendurchflussmessung nutzt die Coriolis Kräfte. Das sind Scheinkräfte, die an bewegten Massen in einem rotierenden Bezugssystem angreifen. Wird nun eine in Bewegung befindliche Masse einer Schwingung quer zur Bewegungsrichtung ausgesetzt, so treten (abhängig vom Massestrom) Corioliskräfte auf.
Die Coriolis-Massendurchflussmesser bestehen aus ein oder zwei Messrohren, die mit einer Resonanzfrequenz von typischerweise 80 - 1000 Hz angeregt werden. Fließt nun ein Medium (= Masse) durch diese schwingenden Messrohre, so entstehen Corioliskräfte.
Diese Kräfte ändern die Schwingungen um geringe Beträge. Das Zusammenspiel von Corioliskräften und Resonanzfrequenz führt zu einer kleinen Phasenverschiebung, die vom Messsystem mittels optischer oder induktiver Sensoren erfasst wird. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für den Massedurchfluss.
Gleichzeitig kann neben dem Massedurchfluss auch die Dichte des Mediums aus der Resonanzfrequenz bestimmt werden. Zur Kompensation von Temperaturabhängigkeiten wird zusätzlich die Messrohrtemperatur und damit die Medientemperatur erfasst. Somit liefert der Messumformer des Coriolis-Massendurchflussmessers die drei Messinformationen Massendurchfluss, die Mediendichte sowie die Temperatur des Mediums.
  • universelles Messprinzip für Flüssigkeiten und Gase
  • gleichzeitiges und direktes Messen von Massedurchfluss, Dichte und Temperatur
  • Messprinzip unabhängig von den physikalischen Messstoffeigenschaften
  • sehr hohe Messgenauigkeit (typisch ±0,1 %)
  • bidirektionale Messung
  • keine Ein- und Auslaufstrecken notwendig
  • Temperaturbereich von -200 °C bis +350 °C

Wirbelzähler-Durchflussmessung (Vortex Meter)

Der Wirbelzähler (engl. vortex meter) nutzt die Wirbel, die an einem Störkörper in einem strömenden Medium entstehen.
In dem Messrohr wird ein scharfkantiger, feststehender Störkörper vom Medium angeströmt. Hinter diesem Störkörper bilden sich abwechselnd auf beiden Seiten sehr regelmäßige Wirbel durch den Abriss der Strömung an den scharfen Kanten. Es bildet sich eine Kármánnsche Wirbelstraße aus.
Die Frequenz der Wirbelablösung zu beiden Seiten des Störkörpers ist proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit des Mediums und damit zum Volumendurchfluss.
Die abgelösten Wirbel stellen einen lokalen Unterdruck im Medium und damit auch im Messrohr dar. Dieser Unterdruck wird durch einen kapazitiven Sensor erfasst und als primär digitales, lineares Signal der Elektronik zugeführt.
Das Messsignal unterliegt keiner Drift. Deshalb können Wirbelzähler über die gesamte Lebensdauer ohne Nachkalibrierung eingesetzt werden.
Bei kapazitiven Sensoren mit integrierter Temperaturmessung ist zusätzlich z.B. der Massedurchsatz von Sattdampf direkt erfassbar.
  • universell einsetzbar für die Messung von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf
  • weitgehend unabhängig gegenüber Druck-, Temperatur- und Viskositätsänderungen
  • hohe Langzeitstabilität (K-Faktor auf "Lebenszeit"), kein Nullpunktdrift
  • keine beweglichen Teile
  • geringer Druckverlust
  • einfache Installation und Inbetriebnahme
  • große Messdynamik von typisch 10:1 bis 30:1 bei Gas/Dampf bzw. bis 40:1 bei Flüssigkeiten
  • großer Temperaturbereich von -200 bis +400 °C

Kalorimetrische Durchflussmessverfahren

Das Verfahren basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung und des Wärmetransports in Flüssigkeiten und Gasen. Das Messverfahren beruht auf einer thermodynamischen Grundlage.
Ein Körper mit höherer Temperatur als seine Umgebung gibt an eine vorbeiströmende Masse Energie in Form von Wärme ab. Das Ausmaß der Energieabgabe ist durch die Temperaturdifferenz Δt und durch die Größe des Massendurchflusses bestimmt.
Das thermische Messverfahren beruht auf folgendem Prinzip:
Die Temperaturdifferenz Δt des Messaufnehmers zur Umgebung wird durch eine elektrische Heizung konstant gehalten. Aus der Messung der Heizleistung wird der Massendurchfluss bestimmt. Dieses Verfahren wird als CTD (Constant-Temperature-Difference) Messverfahren bezeichnet. Zwei temperaturempfindliche Widerstände (Sensorelemente) werden vom Medium umströmt. Eines der Sensorelemente nimmt die Mediumstemperatur tM an, während das zweite Element vom integrierten Heizwiderstand auf die Temperatur tS erhitzt wird. Die Temperaturdifferenz Δt = tS - tM wird in Abhängigkeit der Art des Mediums von einem Regelkreis konstant gehalten. Der dazu erforderliche Heizstrom IH ist abhängig vom Massendurchfluss und kann somit zur Auswertung des Massestroms herangezogen werden.
Einsetzbar ist das kalorimetrische Messverfahren zur Messung des Volumen- und Massenstroms als Durchflussmessgerät oder als Strömungswächter. Die Messdynamik liegt bei > 1:100. Vorteilhaft ist bei diesem Prinzip die Unabhängigkeit von der Viskosität und der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums. Die kleine und robuste Bauformen der Sensoren ist für alle Nennweiten geeignet.
  • einsetzbar als Durchflussmessgerät und Strömungswächter
  • Geeignet für Flüssigkeiten und Gase
  • misst Massen- und Volumenstrom sowie Fließgeschwindigkeit und Mediumstemperatur
  • keine bewegten Bauteile
  • große Messdynamik > 1:100
  • unabhängig von Viskosität und elektr. Leitfähigkeit des Mediums
  • kleine und robuste Bauform
  • für alle Nennweiten einsetzbar

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