Was ist Durchflussmessung?
Die Durchflussmessung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Menge eines Fluids pro Zeiteinheit, das durch eine Rohrleitung oder ein anderes System strömt. Bei der Durchflussmessung kann entweder der Volumendurchfluss (z.B. l/h, cbm/h) oder der Massendurchfluss (z.B. kg/s, lb/h) ermittelt werden.
Die Messung des Volumendurchflusses kommt zum Einsatz, wenn die Dichte des Mediums annähernd konstant ist (wie z.B. bei Wasser). Wenn die Dichte des Mediums von Druck oder Temperatur beeinflusst wird (wie z.B. bei Gasen) sollte der Massendurchfluss gemessen werden.
Wie funktioniert ein Durchflussmesser?
Ein Durchflussmesser ist ein Messgerät, das den Durchfluss eines Mediums in einer Rohrleitung misst. Er setzt sich aus einem Transmitter und einem Sensor zusammen.
Sensor
Der Sensor misst auf Grundlage physikalischer Prinzipien Basismesswerte, die einer Durchflussmenge entsprechen.
Transmitter
Der Transmitter wandelt Basismessgrößen wie zum Beispiel Spannung in Durchflussmesswerte um. Die Messwerte werden in Standardsignale umgewandelt und analog (als Stromwerte im Bereich von 4 bis 20 Milliampere), digital (als Impulse) oder digitale Kommunikation (z.B. PROFINET, EtherCat, IO-Link) ausgegeben. Eine Zählerfunktion summiert die Durchflusswerte auf. Der Transmitter zeigt Messdaten an und kommuniziert diese über Schnittstellen. Der Transmitter wandelt ein Rohsignal in eine verwertbare Durchflussmenge um, die dann angezeigt und über Schnittstellen kommuniziert wird.
Wozu wird der Durchfluss gemessen?
Der Durchfluss von Flüssigkeiten, Gasen oder Dampf wird an verschiedenen Stellen in einem Prozess gemessen, beispielsweise an Ein- und Ausläufen oder vor und nach verschiedenen Prozessschritten.
Mögliche Aufgaben sind:
- Überwachen (Statusinformationen z.B. beim Umfüllen von Flüssigkeiten von einem Tank in einen anderen)
- Regeln (z.B. in Heiz- und Kühlanwendungen in der Stahlproduktion)
- Füllen / Dosieren (z.B. Abfüllen von Softdrinks)
- Mischen (z.B. Flockungsmittelzufuhr in Wasseraufbereitungsleitungen)
In welchen Industrien werden Durchflussmesser eingesetzt?
Durchflussmesser werden besonders häufig in folgenden Industrien eingesetzt:
- Wasser und Abwasser (z.B. kommunale Trinkwasseraufbereitung)
- Öl und Gas (z.B. Überwachung von Raffinerieprozessen, Tankstellen)
- Heizen und Kühlen (z.B. Kühlungsüberwachung beim Metalldruckguss)
- Lebensmittel und Getränke (z.B. Mischung von Softdrinks)
- Pharma und Medizintechnik (z.B. WFI-Kreislauf)
- Kosmetik (z.B. Abfüllung von Parfüms)
Wichtige Messprinzipien zur Durchflussmessung
Flügelrad
Funktionsweise
Eine Durchflussmessung mittels Flügelrad funktioniert durch die Umwandlung der Fließbewegung des Fluids in einer Rohrleitung in eine mechanische Drehbewegung des Flügelrads. Ein senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnetes Flügelrad wird durch die Flüssigkeitsströmung in Rotation versetzt. Ein Sensorelement erkennt die Drehbewegung und erzeugt daraus ein Frequenzsignal. Dabei verhält sich die Impulsfrequenz proportional zur Durchflussgeschwindigkeit: v ~ f
Bei den verwendeten Sensorelementen kann es sich um optische oder magnetische Sensoren (Spulen oder Hall Sensoren) handeln.
Ein Transmitter berechnet aus dem Impulssignal und einem spezifischen Umrechnungsfaktor (K-Faktor) die Durchflussmenge. Der K-Faktor ist maßgeblich von der Rohrnennweite abhängig und wird vom Hersteller angegeben. Die berechnete Durchflussmenge wird dann z.B. in Litern pro Minute angezeigt und über einen Ausgang analog oder digital ausgegeben.
Bauformen
- Inline: Das Flügelrad ist Bestandteil des Fittings (dem Verbindungsstück, das in die Rohrleitung eingebaut wird).
- Insertion: Das Flügelrad ist ein einem "Finger" angebracht, der Bestandteil des Transmitters ist. Dieser kann bei Bedarf über Stutzen- oder Sattelanschluss in eine vorhandene Rohrleitung eingesetzt werden.
Typische Einsatzbereiche
Flügelrad Durchflussmesser eignen sich für neutrale, schwach aggressive und feststoffarme Flüssigkeiten und werden beispielsweise zur Kühlung von Maschinen, in der Wasseraufbereitung oder bei der Bewässerung eingesetzt.
Vorteile von Flügelrad Durchflussmessern
+ Vergleichsweise klein und leicht
+ Geringer Energieverbrauch
+ Unabhängig von der Leitfähigkeit des Mediums
Nachteile von Flügelrad Durchflussmessern
- geringe Genauigkeit
- Einbauten im Rohr
- Nicht geeignet für geringe Durchflüsse (Low Flow)
- Ein- / Auslaufstrecken erforderlich
- enthält bewegliche Teile
Ovalrad
Funktionsweise
Ein Ovalrad-Durchflussmesser arbeitet nach dem Verdrängungsprinzip. Zwei miteinander verzahnte Ovalräder werden in einer Messkammer vom durchströmenden Medium in Drehung versetzt. Das Medium füllt dabei den Zwischenraum zwischen den Ovalrädern und der Kammerwand. Bei jeder Drehung fließt ein gleichbleibendes, bekanntes Volumen vom Einlauf zum Auslauf der Kammer.
Ein Sensor erfasst die Bewegung der Ovalräder über integrierte Dauermagnete und erzeugt zwei Rechteckausgangsimpulse. Der Transmitter wandelt diese in eine Durchflussmenge um, die je nach Wahl des Benutzers und Konfiguration am Display angezeigt und als Milliampere-Werte über den Analogausgang oder mittels Impulse über den Digitalausgang gesendet werden.
Typische Einsatzbereiche
Ovalrad Durchflussmesser eignen sich auch für hochviskose Flüssigkeiten und werden beispielsweise verwendet, um den Durchfluss von Klebstoffen, Ölen oder Honig zu messen.
Vorteile von Ovalrad Durchflussmessern
+ Hohe Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit
+ Geeignet für Medien mit hoher Viskosität
+ Keine Ein- und Auslaufstrecken erforderlich
Nachteile Vorteile von Ovalrad Durchflussmessern
- Luftblasen müssen vermieden werden
- Einbauten im Rohr
- Nicht geeignet für geringe Durchflüsse (Low Flow)
- Nicht geeignet für Medien mit geringer Viskosität
Vortex (Wirbel)
Funktionsprinzip
Die Vortex-Durchflussmessung, auch Wirbeldurchflussmessung genannt, funktioniert nach dem Prinzip der Kármán-Wirbelstraße. Strömt eine Flüssigkeit oder aber auch Luft an einem Hindernis vorbei, bilden sich auf beiden Seiten hinter solchen Elementen Wirbel (Vortexes). In der Natur tritt dieses Phänomen zum Beispiel hinter einem Brückenpfeiler auf.
Bei einer Vortex Durchflussmessung wird ein Störkörper in den Strömungsweg eingebaut, dessen Größe und Form so gewählt ist, dass er die Wirbelbildung fördert. Die Wirbel, die sich hinter diesem Körper auf beiden Seiten bilden, werden von einem Sensor z.B. einem Piezo-Element erfasst, das auf Druckveränderungen reagiert. Bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich die Frequenz der Wirbel. Der Transmitter des Wirbeldurchflussmessers rechnet die Anzahl der erfassten Impulse vom Piezo-Element in eine Durchflussmenge um, wobei auch hier ein K-Faktor verwendet wird, der hauptsächlich durch den Rohrquerschnitt und die Art des Mediums (Flüssigkeit, Gas oder Dampf) bestimmt wird.
Typische Einsatzbereiche
Vortex Durchflussmesser werden häufig zu Messung von Dampfströmen z.B. in Kraftwerken eingesetzt.
Vorteile von Vortex Durchflussmessern
+ Robust und zuverlässig
+ wartungsarm, da keine beweglichen Teile enthalten sind
+ Unempfindlich gegenüber Magnetfeldern
Nachteile von Vortex Durchflussmessern
- Nicht geeignet für niedrige Durchflussraten
- Begrenzt auf einen bestimmten Reynoldszahlbereich
Ultraschall
Funktionsprinzip
Der Laufzeit-Durchflussmesser misst die Zeitdifferenz, die Ultraschallwellen benötigen, um in und gegen die Strömungsrichtung des Fluids zu wandern. Hierzu sind an der Rohrwand zwei Piezo-Elemente angebracht, von denen jeder als Empfänger oder Sender fungiert. Beide Piezo-Elemente senden ein Ultraschallsignal an das jeweils andere Piezo-Element aus. Die Signale werden von zwei Spiegeln reflektiert, von denen sich einer im Einlassbereich und der andere im Auslassbereich des Rohrs befindet. Die Zeit, die das Ultraschallsignal für den Weg mit dem Durchfluss benötigt, ist kürzer als die Zeit, die das Signal für den Weg entgegen der Durchflussrichtung braucht. Die Laufzeitdifferenz ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto größer die Zeitdifferenz. Zusammen mit dem bekannten Rohrquerschnitt kann daraus die Durchflussmenge berechnet werden.
Neben dem Laufzeit-Verfahren gibt es noch das Doppler-Verfahren, das die Frequenzänderung der reflektierten Wellen analysiert. Es wird seltener eingesetzt und bietet sich bei Fluiden mit Partikeln oder Luftblasen an.
Typische Einsatzbereiche
Ultraschall-Durchflussmesser werden häufig bei der Bewässerung, zur Messung von Brauchwasserdurchfluss sowie zum Heizen und Kühlen in der Metallindustrie eingesetzt.
Vorteile von Ultraschall Durchflussmessern
+ Keine beweglichen Teile
+ Geeignet für leitfähige und nicht leitfähige Flüssigkeiten
Nachteile von Ultraschall Durchflussmessern
- Genauigkeit abhängig von den Flüssigkeitseigenschaften
Magnetisch induktive Durchflussmesser
Funktionsprinzip
Magnetisch induktive Durchflussmesser (MID), auch als elektromagnetische Durchflussmesser oder Magmeter bezeichnet, messen die Durchflussrate von leitfähigen Flüssigkeiten durch das Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Das Messprinzip beruht auf dem Faraday’schen Gesetz. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit durch Messen der induzierten Spannung einer leitfähigen Flüssigkeit ermittelt, die ein kontrolliertes Magnetfeld durchströmt. Je mehr Flüssigkeit durchfließt bzw. je höher die Durchflussgeschwindigkeit ist, desto höher ist die induzierte Spannung.
Magnetisch induktive Durchflussmesser gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in Bezug auf Elektrodenabstand und die Stärke des Magnetfelds.
Bauformen
Insertion MID
Ein Insertion MID basiert auf einem sogenannten Finger mit integrierter Spule und zwei Elektroden am Ende des Fingers, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen. Die elektrische Spule erzeugt ein Magnetfeld im Strömungsweg. Eine leitfähige Flüssigkeit, die das Magnetfeld durchströmt, induziert ein elektrisches Feld, das zwischen zwei Elektroden als Spannung gemessen werden kann. Je grösser die Durchflussmenge, desto höher die gemessene Spannung. Anhand eines K-Faktors, der den Rohrquerschnitt repräsentiert, rechnet der Transmitter das Spannungssignal in eine Durchflussmenge um, die dann angezeigt oder über einen Analogausgang in Milliampere oder einen Digitalausgang als Impulse gesendet werden kann.
Full Bore MID
Ein Full Bore MID beruht auf dem gleichen Messprinzip, aber in anderer Anordnung. Zwei elektrische Spulen sind außen um das Rohr angeordnet und erzeugen ein Magnetfeld im gesamten Querschnitt des Sensorrohrs. Zwei mit der Flüssigkeit in Kontakt befindliche Elektroden sind einander gegenüber in der Rohrwand angebracht und oft mit einer Dichtung in der Auskleidung befestigt. Die beiden Spulen erzeugen ein konstantes und homogenes alternierendes Magnetfeld im Strömungsquerschnitt. Wie beim Insertion MID rechnet der Transmitter anhand eines K-Faktors, der den Rohrquerschnitt repräsentiert, das Spannungssignal in eine Durchflussmenge um, die dann angezeigt oder über einen Analogausgang Milliampere oder Digitalausgang Impulse gesendet werden kann.
Im Vergleich zum Insertion MID sind bei der Full Bore Varianten die Genauigkeit und Performance besser und es sind kleinere Einlaufstrecken möglich.
Typische Einsatzbereiche
Magnetisch induktive Durchflussmesser werden für Flüssigkeiten mit einer gewissen elektrischen Mindestleitfähigkeit eingesetzt, beispielsweise zur Abwassereinspeisung in kommunalen Wasserwerken. Auch in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung findet man sie häufig, z.B. zur Dosierung von Sirup.
Vorteile von MIDs
+ Keine beweglichen Teile im Messrohr
+ Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis
+ Stabilität der Messungen
+ Geringe Empfindlichkeit gegenüber den Einlassbedingungen bei Full Bore MID
Nachteile von MIDs
- Gewisse Mindestleitfähigkeit des Mediums erforderlich
- Änderungen an der Leitfähigkeit der Medien können zu Messfehlern führen
- Verschiedene medienberührende Komponenten
- Druckabfall
Coriolis
Funktionsprinzip
Die Coriolis-Durchflussmessung basiert auf dem Corioliseffekt. Dieser bewirkt, dass ein Objekt, das sich in einer geraden Linie bewegt, aus der Sicht eines rotierenden Systems eine scheinbare Abweichung erfährt.
In einem Coriolis-Durchflussmesser sind ein oder mehrere Rohre eingebaut, die durch eine externe Energiequelle in Schwingung versetzt werden. Diese Schwingungen sind kontrolliert und permanent. Sensoren, die entlang der Rohre angebracht sind, messen die Schwingungsbewegungen der Rohre. Ohne Durchfluss ist die Schwingung zwischen ein und Auslauf symmetrisch. Das am Einlauf erfasste Signal ist mit dem Signal am Auslauf Phasengleich. Der Durchfluss ändert Schwingbewegung der Rohre und es ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen dem Signal am Einlauf und dem Signal am Auslauf. Je mehr Masse durchfließt, desto größer ist die Phasenverschiebung, die proportional zum Massendurchfluss des durch die Rohre strömenden Mediums ist. Dieses Messprinzip kann für Flüssigkeiten, Gase und Dampf eingesetzt werden.
Typische Einsatzbereiche
Coriolis Durchflussmesser werden aufgrund ihrer hohen Genauigkeit in verschiedenen Industrien eingesetzt. Beispielsweise zur Messung von Ölen in der Lebensmittelproduktion, zur Messung von Chemikalien, bei der Abrechnung von Petrochemikalien (eichpflichtiger Verkehr) und zum Dosieren und Mischen in der Pharmazeutischen Industrie.
Vorteile von Coriolis Durchflussmessern
+ Hohe Genauigkeit
+ Hohe Stabilität
+ Messung von leitenden und nichtleitenden Flüssigkeiten
Nachteile von Coriolis Durchflussmessern
- Groß und schwer
- Installation und Einrichtung kompliziert
- Druckverlust durch enges Rohr – Pumpen erforderlich
- Empfindlich gegen Erschütterungen
- Nullpunkt-Kalibrierung erforderlich
Surface Acoustic Waves (SAW)
Funktionsprinzip
Die Abkürzung „SAW“ steht für „Surface Acoustic Waves” (englisch für “akustische Oberflächenwellen“). Es handelt sich also um Wellen, die sich entlang von Oberflächen ausbreiten. Die Art der Ausbreitung ist vergleichbar mit der Wellenausbreitung bei seismischen Aktivitäten wie zum Beispiel einem Erdbeben.
Bürkert hat ein Patent auf die Nutzung der SAW-Technologie zur Durchflussmessung. Diese Technologie bildet die Grundlage des FLOWave-Durchflussmessers.
Beim Durchflussmesser FLOWave werden die akustischen Oberflächenwellen von sogenannten Interdigitalwandlern (auch englisch „interdigital transducer“, kurz: IDT) erzeugt. Ausgehend von diesem Initialzentrum der Anregung breitet sich eine Wellenfront entlang der Rohroberfläche sowie durch das Medium aus. Die Wellenfront wird hierbei auch vom Messrohr „reflektiert“, und wandert so mehrfach durch das im Rohr befindliche Medium.
Eine ausführliche Erklärung der Funktionsweise finden Sie auf unserer Glossarseite zum SAW-Verfahren.
Typische Einsatzbereiche
Die SAW-Technologie findet insbesondere im hygienesensiblen Umfeld im Bereich Pharma & Biotech sowie Food & Beverage Anwendung. Sie eignet sich für WFI-Loops in der Pharmaindustrie, Überwachung des Reinigungswassers in der F&B-Behälterproduktion.
Vorteile von SAW-Durchflussmessern
+ Berührungslose und hygienische Messung
+ Keine beweglichen Teile – 100% verschleißfrei
+ Keinerlei Verengungen, kein Druckabfall / Druckverlust
+ Kompakt und leicht
+ Messung weiterer Parameter
Nachteile von SAW-Durchflussmessern
- Empfindlich gegenüber Gasblasen
Die beste Messtechnik für eine Anwendung finden
Die Wahl der richtigen Durchflussmessmethode kann entscheidend für die Präzision und Effizienz Ihrer Prozesse sein. Aber welches Verfahren passt am besten zu Ihren spezifischen Anforderungen?
Wir begleiten Sie auf dem Weg zum passenden Durchflussmesser und zeigen Ihnen Schritt für Schritt, was Sie bei der Auswahl berücksichtigen sollten.
Hier können Sie unseren Leitfaden und die Checkliste zur Durchflussmessung von Flüssigkeiten anfordern. Unser Leitfaden führt Sie in 4 Schritten durch den Auswahlprozess und hilft Ihnen, die individuell passende Messtechnik auszuwählen.