Differenzdruck-Durchflussmesser berechnen den Durchfluss einer Flüssigkeit anhand des Druckverlusts an einer Rohrverengung. Unter Verwendung der Bernoulli-Gleichung, die besagt, dass mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit deren Druck abnimmt, haben diese Arten von Durchflussmessern keine beweglichen Teile und messen die Differenz zwischen einer primären und einer sekundären Messung – eine auf jeder Seite der Verengung.
Die durch eine Vielzahl geometrischer Verengungen verursachten Druckabfälle sind im Laufe der Jahre gut charakterisiert worden, und wie in Tabelle 1 verglichen, gibt es diese primären oder „Kopf”-Durchflusselemente in einer Vielzahl von Konfigurationen, von denen jede spezifische Stärken und Schwächen bei den Anwendungen aufweist. Variationen zum Thema Differenzdruck (d/p)-Durchflussmessung umfassen:
- Blende
- Venturi / Durchflussdüse
- Rotameter / Variable Fläche
- Pitotrohre
- Wenn zusätzlich zur Durchflussmessung auch die Prozesstemperatur oder der Prozessdruck gemessen werden soll, sollte der Transmitter nicht in der Prozessleitung installiert, sondern über ein T-Stück an die entsprechende Zuleitung des Durchflusselements angeschlossen werden.
- Die für die Temperaturmessung verwendete Schutzhülse sollte mindestens 10 Durchmesser hinter dem Durchflusselement installiert werden, um Verzerrungen des Geschwindigkeitsprofils zu vermeiden.
- Schweißnähte sollten glatt geschliffen und Dichtungen so zugeschnitten werden, dass bei einer physischen Inspektion keine Vorsprünge festgestellt werden können.
Tabelle 1: Ausrichtungstabelle für Durchfluss-Sensoren Optionen für Primärelemente
Im 18. Jahrhundert stellte Daniel Bernoulli, ein Schweizer Mathematiker und Physiker, die „Bernoulli-Gleichung“ auf, die den Zusammenhang zwischen statischer und kinetischer Energie in einem strömenden Fluid erklärt. Wenn eine Flüssigkeit durch eine Verengung fließt, beschleunigt sie sich, und die Energie für diese Beschleunigung wird aus dem statischen Druck der Flüssigkeit gewonnen. Folglich sinkt der Leitungsdruck an der Stelle der Verengung (Abbildung 1). Ein Teil des Druckabfalls wird wieder ausgeglichen, wenn der Fluss in das nicht verengte Rohr zurückkehrt.
Abbildung 1: Druckabfallausgleich bei einer Blende Der vom Strömungselement erzeugte Druckunterschied (h) wird gemessen, und die Geschwindigkeit (V), der Volumenstrom (Q) und der Massenstrom (W) können alle mit den folgenden allgemeinen Formeln berechnet werden:
V = k (h/D) 0,5
Oder Q = kA (h/D) 0,5
Oder W = kA (hD) 0,5
k ist der Abflusskoeffizient des Elements (der auch die Maßeinheiten widerspiegelt), A ist die Querschnittsfläche der Rohröffnung und D ist die Dichte der strömenden Flüssigkeit. Der Abflusskoeffizient k wird durch die Reynolds-Zahl (siehe Abbildung 2) und durch das „Beta-Verhältnis”, das Verhältnis zwischen dem Bohrungsdurchmesser der Strömungsdrossel und dem Innendurchmesser des Rohrs, beeinflusst.
Abbildung 2: Einfluss der Reynolds-Zahlen auf verschiedene Durchflussmesser Je nach Art des verwendeten Durchflusselements können zusätzliche Parameter oder Korrekturfaktoren bei der Ableitung von k verwendet werden. Diese Parameter können aus Gleichungen berechnet oder aus Grafiken und Tabellen des American National Standards Institute (ANSI), des American Petroleum Institute (API), der American Society of Mechanical Engineers (ASME) und der American Gas Association (AGA) abgelesen werden.
Die Durchflusskoeffizienten der Primärelemente werden durch Labortests ermittelt, die die Geometrie der Installation reproduzieren. Die veröffentlichten Werte stellen in der Regel den Durchschnittswert für diese Geometrie über mindestens 30 Kalibrierungsläufe dar. Die Unsicherheiten dieser veröffentlichten Werte variieren zwischen 0,5 % und 3 %. Durch die Verwendung solcher veröffentlichter Durchflusskoeffizienten ist es möglich, ohne Kalibrierung vor Ort relativ genaue Durchflussmessungen zu erhalten. Eine Kalibrierung vor Ort ist erforderlich, wenn keine Prüflabore zur Verfügung stehen oder wenn eine höhere Genauigkeit als der oben angegebene Messbereich gewünscht wird. Das Verhältnis zwischen Durchfluss und Druckabfall variiert mit dem Geschwindigkeitsprofil, das laminar oder turbulent sein kann (Abbildung 1), als Funktion der Reynolds-Zahl (Re), die für Flüssigkeitsströmungen anhand der folgenden Beziehung berechnet werden kann:
Re = 3160(SG)(Q)/(ID)µ
Dabei ist ID der Innendurchmesser des Rohrs in Zoll, Q der volumetrische Flüssigkeitsdurchfluss in Gallonen/Minute, SG die spezifische Dichte der Flüssigkeit bei 60 °F und µ die Viskosität in Centipoise.
Bei niedrigen Reynolds-Zahlen (im Allgemeinen unter Re = 2.000) ist die Strömung laminar und das Geschwindigkeitsprofil parabolisch. Bei hohen Reynolds-Zahlen (weit über Re = 3.000) wird die Strömung vollständig turbulent, und die daraus resultierende Mischwirkung erzeugt eine gleichmäßige Axialgeschwindigkeit im gesamten Rohr. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann der Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung einen weiten Messbereich von Reynolds-Zahlen abdecken; die Beziehung zum Abflusskoeffizienten ist eine Funktion des jeweiligen Primärelements.
Heute bieten viele Ingenieursgesellschaften und -organisationen sowie die meisten Hersteller von Primärelementen Softwarepakete zur Dimensionierung von d/p-Strömungselementen an. Diese Programme enthalten die erforderlichen Daten aus Grafiken, Diagrammen und Tabellen sowie empirische Gleichungen für Strömungskoeffizienten und Korrekturfaktoren. Einige enthalten Daten zu den physikalischen Eigenschaften vieler gängiger Flüssigkeiten. Der Benutzer kann einfach die Daten zu den Anwendungen eingeben und automatisch die empfohlene Größe ermitteln, wobei diese Ergebnisse jedoch durch manuelle Berechnungen auf ihre Plausibilität überprüft werden sollten.
Genauigkeit und Regelbarkeit
Die Leistung einer Installation vom Typ Head hängt von der Präzision des Durchflusselements und der Genauigkeit der d/p-Zelle ab. Die Präzision des Durchflusselements wird in der Regel in Prozent des tatsächlichen Messwerts (AR) angegeben, während die Präzision der d/p-Zelle in Prozent der kalibrierten Spanne (CS) angegeben wird. Eine d/p-Zelle bietet in der Regel eine Genauigkeit von ±0,2 % der kalibrierten Spanne (CS). Das bedeutet, dass am unteren Ende eines Messbereichs von 10:1 (bei 10 % Durchfluss), der einem Differenzdruckbereich von 100:1 entspricht, der Durchflussmesser einen Fehler von ±20 % AR aufweisen würde. Aus diesem Grund waren Differenzdruck-Durchflussmesser in der Vergangenheit auf den Einsatz in einem Messbereich von 3:1 oder 4:1 beschränkt.
Die Messspanne des Durchflussmessers kann ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit weiter erhöht werden, durch den parallelen Betrieb mehrerer d/p-Durchflussmesser. Es werden nur so viele Durchläufe gleichzeitig geöffnet, wie erforderlich sind, um den Durchfluss in den aktiven Durchläufen bei etwa 75-90 % des Messbereichs zu halten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwei oder mehr Transmitter parallel auf demselben Element zu stapeln, einen für 1–10 % und einen für 10–100 % des erzeugten d/p-Vollbereichs (FS). Beide Techniken sind umständlich und teuer. Intelligente Transmitter bieten eine bessere Option.
Die Genauigkeit intelligenter Transmitter wird in der Regel mit ±0,1 % CS angegeben, wobei nur Fehler aufgrund von Hysterese, Messbereichsfähigkeit und Linearität berücksichtigt werden. Mögliche Fehler aufgrund von Drift, Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration, Überbereich, Hochfrequenzstörungen und Schwankungen in der Stromversorgung werden nicht berücksichtigt. Bezieht man diese mit ein, beträgt die Ungenauigkeit etwa 0,2 % CS. Da intelligente d/p-Transmitter – basierend auf ihren eigenen Messungen – automatisch zwischen zwei kalibrierten Spannen (eine für 1–10 %, die andere für 10–100 % des FS d/p) umschalten können, sollte es möglich sein, Blendeninstallationen mit einer Ungenauigkeit von 1 % AR über einen Durchflussbereich von 10:1 zu erhalten.
In den meisten Durchflussmess-Anwendungen wird die Dichte nicht direkt gemessen. Vielmehr wird davon ausgegangen, dass sie einen bestimmten Normalwert hat. Weicht die Dichte von diesem angenommenen Wert ab, kommt es zu Fehlern. Dichtefehler können korrigiert werden, wenn sie direkt oder indirekt durch Messung des Drucks in Gasen oder der Temperatur in Flüssigkeiten gemessen werden. Es sind auch Durchflussberechnungspakete erhältlich, die die Eingaben des d/p-Transmitters und der anderen Sensoren akzeptieren und gleichzeitig den Massen- und Volumenstrom berechnen können.
Um Fehler (und die Notwendigkeit einer Dichtigkeitskorrektur) bei kompressiblen Flüssigkeiten zu minimieren, sollte das Verhältnis von Differenzdruck (h) geteilt durch den Vordruck (P) 0,25 nicht überschreiten (gemessen in denselben technischen Einheiten).
Messfehler aufgrund einer falschen Installation des Primärelements können erheblich sein (bis zu 10 %). Ursachen für solche Fehler können der Zustand der Anschlussrohrabschnitte, unzureichende gerade Rohrstrecken sowie Fehler bei der Konstruktion von Druckentnahmestellen und Zuleitungen sein.
Unter turbulenten Strömungsbedingungen können bis zu 10 % des d/p-Signals durch Störungen von Ventilen und Armaturen sowohl vor als auch hinter dem Element sowie durch das Element selbst verursacht werden. In den meisten Anwendungen reicht die Dämpfung in d/p-Zellen aus, um das Rauschen herauszufiltern. Starkes Rauschen kann durch die Verwendung von zwei oder mehr parallel geschalteten Druckabgriffen auf beiden Seiten der d/p-Zelle reduziert werden.
Pulsierende Strömungen können durch Kolbenpumpen oder Kompressoren verursacht werden. Diese Pulsation kann reduziert werden, indem der Durchflussmesser von der Pulsquelle entfernt oder hinter Filtern oder anderen dämpfenden Instrumenten installiert wird. Pulsationsdämpfungshardware kann auch an den Druckabgriffen installiert werden, oder es kann Dämpfungssoftware auf das Ausgangssignal der d/p-Zelle angewendet werden. Ein solcher Filter ist der inverse Derivationsalgorithmus, der alle Änderungsraten blockiert, die schneller als die Änderungsrate des Prozessdurchflusses auftreten.
Rohrleitungen, Installation und Wartung
Installationsrichtlinien werden von verschiedenen Fachorganisationen (ISA, ANSI, API, ASME, AGA) und von Herstellern proprietärer Designs veröffentlicht. Diese Richtlinien enthalten unter anderem folgende Empfehlungen:
Damit sich das Geschwindigkeitsprofil vollständig entwickeln kann (und der Druckabfall vorhersagbar ist), sind sowohl vor als auch hinter dem d/p-Element gerade Rohrstrecken erforderlich. Die erforderliche Länge der geraden Rohrstrecke hängt sowohl vom Beta-Verhältnis der Installation als auch von der Beschaffenheit der vorgeschalteten Komponenten in der Rohrleitung ab. Wenn beispielsweise ein einzelner 90°-Bogen vor einer Blende angeordnet ist, liegt der Messbereich für die erforderliche gerade Rohrlänge zwischen 6 und 20 Rohrdurchmessern, da das Durchmesserverhältnis von 0,2 auf 0,8 erhöht wird.
Um die erforderliche gerade Rohrlänge zu reduzieren, können Strömungsgleichrichter (Abbildung 3) wie Rohrbündel, Lochplatten oder interne Laschen vor dem Primärelement installiert werden.
Abbildung 3: Strömungsgleichrichter, die vor dem Primärelement installiert sind Die Größe und Ausrichtung der Druckmessstellen hängen sowohl von der Rohrgröße als auch von der Art der Prozessflüssigkeit ab. Der empfohlene maximale Durchmesser der Druckmessbohrungen durch das Rohr oder den Flansch beträgt 1/4 Zoll für Rohre mit einem Durchmesser unter 2 Zoll, 3/8 Zoll für Rohre mit einem Durchmesser von 2 bis 3 Zoll, 1/2 Zoll für Rohre mit einem Durchmesser von 4 bis 8 Zoll und 3/4 Zoll für größere Rohre. Beide Anzapfungen sollten den gleichen Durchmesser haben, und dort, wo die Bohrung die Innenfläche des Rohrs durchbricht, sollte sie rechtwinklig und ohne Unebenheiten, Grate oder scharfe Kanten sein. Die Anschlüsse an die Druckbohrungen sollten über Nippel, Kupplungen oder Adapter erfolgen, die an die Außenfläche des Rohrs geschweißt werden.
Bei Anwendungen, bei denen die Prozessflüssigkeit die Druckbohrungen verstopfen oder in den Zuleitungen gelieren oder gefrieren kann, können chemische Dichtungsschutzvorrichtungen verwendet werden. Die Anschlussgrößen sind in der Regel größer (Dichtungselemente können auch mit Membranverlängerungen versehen werden) und aufgrund des Platzbedarfs werden sie in der Regel an „Radius-Anbohrstellen” oder „Rohr-Anbohrstellen” installiert, wie in Abbildung 4 dargestellt. Bei der Verwendung von chemischen Dichtungen ist es wichtig, dass die beiden Verbindungskapillaren, die zur d/p-Zelle führen, der gleichen Temperatur ausgesetzt sind und vor Sonnenlicht geschützt werden.
Abbildung 4: Alternativen für die Position der Differenzdruckentnahmestelle Der d/p-Transmitter sollte so nah wie möglich am Primärelement positioniert werden. Die Zuleitungen sollten so kurz wie möglich sein und denselben Durchmesser haben. Bei sauberen Flüssigkeiten beträgt der Mindestdurchmesser 0,4 Zoll. Bei Dampf sollten die horizontalen Zuleitungen so kurz wie möglich sein und zum Anschluss hin geneigt sein (mit einer Mindestneigung von 1 Zoll/Fuß in Bezug auf die Rohrleitung), damit Kondensat zurück in die Rohrleitung abfließen kann. Auch hier sollten beide Zuleitungen denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt und vor Sonnenlicht geschützt sein. Bei sauberen Flüssigkeiten oder Gasen können die Zuleitungen über die Entlüftungs- oder Ablaufanschlüsse der Differenzdruckzelle gespült werden, wobei sie mehrere Minuten lang gespült werden sollten, um die gesamte Luft aus den Leitungen zu entfernen. Eingeschlossene Luft kann die Kalibrierung beeinträchtigen.
Bei Differenzdruckzellen-Installationen mit kleinen Messbereichen (unter 10 in H20) befinden sich die Dichtungsbehälter auf dem Nassbein, um die Pegelschwankungen in den Beinen zu minimieren. Bei Dampfanwendungen werden Füll-T-Stücke empfohlen, um gleich hohe Kondensatbeine auf beiden Seiten der Differenzdruckzelle zu gewährleisten. Wenn die beiden Schenkel aus irgendeinem Grund nicht gleich hoch sind, kann die Differenzdruckzelle so voreingestellt werden, dass die Differenz auf Null gesetzt wird, solange sich diese Differenz nicht ändert.
Wenn die Prozesstemperatur die maximalen Einschränkungen der Differenzdruckzelle überschreitet, müssen entweder chemische Dichtungen verwendet werden oder die Zuleitungen müssen lang genug sein, um die Flüssigkeit zu kühlen. Wenn ein großer Temperaturabfall erforderlich ist, kann ein gewickelter Schlauchabschnitt (Pigtail) in die Zuleitungen installiert werden, um die Prozessflüssigkeiten zu kühlen.
Die Häufigkeit der Inspektion oder des Austauschs eines Primärelements hängt von der Erosions- und Korrosionsbeständigkeit des Prozesses und von der erforderlichen Gesamtgenauigkeit ab. Wenn keine Erfahrungen vorliegen, kann die Blende während der ersten drei, sechs und zwölf Monate ihres Betriebs zur Inspektion entfernt werden. Auf der Grundlage einer Sichtprüfung der Blende kann aus den Ergebnissen ein angemessener Zyklus für die Wartung abgeleitet werden. Blenden, die für Materialbilanzberechnungen verwendet werden, sollten denselben Zyklus für die Wartung haben.
Was ist ein Anemometer und was misst es?
Verfasst von:
Dan Schultz
Veröffentlicht am: 17. April 2026