Der richtige Durchflussmesser für jedes Medium

Durchflussmesser bestimmen, welche Menge an Flüssigkeit oder Gas durch ein geschlossenes Rohr oder offene Gerinne und Freispiegelleitungen fließt. Dabei kann die Durchflussmenge sowohl linear oder nicht linear sein und in Form von Volumen oder Masse gemessen werden. Durchflussmesser bestehen aus zwei wesentlichen Bestandteilen: Durchflusssensor und Transmitter. Der Durchflusssensor erfasst physikalische oder chemische Eigenschaften wie Temperatur, Druck und Drehzahl. Mit diesen berechnet man dann den Masse- oder Volumenstrom. Der Transmitter verarbeitet die gemessenen Werte und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Dieses überträgt er entweder an einen Computer oder ein Bauteil, das den Durchfluss stoppt oder reguliert. Das Messprinzip und der verwendete Sensor sind je nach Typ unterschiedlich.

Durchflussmesser und Durchflusssensoren kommen in erster Linie im Wassermanagement zum Einsatz, doch sie können noch viel mehr. Mit ihnen lassen sich viele Prozessen in der Industrie optimieren und automatisieren. So verhindern Durchflussmesser beispielsweise, dass Tanks beim Befüllen mit Heizöl oder Benzin überlaufen oder überwachen das korrekte Mengenverhältnis bei chemischen Reaktionen.

Obwohl man umgangssprachlich immer von Durchflussmessern spricht, unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei Typen: Mengenmessern und Durchflussmessern. Mengenmesser, auch Volumenzähler genannt, messen die Menge des durchfließenden Materials mittels physikalischer Verfahren. Sie erfassen Teilmengen des Masse- oder Volumenstroms und summieren diese zu einer Gesamtmenge auf. Im Gegensatz dazu bestimmen Durchflussmesser die Menge des durchfließenden Materials mittels physikalischer Hilfsgrößen wie Fließgeschwindigkeit, Spannung oder Schallwellen. Daraus berechnet sich dann der Materialstrom. Oftmals kommen dafür Sensoren zum Einsatz.

• Bei mittelbaren Mengenmessern grenzen Messkammern das Materialvolumen ab. Hierzu gehören Ovalradzähler, Balgenzähler und Ringkolbenzähler, die sich durch ihre besonders genauen Ergebnisse auszeichnen. Man findet sie in der Chemie und Petrochemie, in der Mineralölindustrie sowie in der Nahrungsmittelindustrie, wo sie Gase oder Flüssigkeiten sehr exakt messen und dosieren.
• Mittelbare Volumenzähler haben keine Messkammern. Sie zählen den Materialdurchfluss über Impulse oder Strömungsveränderungen, zum Beispiel mit Messflügeln. Zu ihnen zählen Turbinen- oder Flügelradzählern, Wirbel-Durchflussmesser und Drall-Durchflussmesser. Da die je nach Feinheit der Intervalle Messinformationen verloren gehen, setzt man die Geräte meist dort ein, wo es nicht auf höchste Genauigkeit ankommt. Flügelradzähler nutzt man oft als Hauswasserzähler.
• Bei den Durchflussmessern kommen verschiedenste Verfahren zum Einsatz, die jeweils für andere Zwecke vorteilhaft sind. Grundsätzlich unterteilt man hier zwischen Masse- oder Volumendurchflussmessern. Coriolis Massedurchflussmesser bestimmen Flüssigkeiten und Gase, beispielsweise an Zapfsäulen und in Dosieranlagen. Thermische Massendurchflussmesser findet man in der Industrie, da sie sich besonders gut für das Messen von Gasströmen eignen. Durchflussmesser nach dem Wirkdruckverfahren sowie Schwebekörper-, magnetisch-induktive und Ultraschall-Durchflussmesser erfassen den Volumenstrom, zum Beispiel in Abwasseranlagen, Chemiebetrieben und auch in der Nahrungsmittelproduktion.

Ein Problem, verschiedene Lösungen: Je nach Einsatzzwecke eignen sich manche Durchflussmesser besser als andere. Im Folgenden werfen wir daher einen Blick auf die gängigsten Typen von Durchflusssensoren und deren Unterschiede:

Turbinendurchflussmesser

Turbinendurchflussmesser, auch Flügelrad- oder Woltmannzähler genannt, messen den Durchfluss über die Drehzahl, die sich linear zur Strömungsgeschwindigkeit verhält. Ein Rotor mit mehreren Flügeln ist entweder parallel oder quer zur Strömung angebracht und bewegt sich dementsprechend. Das Verfahren eignet sich für klare und viskose Flüssigkeiten bis 100 cSt. Es gilt in einem begrenzten Messbereich als besonders genau. Lagerreibung, Strömungsprofil, Viskosität und Verwirbelungen beeinflussen das Messergebnis. Flügelradzähler setzt man häufig als Hauswasserzähler ein, oder sie übernehmen beispielsweise in der Solartechnik aufgrund ihrer Messgenauigkeit Kontrollaufgaben.

Ovalradzähler gehören zu den unmittelbaren Mengenmessern. In einer Messkammer befinden sich zwei ovale Zahnräder. Werden sie befüllt, setzen sie sich mit Flüssigkeit in Bewegung. Jede Umdrehung des Ovalradpaares transportiert ein definiertes Flüssigkeitsvolumen, ein Messumformer rechnet daraus die Gesamtmenge des durchfließenden Materials aus. Ovalradzähler können auf relativ kleinem Raum einen hohen Durchfluss messen. Ihre Genauigkeit hängt jedoch stark von der Qualität der Messräder ab, schon bei geringstem Spiel verändert sich das Flüssigkeitsmaß der Messkammern. Ovalradzähler eignen sich somit zum Messen von Flüssigkeiten sowie als Signalgeber in Steuer- und Regelungssystemen.

Ultraschallmessgeräte erfassen die Durchflussgeschwindigkeit mithilfe von Schallwellen. Man unterscheidet zwischen dem Laufzeitverfahren und Doppler-Verfahren. Beim Laufzeitverfahren werden Schallwellen zwischen zwei Sensoren hin- und her gesendet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist entgegen der Durchflussrichtung langsamer mit dem Strom: dadurch entsteht die zur Durchflussgeschwindigkeit proportionale Laufzeitdifferenz. Dieses Verfahren eignet sich für möglichst homogene Flüssigkeiten ohne Partikel. Beim Doppler-Verfahren reflektieren schwimmende Partikel wie Luftblasen oder Schwebeteilchen die Schallwelle. Anhand der empfangenen Schallfrequenz berechnet sich dann die Fließgeschwindigkeit. Das Doppler-Verfahren eignet sich so besonders gut für verunreinigte Flüssigkeiten wie Abwässer oder Industrieschlämme. Herkömmliche Sensoren schaffen hier keine Messung und werden beschädigt.

Magnetisch-induktive Durchflussmesser bestimmen den Durchfluss über ein Magnetfeld, das sich im Rohrinnern aufbaut. Dabei macht man sich das Faraday‘sche Induktionsgesetz zunutze. Nach diesem entsteht eine Spannung, wenn sich ein elektrischer Leiter durch ein Magnetfeld bewegt. Die Spannungshöhe ist direkt abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Magnetisch-induktive Durchflusssensoren eignen sich deswegen für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten wie Abwässer. Man unterscheidet zwischen In-Line- und Eintauchgeräten.

Schwebekörper-Durchflussmesser für variable Bereiche sind eine einfache und dennoch recht genaue Möglichkeit, den Durchfluss von Flüssigkeiten und Gasen zu bestimmen. Sie bestehen aus einem kegelförmigen Rohr, das von unten nach oben durchströmt wird. Ein nach oben und unten frei beweglicher Schwebekörper zeigt den Durchfluss auf einer Skala an, der sich aus der Auftriebskraft ergibt. Oft erfassen Magnetfeldsensoren das Ergebnis und verarbeiten es elektronisch weiter.

Die korrekte Installation und Inbetriebnahme von Durchflussmessern sind entscheidend für präzise und zuverlässige Durchflussmessungen. Eine sorgfältige Vorgehensweise vermeidet Messfehler und verlängert die Lebensdauer der Geräte.

Bei der Platzierung und Einbaulage sollten Sie einen leicht zugänglichen Einbauort wählen, der regelmäßige Wartungsarbeiten ermöglicht. Achten Sie darauf, starke Vibrationen, hohe Temperaturen und magnetische Felder in der Umgebung des Messgeräts zu vermeiden. Viele Durchflussmesser erfordern eine bestimmte Einbaulage, daher sollten Sie die Herstellerangaben zur horizontalen oder vertikalen Installation beachten und sicherstellen, dass die Durchflussrichtung mit der Kennzeichnung auf dem Gerät übereinstimmt. Zudem sind gerade Einlauf- und Auslaufstrecken ohne Turbulenzen wichtig, wobei die Länge der geraden Strecken je nach Typ des Durchflussmessers in der Regel das 5- bis 10-fache des Rohrdurchmessers beträgt.

Vor der Inbetriebnahme sollten Sie das Gerät auf Transportschäden überprüfen und sicherstellen, dass alle Komponenten vollständig und unbeschädigt sind. Schließen Sie das Messgerät ordnungsgemäß an das Rohrleitungssystem an, um Leckagen zu vermeiden. Die Kalibrierung erfolgt gemäß den Herstelleranweisungen, entweder durch den Einsatz von Referenzmessgeräten oder Kalibrierständen, wobei spezifische Kalibrieranforderungen für unterschiedliche Medientypen zu berücksichtigen sind.

Für mechanische Durchflussmesser ist es wichtig, dass die mechanischen Teile frei von Ablagerungen und Verunreinigungen sind. Filter verhindern den Eintritt von Feststoffen, die den Messmechanismus blockieren könnten. Bei magnetisch-induktiven Durchflussmessern muss das Messrohr vollständig mit dem zu messenden Medium gefüllt sein und Bereiche mit starken elektromagnetischen Feldern sollten vermieden werden. Bei Ultraschall-Durchflussmessern ist eine exakte Ausrichtung der Sensoren notwendig, und der Messkopf sollte an einem geraden, turbulenzfreien Rohrabschnitt installiert werden. Coriolis-Durchflussmesser müssen fest und spannungsfrei montiert sein, um Vibrationen zu minimieren, und die Ein- und Auslassstutzen sollten korrekt ausgerichtet werden.

Während des Erststarts öffnen Sie die Ventile langsam, um Druckstöße und plötzliche Durchflussschwankungen zu vermeiden. Überprüfen Sie alle Verbindungen auf Dichtigkeit und stellen Sie sicher, dass das System ordnungsgemäß entlüftet ist. Führen Sie eine Funktionsprüfung durch, um sicherzustellen, dass der Durchflussmesser korrekt arbeitet, und vergleichen Sie die Messwerte mit Referenzwerten oder einem anderen kalibrierten Gerät. Dokumentieren Sie die Installations- und Kalibrierungsschritte sowie die ersten Messwerte zur späteren Referenz und halten Sie alle relevanten Informationen zur Gerätewartung und -kalibrierung fest.

Eine sorgfältige Installation und Inbetriebnahme stellt sicher, dass der Durchflussmesser präzise Messungen liefert und langfristig zuverlässig funktioniert. Durch die Beachtung der spezifischen Anforderungen und Empfehlungen des Herstellers können potenzielle Probleme minimiert und die Lebensdauer des Geräts maximiert werden.

Wie jeder weiß, wiegt ein Kilogramm Gold genauso viel wie ein Kilogramm Federn. Doch im Gegensatz zur Masse weicht das Volumen aufgrund der Dichte extrem ab.

Man sollte also genau wissen, welche der beiden physikalischen Größen man messen möchte. Das hängt von den zu messenden Medien und dem Zweck der Messung ab. Zum Beispiel bringt es bei komprimierbaren Stoffen nichts, den Volumendurchfluss zu messen, da dieser je nach Zustand unterschiedlich ausfällt. Auch Blasen in einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit beeinflussen das Volumen. In beiden Fällen ist es sinnvoller, den Massedurchfluss zu bestimmen.

Beim Verpacken von Produkten, die nach Gewicht verkauft werden, kommt es auf die Masse an. Die Flaschenbefüllung in der Getränkeindustrie hingegen misst den Volumenzufluss. Auch wenn man Tanks mit Flüssigkeiten befüllt, kommen Volumenmesser zum Einsatz, – denn ein Tank ist voll, wenn ein bestimmtes Volumen erreicht ist. Für den korrekten Ablauf chemischer Reaktionen ist wiederum die Molekülanzahl, also ihre Masse, ausschlaggebend. Welche Messmethode die richtige ist, ist also von Fall zu Fall unterschiedlich.

Es gibt eine Vielzahl von Durchflussmessern, die sich für unterschiedliche Aufgaben eignen. Die richtige Auswahl des Messgeräts vermeidet nicht nur kostspielige Produktionsausfälle, sondern trägt auch zu einer langen Lebensdauer von Rohren und Gefäßen sowie einem geringeren Wartungsaufwand bei. Folgenden Faktoren sollten Sie beim Kauf berücksichtigen:

Art des zu messenden Mediums

Definieren Sie genau, welche Merkmale der Stoff hat, dessen Durchflussmenge Sie messen wollen. Handelt es sich um eine Flüssigkeit, ein Gas, Suspensionen oder Dampf? Ist er verunreinigt, enthält er viele Blasen und Schwebstoffe? Welche physikalischen Eigenschaften (Viskosität, Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, Dichte) weist der Stoff auf. Sind diese unter verschiedenen Bedingungen konstant oder beeinflussen sie sich gegenseitig?

Betriebseigenschaften, Druck, Flussrate und Temperaturspannen

Verschiedene Durchflussmesser sind für jeweils andere Materialeigenschaften geeignet. Achten Sie darauf, dass sie die Kriterien für ihre Anwendung im Hinblick auf Dichte, Viskosität, Konsistenz des Durchflusses und Korrosivität erfüllen. Je nach Ausführung und Preis können Durchflusssensoren verschiedene Höchst- und Tiefstwerte für Druck, Temperatur und Durchflussbereich aufweisen.

Messbereich

Der Bereich, in dem der Durchflussmesser genau messen kann, sollte mindestens der geplanten Anwendung entsprechen. Besser ist es, den maximal großen Anwendungsbereich zu wählen, um die Fehlerquote kleinzuhalten.

Messgenauigkeit

Eine der wichtigsten Aspekte für die Funktion von Durchflusssensoren ist ihre Genauigkeit. Sie wird als +/- Spanne in Prozent angegeben. Am besten ist es, wenn der effektive Messwert als Basis dafür dient, denn dann bleibt die Fehlerrate auch bei Änderungen des Durchflusses konstant. Manchmal ist sie auch als Prozentabweichung von der kalibrierten Spanne oder des Endwerts angegeben. Die Messgenauigkeit sollte nicht nur bei normalem, sondern auch bei minimalem oder maximalem Durchfluss gewährleistet sein. Für diese drei Fälle muss sie vom Hersteller entsprechend angegeben werden.

Wiederholbarkeit

Manche Anwendungen erfordern weniger Präzision, sondern eine hohe Wiederholgenauigkeit. Sie gibt an, wie viele Male man dasselbe Ergebnis erhält, wenn man eine Messung unter denselben Bedingungen mehrmals durchführt.

Bewegliche Teile

Bewegliche Teile in Durchflussmessern können zu Fehlern sowie erhöhtem Verschleiß und Wartungsaufwand führen. Außerdem verliert die Messung durch deren Bewegung an Genauigkeit. Bevorzugen Sie deswegen Durchflussmesser ohne bewegliche Teile, wie zum Beispiel magnetisch-induktive Durchflusssensoren.

Dieses Glossar soll Ihnen helfen, die wichtigsten Begriffe und Konzepte der Durchflussmessung zu verstehen und anzuwenden. Ein fundiertes Verständnis dieser Fachbegriffe ist entscheidend für die Auswahl, Installation und Wartung von Durchflussmessern in verschiedenen industriellen Anwendungen.

Durchfluss

Der Durchfluss bezieht sich auf die Menge eines Mediums (Flüssigkeit oder Gas), die in einer bestimmten Zeitspanne durch einen bestimmten Punkt oder ein Rohr fließt. Er wird häufig in Volumenstrom (z.B. Liter pro Minute, L/min) oder Massenstrom (z.B. Kilogramm pro Stunde, kg/h) gemessen.

Volumenstrom

Der Volumenstrom ist das Volumen eines Mediums, das pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt fließt. Übliche Einheiten sind Kubikmeter pro Stunde (m³/h) oder Liter pro Minute (L/min).

Massenstrom

Der Massenstrom bezeichnet die Masse eines Mediums, die pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt fließt. Gängige Einheiten sind Kilogramm pro Stunde (kg/h) oder Tonnen pro Stunde (t/h).

Viskosität

Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Sie beschreibt, wie leicht oder schwer ein Fluid fließt. Hohe Viskosität bedeutet eine dickflüssige Substanz (z.B. Honig), während niedrige Viskosität eine dünnflüssige Substanz (z.B. Wasser) beschreibt.

Kalibrierung

Die Kalibrierung eines Durchflussmessers ist der Prozess, bei dem das Messgerät so eingestellt wird, dass es korrekte Messwerte liefert. Dies erfolgt durch den Vergleich mit Referenzwerten oder einem Kalibrierstandard.

Turbulenz

Turbulenz bezeichnet das chaotische Verhalten eines strömenden Mediums. Turbulente Strömung kann die Genauigkeit der Durchflussmessung beeinflussen. Daher sind gerade Einlauf- und Auslaufstrecken oft notwendig, um Turbulenzen zu minimieren.

Differenzdruck

Differenzdruck ist der Druckunterschied, der durch ein Hindernis im Rohr (z.B. eine Blende) verursacht wird. Er wird verwendet, um den Durchfluss zu berechnen, da er proportional zur Durchflussrate ist.

Reynoldszahl

Die Reynoldszahl ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften in einer Strömung beschreibt. Sie hilft zu bestimmen, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist.

Laminarer Fluss

Laminarer Fluss beschreibt eine gleichmäßige, schichtweise Strömung, bei der sich die einzelnen Schichten nicht miteinander vermischen. Dieser Strömungstyp tritt bei niedrigen Reynoldszahlen auf.

Coriolis-Effekt

Der Coriolis-Effekt ist die scheinbare Kraft, die auf ein bewegtes Objekt in einem rotierenden System wirkt. In Coriolis-Durchflussmessern wird dieser Effekt genutzt, um die Masse des durchströmenden Mediums zu messen.

Einlaufstrecke

Die Einlaufstrecke ist der gerade Abschnitt des Rohres vor dem Durchflussmesser, der notwendig ist, um eine gleichmäßige Strömung zu gewährleisten. Eine ausreichende Einlaufstrecke minimiert Turbulenzen und sorgt für genaue Messungen.

Auslaufstrecke

Die Auslaufstrecke ist der gerade Abschnitt des Rohres nach dem Durchflussmesser, der erforderlich ist, um die Strömung zu stabilisieren und Rückwirkungen auf den Messbereich zu vermeiden.

Temperaturkompensation

Die Temperaturkompensation bezieht sich auf die Anpassung der Messwerte, um den Einfluss von Temperaturschwankungen zu berücksichtigen. Da die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen temperaturabhängig sind, ist diese Kompensation wichtig für genaue Messungen.

Totalisator

Ein Totalisator ist eine Funktion oder ein Gerät, das den kumulierten Durchfluss über einen bestimmten Zeitraum aufzeichnet. Dies ist besonders nützlich für die Überwachung des Gesamtverbrauchs von Flüssigkeiten oder Gasen.