Durchflusssensor

Anzeigearten

Die Anzeigen sind meist Zweck orientiert. Das bedeutet, dass von SI-Einheiten abgewichen wird, um eine einfache Aussage zu erhalten. Elektrische Ausgangssignale sind in vielen Sensoren zusätzlich enthalten oder sowieso die einzige Ausgabe, um eine Weiterverarbeitung in Steuerungssystemen zu ermöglichen.

1. Volumendurchfluss: Dazu wird entweder ein definiertes Volumen durch das zu messende Medium gefüllt und dann eine mechanische Bewegung ausgelöst oder die Fließgeschwindigkeit des Mediums gemessen und dann der Durchfluss über mathematische Verfahren bestimmt. Beispiel: Volumendurchfluss = Rohrquerschnittsfläche mal Geschwindigkeit.
2. Massendurchfluss ist beispielsweise bei der Messung von Brennstoffmengen wichtig. Als Beispiel sei ein Luftmassenmesser genannt, wie er sich in Automobilen befindet. Hier wird der Messwert vorwiegend in Kilogramm pro Stunde (kg/h) Luft angegeben. Im Luftmassensensor werden zusätzlich Temperatur und Feuchtigkeit gemessen und damit der Luftanteil, der in den Motor strömt, bestimmt. Damit regelt die Motorsteuerung die entsprechende Kraftstoffmenge. Die Messung des Volumenflusses wäre für diese Anwendung nicht ausreichend, da die Dichte der Luft stark druckabhängig und temperaturabhängig ist. Würde nur der Luftvolumendurchfluss gemessen, könnte die Motorsteuerung das exakte Mischungsverhältnis, das für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes notwendig ist, nicht sicherstellen.
3. Zeitmessung: Die Wasseruhr (Zeitmessung) ist eine historische Anwendung der Durchflussmessung, der Durchflusssensor ist dabei eine feste Blende.
4. Elektrische Signale: In der Industrie eingesetzte Sensoren verwenden meist Einheitssignale: Entweder elektrische Stromstärke von 0 bis 20 mA bzw. 4 bis 20 mA auch als HART-Schnittstelle oder elektrische Spannung von 0 bis 10 V. Darüber hinaus werden digitale Kommunikationsschnittstellen eingesetzt, etwa PROFIBUS, FELDBUS, MODBUS oder industrielle ethernetbasierte Netzwerke, um Durchflusswerte direkt an übergeordnete Automatisierungs- und Prozessleitsysteme zu übertragen.

Unmittelbare Volumenzähler

• • Zähler mit konstantem Messkammervolumen (z. B. Trommelmesser)
  • Zähler mit variablem Messkammervolumen (z. B. Gaszähler)
  • Ovalradzähler, (Wälz-)Kolbenzähler

Mittelbare Volumenzähler

In vollgefüllten Rohrleitungen werden u. a. folgende Durchflusssensoren eingesetzt:

• z. B. Flügelradanemometer, Woltmannzähler
• Turbinenrad-Durchflussmesser
• Schwebekörper-Durchflussmesser
• Magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID)
  • Relative Fehlergrenze ca. 0,1 %
  • Messspanne bis 1:1000
  • Messprinzip: In einem Magnetfeld werden bewegte Ladungsträger (z. B. Ionen in Flüssigkeiten = elektrisch leitende Medien) voneinander getrennt.
• Balometer
  • Induktive Durchflussmesser (IDMs)
• Ultraschalldurchflusssensor (USD)
  • Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser

Der berührungsfreie Ultraschall-Durchflussmesser durch Ermittlung der Laufzeit ist ein nicht-invasiver Strömungsmesser, da keine Gegenstände die Strömung im Rohr stören oder verändern. Es gibt zwei Formate: Laufzeitultraschall und -doppler. Die relative Fehlergrenze beträgt ca. 0,1 bis 2 %. Die Messspanne, das ist das Verhältnis von kleinster zu größter messbarer Geschwindigkeit, liegt bei ca. 1:100, bei einigen Messgeräten kann die Spanne auch deutlich höher liegen, z. B. R1000. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Clamp-On- (d. h. die Sensoren werden auf die Rohrleitung von außen aufgeschnallt) und In-Line-Geräten.

• Coriolis-Massendurchflussmesser
  • Massendurchflussmessverfahren nach dem Coriolis-Prinzip
• Wirbeldurchflussmesser

Vortex-Durchflusssensor

Durch einen Störkörper in der Strömung werden Wirbel (lateinisch vortex) erzeugt. Die Frequenz der Wirbelablösungen wird durch die Strouhal-Zahl charakterisiert. Über die Frequenz kann auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.

• Korrelationsdurchflussmesser
  • Mittels zweier geeigneter Sensoren in einem bestimmten Abstand werden mit der Strömung mitgetragene Schwankungen gemessen (z. B. Dichte, Permeabilität). Aus der Laufzeit und dem Abstand der Sensoren lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Durchfluss bestimmen.
• Laminardurchflussmesser
  • nach dem Hagen/Poiseuilleschen Gesetz ist der Volumenstrom in einem Rohr proportional dem Druckabfall über eine Rohrlänge ${\displaystyle l}$. Sind Zähigkeit, Druckabfall und Temperatur gleich, lässt sich der Volumenstrom berechnen.
• Durchflussmesser mit Strömungsmesssonden
  • Durchflussbestimmung über Ermittelung des Strömungsprofils (siehe Strömungsmessung)
• Durchflussmessung mit Drosselgeräten (Details in der ISO 5167)
  • Messblende

Differenzdruckverfahren

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Durchflusssensoren die nach dem Differenzdruckverfahren arbeiten, z. B. Pitot-Rohr, Prandtlsonde oder Messblende. Alle arbeiten nach dem Energieerhaltungsgesetz (Strömung nach Bernoulli und Venturi) mit dem Ergebnis, dass der Volumen- bzw. Massendurchfluss ${\displaystyle Q}$ proportional der Quadratwurzel des Differenzdruckes zwischen zwei Messstellen ist. Um die Endformel für den Anwender handhabbar zu machen, fasst man häufig alle konstanten Werte der Messeinrichtung (Rohr- und Drosselquerschnitte) und des Messmediums (Dichte ${\displaystyle \rho }$) als Konstante ${\displaystyle c}$ zusammen:

${\displaystyle Q=c\cdot {\sqrt {\Delta p}}}$

Die oben dargestellte Gleichung gilt, wenn die Dichte des Fluids der Dichte bei der Kalibrierung entspricht. Da jedoch die Dichte bei Gasen stark von der Temperatur und vom Druck abhängig ist, kann durch nachfolgende Gleichung eine Kompensation dieses Einflusses in gewissen Grenzen erreicht werden.

${\displaystyle Q=c\cdot {\sqrt {\Delta p}}\cdot {\sqrt {\frac {\rho _{\text{Kalibrierung}}}{\rho _{\text{Messung}}}}}}$

Bei Luftdurchflussmessgeräten wird üblicherweise für die Dichte der Kalibrierung ${\displaystyle \rho _{\text{Kalibrierung}}=1{,}20\,\mathrm {kg/m} ^{3}}$ verwendet.

Neben den klassischen Staudrucksonden gibt es noch weitere herstellerspezifische Bauformen, die unter gewissen Randbedingungen verschiedene Vorteile haben können, wie z. B. geringere Anforderungen an die Zuströmbedingungen, geringere Druckverluste oder einfacherer Einbau. Jedoch bedürfen diese Geräte im Gegensatz zu den Primärelementen einer Kalibrierung für die jeweilige Einsatzbedingung.

Die kinetische Energie eines Fluids (z. B. strömendes Wasser in einer Rohrleitung) wird umgewandelt in potentielle Energie (Druck). Das bekannteste Primärelement, die Blende, ist nichts anderes als eine Lochscheibe zur Verengung der Rohrleitung, die das Fluid zu einer Geschwindigkeitserhöhung zwingt (Erhöhung der kinetischen Energie). Dadurch wird der Druck nach der Blende niedriger (Verringerung der potentiellen Energie). Die Messspanne liegt je nach Primärelement und Qualität der verwendeten Sensorik und Auswertung zwischen 1:3 und 1:20.

Durchflusssensoren zur Messung in teilgefüllten Kanälen, Gerinnen und Rohrleitungen

Für die Messung des Durchflusses in teilgefüllten Profilen ist die Messung der Geschwindigkeit und des Füllstandstandes erforderlich. Aus dem gemessenen Füllstand, der Form und der Abmessung des Kanals wird die Fläche ${\displaystyle A}$ berechnet. Die Multiplikation der mittleren Geschwindigkeit ${\displaystyle v_{m}}$ mit der Fläche ${\displaystyle A}$ ergibt den Durchfluss ${\displaystyle Q}$.

Für die Messung des Füllstandes kommen verschiedene Verfahren zur Anwendung mit Berührung, z. B. hydrostatische Druckmesssensoren bzw. berührungslos mittels Ultraschall- oder Radarfüllstandsensoren.

Für die Ermittlung der (Fließ-)Geschwindigkeit gibt es verschiedene Messverfahren:

• Ultraschall Laufzeitdifferrenzverfahren
• Ultraschall-Doppler
• Ultraschall Kreuzkorrelation