Elektronische Durchflussmesser

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Die in diesem Kapitel behandelten Messtechnologien für den Durchfluss – magnetische, Wirbel- und Ultraschall-Messtechnologien – sind zwar weder ausschließlich noch vollständig elektronischer Natur, stellen jedoch eine logische Gruppierung von Messtechnologien für den Durchfluss dar. Alle haben keine beweglichen Teile (naja, vielleicht vibrierende), sind relativ nicht-intrusiv und werden

durch die heutige hochentwickelte Elektroniktechnologie ermöglicht. Magnetische Durchflussmesser beispielsweise sind von ihrer Natur her am direktesten elektrisch und leiten ihre ersten Prinzipien des Betriebs aus dem Faradayschen Gesetz ab. Wirbelzähler sind auf piezoelektrische Sensoren angewiesen , um Wirbel zu erfassen, die von einer stationären Wirbelplatte

abgegeben werden.

Und die heutigen Ultraschall-Durchflussmesser verdanken ihre erfolgreichen Anwendungen einer ausgeklügelten digitalen Signalverarbeitung . Magnetische Durchflussmesser Der Betrieb magnetischer Durchflussmesser basiert auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Magnetische Durchflussmesser können nur den Durchfluss leitfähiger Flüssigkeiten

erfassen. Frühe Modelle von Magnetflussmessern erforderten für ihren Betrieb eine Mindestleitfähigkeit der Flüssigkeit von 1 bis 5 Mikrosiemens pro Zentimeter. Bei den neueren Modellen wurde diese Anforderung um das Hundertfache auf 0,05 bis 0,1 reduziert. Der magnetische Durchflussmesser besteht aus einem nichtmagnetischen Rohr, das mit einem isolierenden Material ausgekleidet ist. Ein Paar Magnetspulen ist wie in Abbildung 4-1 dargestellt angeordnet, und ein Paar Elektroden durchdringt das Rohr und seine Auskleidung. Wenn eine leitfähige Flüssigkeit durch ein Rohr mit dem Durchmesser (D) durch ein von den Spulen erzeugtes Magnetfeld

(B)

fließt, ist die über den Elektroden entstehende Spannung (E) – gemäß dem Faradayschen Gesetz – proportional zur Geschwindigkeit (V) der Flüssigkeit. Da die Magnetfeldstärke und der Rohrdurchmesser feste Werte sind, können sie zu einem Faktor für die Kalibrierung (K) kombiniert werden,

und die

Gleichung vereinfacht sich zu: E = KV Die Geschwindigkeitsunterschiede an verschiedenen Punkten des Strömungsprofils werden durch einen Signalgewichtungsfaktor ausgeglichen. Eine weitere Kompensation wird durch die Formgebung der Magnetspulen erreicht, sodass der Magnetfluss dort am größten ist, wo der Signalgewichtungsfaktor am niedrigsten ist, und umgekehrt. Abbildung 4-1 Die Hersteller bestimmen den K-Faktor

jedes Magnetflussmessers durch Wasserkalibrierung jedes Durchflussrohrs. Der so erhaltene K-Wert gilt für jede andere leitfähige Flüssigkeit und ist über den gesamten Messbereich des Durchflussmessers linear. Aus diesem Grund werden Durchflussrohre in der Regel nur bei einer Geschwindigkeit kalibriert. Magnetische Durchflussmesser können den Durchfluss in

beide Richtungen messen,

da eine Umkehrung der Richtung zwar die Polarität, nicht jedoch die Größe des Signals ändert. Der durch Wassertests ermittelte K-Wert ist möglicherweise nicht gültig für nicht-newtonsche Flüssigkeiten (mit geschwindigkeitsabhängiger Viskosität) oder magnetische Schlämme (die magnetische Partikel enthalten). Diese Arten von Flüssigkeiten können die Dichte des Magnetfelds im Rohr beeinflussen. Für beide Flüssigkeiten sollten

eine Inline-Kalibrierung und spezielle Kompensationskonstruktionen in Betracht gezogen werden. Magnetfeld-Erregung Die an den Elektroden entstehende Spannung ist ein Millivolt-Signal. Dieses Signal wird in der Regel am oder in der Nähe des Durchflussrohrs in einen Standardstrom (4–20 mA) oder eine Frequenzausgabe (0–10.000 Hz) umgewandelt. Intelligente magnetische Transmitter mit digitalen Ausgängen ermöglichen den direkten Anschluss an ein verteiltes Steuerungssystem. Da das Signal des Magnetflussmessers schwach ist, sollte das Anschlusskabel abgeschirmt und verdrillt sein, wenn der Transmitter entfernt ist. Die Spulen des Magnetflussmessers können entweder mit Wechsel- oder Gleichstrom

short-image-description betrieben werden (Abbildung 4-2). Bei Verwendung einer Wechselstromerregung wird die Netzspannung an die Magnetspulen angelegt. Infolgedessen sieht das Durchflusssignal (bei konstantem Durchfluss) ebenfalls wie eine Sinuswelle aus. Die Amplitude der Welle ist proportional zur Geschwindigkeit. Zusätzlich zum Durchflusssignal können in der

Elektrodenschleife Störspannungen induziert werden. Phasenverschobene Störungen lassen sich leicht filtern, aber bei gleichphasigen Störungen muss der Durchfluss gestoppt (bei vollem Rohr) und der Transmitterausgang auf Null gesetzt werden. Das Hauptproblem bei Wechselstrom-Magnetflussmessern besteht darin, dass die Störungen je nach Prozessbedingungen variieren können und

zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit häufige Nullpunktkorrekturen erforderlich sind. Bei Gleichstromanregungsdesigns wird ein niederfrequenter (7–30 Hz) Gleichstromimpuls verwendet, um die Magnetspulen anzuregen. Wenn die Spulen gepulst werden (Abbildung 4-2), liest der Transmitter sowohl die Durchfluss- als auch die Rauschsignale. Zwischen den Impulsen sieht der Transmitter nur

das Rauschsignal. Daher kann das Rauschen nach jedem Zyklus kontinuierlich eliminiert werden. Abbildung 4-2 Dies sorgt für einen stabilen Nullpunkt und eliminiert Nullpunktdrift. Gleichstromzähler sind nicht nur genauer und können geringere Durchflüsse messen, sondern sind

auch weniger sperrig, einfacher zu installieren, verbrauchen weniger Energie und haben geringere Betriebskosten als Wechselstromzähler. Ein

neues Gleichstromdesign verbraucht deutlich mehr Strom als frühere

Generationen und erzeugt dadurch ein stärkeres Durchflussrohrsignal. Ein weiteres neues Design verwendet ein einzigartiges duales Erregungsschema, das die

Spulen mit 7 Hz für Nullpunktstabilität und zusätzlich

mit 70 Hz pulsiert, um ein stärkeres Signal zu erhalten. Magnetische Durchflussmesser können entweder mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden. Ein zweidrahtiger, schleifengespeister Gleichstrom-Magnetdurchflussmesser ist auch in einer eigensicheren Ausführung erhältlich, dessen Leistung jedoch aufgrund von Einschränkungen bei der Spannungsversorgung

eingeschränkt ist. Vor

kurzem wurden auch gepulste Wechselstrommesser eingeführt, die die Probleme der Nullpunktstabilität herkömmlicher Wechselstromausführungen beseitigen. Diese Geräte enthalten Schaltungen, die die Wechselstromversorgung periodisch unterbrechen und so die Auswirkungen von Prozessrauschen auf das Ausgangssignal automatisch auf Null setzen. Heute wird in etwa 85 % der Installationen Gleichstromerregung verwendet,

während Wechselstrom-Magnetflussmesser die restlichen 15 % beanspruchen, wenn dies durch die folgenden Bedingungen gerechtfertigt ist: Wenn große Mengen Luft in den Prozessstrom mitgerissen werden Wenn es sich bei dem Prozessstrom um eine Aufschlämmung

Feststoffpartikelgrößen nicht einheitlich sind und/oder die Feststoffphase nicht homogen in der Flüssigkeit gemischt ist; oder Wenn der Durchfluss mit einer Frequenz unter 15 Hz pulsiert. Wenn eine der drei oben genannten Bedingungen vorliegt, ist der Ausgang eines gepulsten Gleichstrommessgeräts

wahrscheinlich verrauscht. In einigen Fällen kann man das Rauschproblem minimieren (die Schwankungen innerhalb von 1 % des Sollwerts halten), indem man das Ausgangssignal filtert und dämpft. Wenn mehr als 1 bis 3 Sekunden Dämpfung erforderlich sind, um das Rauschen zu beseitigen, ist es immer besser, einen Wechselstrommesser zu verwenden. Durchflussrohre, Auskleidungen und Sonden Die Abmessungen von Flansch-Durchflussrohren (Einbaulängen) entsprechen in der Regel den Empfehlungen der Internationalen Organisation für Normung (ISO). Die Abmessungen von Kurzform-Magnetflussmessern

entsprechen in der Regel ebenfalls diesen Richtlinien. Magnetische Durchflussrohre und Auskleidungen sind in vielen Materialien erhältlich und werden in allen Prozessindustrien, einschließlich der Lebensmittel-, Pharma-, Bergbau- und Metallindustrie, häufig eingesetzt. Diese Konstruktion wird aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer Abrieb- und Verschleißfestigkeit, ihrer Unempfindlichkeit gegenüber nuklearer Strahlung und ihrer Eignung für hygienische Anwendungen bevorzugt, da sie keine Hohlräume aufweist, in denen Bakterien wachsen können. Andererseits verträgt das Keramikrohr keine Biegung, Spannung oder plötzliche Abkühlung und ist nicht für

short-image-description nach Bauweise oxidierende Säuren oder heiße und konzentrierte Laugen geeignet. Einige Auskleidungsmaterialien (insbesondere PFA) können beschädigt werden, wenn bei der Installation oder dem Ausbau aus Prozessrohrleitungen Brecheisen verwendet werden. Sie können auch durch zu hohes Anzugsmoment der Flanschschrauben beschädigt werden. Um solche Schäden zu vermeiden, sind Auskleidungsschutzvorrichtungen erhältlich. Grundsätzlich kann jedes Durchflussrohr mit jedem vom gleichen Hersteller angebotenen Transmitter verwendet werden. Je

und Ausstattung

kann ein 2-Zoll-Magnetdurchflussmesser im Messbereich zwischen 1.500 und 5.000 US-Dollar kosten. Diese Kosten sind zwar gesunken, aber immer noch höher als die der günstigsten Durchfluss-Sensoren. Magnetische Durchflussmesser können auch als Sonden verpackt und über Abzweigungen in Prozessleitungen eingeführt werden. Diese Sonden enthalten sowohl Elektroden als auch Magnetspulen. Die strömende Prozessflüssigkeit induziert eine Spannung an den Elektroden,

die die Geschwindigkeit an der Sondenspitze und nicht die durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Leitung widerspiegelt. Diese Magnetmesser sind kostengünstig und einziehbar. Daher muss der Prozess nicht angehalten werden, um sie zu installieren oder zu entfernen. Die Genauigkeit der Messung hängt in hohem Maße vom Verhältnis zwischen der gemessenen Geschwindigkeit und der durchschnittlichen Geschwindigkeit in der Rohrleitung ab. In einer neueren kapazitiv gekoppelten

Konstruktion werden

berührungslose Elektroden verwendet. Diese Konstruktionen verwenden Metallbereiche, die zwischen Schichten aus Auskleidungsmaterialien eingebettet sind. Sie sind in Größen mit einem Durchmesser von weniger als acht Zoll und mit Keramikauskleidungen erhältlich. Magnetische Durchflussmesser mit diesen berührungslosen Elektroden können Flüssigkeiten „lesen”, deren Leitfähigkeit 100-mal geringer ist als die, die zum Betätigen herkömmlicher Durchflussrohre erforderlich ist. Da sich die

Elektrode hinter der Auskleidung befindet, eignen sich diese Konstruktionen auch besser für Anwendungen mit starker Beschichtung. Abbildung 4-3 Jüngste Entwicklungen Wenn ein magnetischer Durchflussmesser mit einem in die Auskleidung eingebetteten Kapazitätsfüllstandsensor ausgestattet ist, kann er auch den Durchfluss in teilweise gefüllten Rohren messen. Bei diesem Design befinden sich die Elektroden des Magnetflussmessers am Boden des Rohrs (etwa 1/10 des Rohrdurchmessers),

damit sie von der Flüssigkeit bedeckt bleiben. Es erfolgt eine Kompensation für Wellenbewegungen und eine Kalibrierung für den Betrieb bei vollem Rohr, ohne Durchfluss (statischer Füllstand) und bei teilweise gefülltem Rohr. Eine weitere neuere Entwicklung ist ein magnetischer Durchflussmesser mit einem unbeschichteten Durchflussrohr aus Kohlenstoffstahl. Bei dieser Konstruktion sind die Messelektroden außen am unbeschichteten Durchflussrohr montiert, und die Magnetspulen erzeugen ein Feld, das 15-mal stärker ist als bei einem herkömmlichen

Rohr. Dieses Magnetfeld dringt tief in die Prozessflüssigkeit ein (nicht nur um die Elektrode herum, wie bei Standard-Magnetflussmessersonden). Der Hauptvorteil sind niedrige Anschaffungs- und Ersatzkosten, da nur die Sensoren ausgetauscht werden müssen. Auswahl und

Dimensionierung

Magnetische Durchflussmesser können den Durchfluss von sauberen, mehrphasigen, verschmutzten, korrosiven, erosiven oder viskosen Flüssigkeiten und Schlämmen erfassen, sofern deren Leitfähigkeit über dem für die jeweilige Konstruktion erforderlichen Mindestwert liegt. Die zu erwartende Ungenauigkeit und Messbereichsfähigkeit der besseren Ausführungen liegen bei 0,2 bis 1 % der Durchflussrate über einen Bereich von 10:1 bis 30:1, wenn die Strömungsgeschwindigkeit 1 ft/sec überschreitet.

Bei langsameren Strömungsgeschwindigkeiten (sogar unter 0,1 ft/s) nimmt der Messfehler zu, aber die Messwerte bleiben wiederholbar. Es ist wichtig, dass die Leitfähigkeit der Prozessflüssigkeit gleichmäßig ist. Wenn zwei Flüssigkeiten gemischt werden und sich die Leitfähigkeit eines Additivs erheblich von der der anderen Prozessflüssigkeit unterscheidet, ist es wichtig, dass sie vollständig vermischt sind, bevor die Mischung den Magnetflussmesser erreicht. Wenn die Mischung nicht gleichmäßig ist, ist das Ausgangssignal verrauscht. Um dies zu verhindern, können Bereiche mit unterschiedlicher

short-image-description Leitungsgrößen Leitfähigkeit durch die Installation eines statischen Mischers vor dem Magnetflussmesser beseitigt werden. Die Größe des Magnetflussmessers wird anhand der vom Hersteller veröffentlichten Kapazitätstabellen oder -diagramme bestimmt. Abbildung 4-3 enthält einen Durchflusskapazitätsnomogramm für

von 0,1

Zoll bis 96 Zoll. Für die meisten Anwendungen sollten die Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 3 ft/s und 15 ft/s liegen. Bei korrosiven Flüssigkeiten sollte der normale Messbereich zwischen 3 und 6 ft/sec liegen. Wenn das Durchflussrohr kontinuierlich unter 3 ft/sec betrieben wird, verschlechtert sich die Genauigkeit, während ein kontinuierlicher Betrieb über der Obergrenze des normalen Messbereichs die Lebensdauer des Messgeräts verkürzt. Die Hindernisfreiheit des Magnetflussmessers verringert die Wahrscheinlichkeit von Verstopfungen

und begrenzt den nicht wiederherstellbaren Druckverlust auf den eines gleich langen geraden Rohrs. Der geringe Druckabfall ist wünschenswert, da er die Pumpkosten senkt und Schwerkraftzufuhrsysteme unterstützt. Problematische Anwendungen Der Magnetflussmesser kann mitgeführte Luft nicht von der Prozessflüssigkeit unterscheiden, daher führen Luftblasen zu hohen Messwerten. Wenn die eingeschlossene Luft nicht

homogen verteilt ist, sondern in Form von Luftblasen oder großen Luftblasen (von der Größe der Elektrode) vorliegt, führt dies zu einem verrauschten oder sogar gestörten Ausgangssignal. Daher sollte in Anwendungen, in denen Luftmitführung wahrscheinlich ist, das Messgerät so dimensioniert werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit unter normalen Strömungsbedingungen 6-12 ft/sec beträgt. Eine weitere häufige

Ursache für Probleme mit Magnetflussmessern ist die Beschichtung der Elektroden. Materialablagerungen an den Innenflächen des Messgeräts können die Elektroden elektrisch von der Prozessflüssigkeit isolieren. Dies kann zu einem Signalverlust oder einem Messfehler führen, entweder durch Veränderung des Durchmessers des Durchflussrohrs oder durch Verursachen von Spannweiten- und Nullpunktverschiebungen. Die beste Lösung ist natürlich die Vorbeugung. Eine vorbeugende Maßnahme besteht darin,

den Durchflussmesser so zu dimensionieren, dass die Strömungsgeschwindigkeit unter normalen Strömungsbedingungen relativ hoch ist: mindestens 6-12 ft/sec oder so hoch wie unter Berücksichtigung der Möglichkeit von Erosion und Korrosion praktikabel. Eine weitere Präventionsmethode ist die Verwendung von Elektroden, die in den Strömungsstrom hineinragen, um die Turbulenzen und den Wascheffekt zu nutzen. Bei schwereren Einsatzbedingungen kann ein mechanisches Reinigungssystem installiert und intermittierend oder kontinuierlich eingesetzt werden, um Ablagerungen und Anhaftungen zu beseitigen. Abbildung 4-4 Installation Der magnetische Durchflussmesser muss immer mit Flüssigkeit gefüllt sein. Daher ist der bevorzugte Einbauort für Magnetdurchflussmesser vertikale,

short-image-description Kontakt nach oben verlaufende Rohrleitungen. Die Installation in horizontalen Rohrleitungen ist zulässig, wenn sich der Rohrleitungsabschnitt an einem tiefen Punkt befindet und die Elektroden nicht an der Oberseite des Rohrs angebracht sind. Dadurch wird verhindert, dass Luft mit den Elektroden in

kommt. Wenn es sich

bei der Prozessflüssigkeit um eine Aufschlämmung handelt und der Magnetflussmesser an einem tiefsten Punkt installiert ist, sollte er bei längeren Stillstandszeiten entfernt werden, damit sich keine Feststoffe absetzen und die Innenteile beschichten. Wenn es unerlässlich ist, den Magnetflussmesser regelmäßig zu entleeren, sollte er mit einer Option zur Nullstellung des Leerrohrs ausgestattet sein. Wenn diese Option aktiviert ist, wird der Ausgang des Transmitters auf Null geklemmt. Die Erkennung von Leerrohrzuständen erfolgt über eine Schaltung, die mit

zusätzlichen Elektrodensätzen im Durchflussrohr verbunden ist. Die Leerrohr-Nullfunktion kann auch durch einen externen Kontakt, z. B. einen Pumpenstatus-Kontakt, aktiviert werden. Magnetflussmessgeräte erfordern fünf Durchmesser gerades Rohr stromaufwärts und zwei Durchmesser stromabwärts, um ihre Genauigkeit zu gewährleisten und den Verschleiß der Auskleidung zu minimieren. Zum

Schutz der Vorderkante der Auskleidung vor den abrasiven Einflüssen der Prozessflüssigkeiten sind Auskleidungsschutzvorrichtungen erhältlich. Bei einer Installation des Magnetflussmessers in einem horizontalen Rohr mit einer Länge von mehr als 30 Fuß sollte das Rohr auf beiden Seiten des Messgeräts abgestützt werden. Der Magnetflussmesser muss elektrisch an die Prozessflüssigkeit geerdet werden. Der Grund dafür ist, dass der Magnetflussmesser Teil des Weges für Streuströme ist, die durch die Rohrleitung oder die Prozessflüssigkeit

fließen. Durch die

Verbindung beider Enden des Messgeräts mit der Prozessflüssigkeit wird ein Kurzschluss für Streuströme hergestellt, sodass diese um das Durchflussrohr herum und nicht durch dieses fließen. Wenn das System nicht ordnungsgemäß geerdet ist, können diese Ströme eine Nullpunktverschiebung im Ausgang des Magnetflussmessers verursachen. Die elektrische Verbindung mit der Prozessflüssigkeit kann durch Metallerdungsbänder hergestellt werden. Diese Bänder verbinden jedes Ende des Durchflussrohrs mit den benachbarten Rohrleitungsflanschen, die wiederum mit der

Prozessflüssigkeit in Kontakt stehen. Bänder werden verwendet, wenn die Rohrleitung elektrisch leitfähig ist. Wenn die Rohrleitung nicht leitfähig oder ausgekleidet ist, werden Erdungsringe verwendet. Der Erdungsring ist wie eine Blende mit einer Bohrung, die der Nennweite (Innendurchmesser) des Durchflussrohrs entspricht. Er wird zwischen den Flanschen des Durchflussrohrs und den angrenzenden Prozessrohrleitungen auf der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite installiert. Das Durchflussrohr wird durch die Verbindung mit den metallischen Erdungsringen an die Prozessflüssigkeit gebunden und durch die Verdrahtung mit einem guten Leiter, z. B. einer Kaltwasserleitung, geerdet. Bei größeren Größen

short-image-description wird, Materialien können Erdungsringe teuer werden; stattdessen können Erdungselektroden (eine dritte Elektrode, die zur Verbindung mit der Prozessflüssigkeit in das Durchflussrohr eingesetzt wird) verwendet werden. Eine weitere kostensparende Option ist die Verwendung eines Kunststoff-Erdungsrings mit einem Metallelektrodeneinsatz. Abbildung 4-5 Wirbel-Durchflussmesser Als junger Mann, der in den Gebirgsbächen der Siebenbürgischen Alpen fischte, entdeckte Theodor von Karman, dass sich die Flüssigkeit, wenn ein nicht stromlinienförmiges Objekt (auch als stumpfer Körper bezeichnet) in den Weg eines schnell fließenden Stroms gestellt

abwechselnd von den beiden stromabwärts gelegenen Seiten des Objekts trennt und, wenn sich die Grenzschicht löst und sich um sich selbst zurückrollt, die Flüssigkeit Wirbel (auch als Strudel oder Wirbelströme bezeichnet) bildet. Er stellte außerdem fest, dass der Abstand zwischen den Wirbeln konstant war und ausschließlich von der Größe des Felsens abhing, der sie bildete. Auf der Seite des stumpfen Körpers, auf der sich der Wirbel bildet, ist die Strömungsgeschwindigkeit höher und der Druck niedriger. Wenn sich der Wirbel stromabwärts bewegt, nimmt er an Stärke und Größe zu und

löst sich schließlich

ab oder wird abgestoßen. Daraufhin bildet sich auf der anderen Seite des Blöckerkörpers ein Wirbel (Abbildung 4-4). Die abwechselnden Wirbel sind in gleichen Abständen angeordnet. Das Phänomen der Wirbelablösung lässt sich beobachten, wenn Wind von einem Fahnenmast (der als Blöcke wirkt) abgelöst wird; dies ist der Grund für die regelmäßigen Wellenbewegungen, die man an einer

Fahne

sieht. Wirbel werden auch von Brückenpfeilern, Pfählen, Offshore-Bohrplattformstützen und hohen Gebäuden abgelöst. Die durch das Wirbelablösungsphänomen verursachten Kräfte müssen bei der Konstruktion dieser Strukturen berücksichtigt werden. In einem geschlossenen Rohrleitungssystem wird der Wirbeleffekt innerhalb weniger Rohrdurchmesser stromabwärts des Blockskörpers dissipiert und verursacht keinen Schaden. Konstruktion von Wirbelzählern Ein Wirbelzähler besteht in der Regel aus Edelstahl 316 oder Hastelloy und umfasst einen Wirbelkörper, eine Wirbelsensorbaugruppe und die Transmitterelektronik, wobei letztere auch separat montiert

werden kann (Abbildung 4-5). Sie sind in der Regel in Flanschgrößen von 1/2 Zoll bis 12 Zoll erhältlich. Die Kosten der Installation von

Wirbelzählern sind mit

denen von Blendenmessgeräten in Größen unter sechs Zoll vergleichbar. Wafer-Durchflussmesser (flanschlos) sind am kostengünstigsten, während Flanschdurchflussmesser

bevorzugt

werden, wenn die Prozessflüssigkeit gefährlich ist oder eine hohe Temperatur aufweist. Es wurde mit verschiedenen Formen (quadratisch, rechteckig, T-förmig, trapezförmig) und Abmessungen von Blöckkörpern experimentiert, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Tests haben gezeigt, dass Linearität, Einschränkungen durch niedrige Reynolds-Zahlen und Empfindlichkeit gegenüber Verzerrungen des Geschwindigkeitsprofils nur geringfügig von der Form des Blöckkörpers abhängen. Was die Größe betrifft, muss der Blöcke einen Breite haben, die einen ausreichend

großen Anteil des Rohrdurchmessers ausmacht, damit der gesamte Durchfluss an der Ablösung beteiligt ist. Zweitens muss der Blöcke an der stromaufwärtigen Seite hervorstehende Kanten aufweisen, um die Strömungsablösungslinien unabhängig von der Durchflussrate zu fixieren. Drittens muss die Länge des Blöcke in Strömungsrichtung ein bestimmtes Vielfaches der Breite des Blöcke betragen. Heutzutage verwenden die

short-image-description und können meisten Wirbelzähler piezoelektrische oder kapazitive Sensoren, um die Druckschwingungen um den Blöckerkörper herum zu erfassen. Diese Detektoren reagieren auf die Druckschwingungen mit einem Niederspannungs-Ausgangssignal, das die gleiche Frequenz wie die Schwingungen hat. Solche Sensoren sind modular aufgebaut, kostengünstig, leicht austauschbar

in einem breiten Messbereich eingesetzt werden – von kryogenen Flüssigkeiten bis zu überhitztem Dampf. Die Sensoren können sich innerhalb oder außerhalb des Messgeräts befinden. Benetzte Sensoren werden direkt durch die Wirbeldruckschwankungen beansprucht und sind in gehärteten Gehäusen untergebracht, um Korrosion und Erosion standzuhalten. Abbildung 4-6 Externe Sensoren, in der Regel piezoelektrische Dehnungsmessstreifen, erfassen die Wirbelablösung indirekt über die auf die Ablösungsstange ausgeübte

Kraft. Externe Sensoren werden bei stark erosiven/korrosiven Anwendungen bevorzugt, um die Kosten der Wartung zu senken, während interne Sensoren eine bessere Messbereichsverteilung (bessere Empfindlichkeit bei geringem Durchfluss) bieten. Außerdem sind sie weniger empfindlich gegenüber Rohrvibrationen. Das Elektronikgehäuse ist in der Regel explosions- und wetterfest und enthält den Transmitter,

Anschlüsse und optional

einen Durchflussanzeiger und/oder einen Zähler. Dimensionierung und Messbereichsverstellbarkeit Die Wirbelablösungsfrequenz ist direkt proportional zur Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr und damit zum Volumenstrom. Die Ablösungsfrequenz ist unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit wie Dichte, Viskosität, Leitfähigkeit usw., außer dass die Strömung turbulent sein muss, damit eine Wirbelablösung stattfinden

kann. Die Beziehung zwischen Wirbelfrequenz und Flüssigkeitsgeschwindigkeit lautet: St = f(d/V) Dabei ist St die Strouhal-Zahl, f die Wirbelablösungsfrequenz, d die Breite des Störkörpers und V die durchschnittliche

Strömungsgeschwindigkeit. Der Wert der Strouhal-Zahl wird experimentell bestimmt und ist im Allgemeinen über einen weiten Messbereich von Reynolds-Zahlen konstant. Die Strouhal-Zahl stellt das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen Wirbelablösung (l) und der Breite des stumpfen Körpers (d) dar, das etwa sechs beträgt (Abbildung 4-4). Die Strouhal-Zahl ist ein dimensionsloser Faktor für die Kalibrierung, der zur Charakterisierung verschiedener stumpfer Körper verwendet wird. Wenn ihre Strouhal-Zahl gleich ist, verhalten sich zwei verschiedene Blöcke ähnlich.

Da der Volumenstrom

Q das Produkt aus der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit und der für die Strömung verfügbaren Querschnittsfläche (A) ist: Q = AV = (A f d B)/St wobei B der Blockierungsfaktor ist, definiert als die vom stumpfen Körper freigelassene Fläche geteilt durch die volle Querschnittsfläche des Rohrs. Diese Gleichung lässt sich wiederum wie folgt umschreiben: Q = fK wobei K der Messkoeffizient

ist, der dem Produkt (A f d B) entspricht. Wie bei Turbinen und anderen frequenzgebenden Durchflussmessern kann der K-Faktor als Impulse pro Volumeneinheit (Impulse pro Gallone, Impulse pro Kubikfuß usw.) definiert werden. Daher kann man die Durchflussrate durch Zählen der Impulse pro Zeiteinheit

bestimmen. Die Wirbelfrequenzen haben einen Messbereich von einem bis zu Tausenden von Impulsen pro Sekunde, abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, den Eigenschaften der Prozessflüssigkeit und der Größe des Messgeräts. Bei Gasanwendungen sind die Frequenzen etwa zehnmal höher als

bei Flüssigkeitsanwendungen. Der K-Faktor wird vom Hersteller bestimmt, in der Regel durch Wasserkalibrierung in einem Durchflusslabor. Da der K-Faktor für Flüssigkeits-, Gas- und Dampfanwendungen gleich ist, gilt der aus einer Wasserkalibrierung ermittelte Wert auch für alle anderen Flüssigkeiten. Der Kalibrierungsfaktor (K) bei moderaten Reynolds-Zahlen ist unempfindlich gegenüber Kantenschärfe oder anderen dimensionalen Veränderungen, die sich auf Messgeräte mit quadratischen Öffnungen auswirken. Obwohl die Gleichungen für Wirbelzähler

im Vergleich zu denen für

Blenden relativ einfach sind, gibt es viele Regeln und Überlegungen zu beachten. Die Hersteller bieten kostenlose Computersoftware für die Dimensionierung an, in die der Benutzer die Eigenschaften der Flüssigkeit (Dichte, Viskosität und gewünschter Durchflussbereich) eingeben kann und das Programm automatisch die

Größe des Messgeräts berechnet. Abbildung 4-7 Die durch den Wirbel-Druckimpuls erzeugte Kraft ist eine Funktion der Flüssigkeitsdichte multipliziert mit dem Quadrat der Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Die Anforderung, dass eine turbulente Strömung und eine ausreichende Kraft zum Betätigen des Sensors vorhanden sein müssen, bestimmt den Messbereich des Messgeräts. Diese Kraft muss hoch genug sein, um von

Störgeräuschen unterschieden werden zu können. Beispielsweise hat ein typischer 2-Zoll-Wirbelzähler einen Wasserdurchflussbereich von 12 bis 230 gpm. Wenn die Dichte oder Viskosität der Flüssigkeit von der von Wasser abweicht, ändert sich der Messbereich des Messgeräts. Um Messrauschen zu minimieren, ist es wichtig, ein Messgerät zu wählen, das sowohl den minimalen als auch den maximalen Prozessdurchfluss, der gemessen werden soll, angemessen verarbeiten kann. Es wird empfohlen, dass die zu messende Mindestdurchflussrate mindestens doppelt so hoch ist wie die vom Messgerät erkennbare

Mindestdurchflussrate. Die maximale Kapazität des Messgeräts sollte mindestens das Fünffache der erwarteten maximalen Durchflussrate betragen. Genauigkeit und Messbereichsverstellbarkeit Da die Reynolds-Zahl mit steigender Viskosität sinkt, leidet der Messbereich von Wirbelzählern unter steigender Viskosität. Die maximale Viskositätsgrenze liegt in Abhängigkeit von der zulässigen Genauigkeit und Messbereichsfähigkeit zwischen 8 und 30 Centipoise. Bei Gas- und Dampfanwendungen kann man einen Messbereich von mehr als 20:1 erwarten, bei Anwendungen mit niedrigviskosen Flüssigkeiten einen Messbereich von mehr als 10:1, wenn der Wirbelzähler für die Anwendung richtig dimensioniert wurde. Die Ungenauigkeit der meisten Wirbelzähler beträgt 0,5–1

short-image-description benötigt % der Durchflussrate bei Reynolds-Zahlen über 30.000. Mit sinkender Reynolds-Zahl steigt der Messfehler. Bei Reynolds-Zahlen unter 10.000 kann der Fehler 10 % des tatsächlichen Durchflusses erreichen. Während die meisten Durchflussmesser auch bei Durchflüssen nahe Null noch Anzeigen liefern, verfügt der Wirbelzähler über einen Abschaltpunkt. Unterhalb dieses Wertes wird die Messausgabe automatisch auf Null gesetzt (4 mA bei analogen Transmittern). Dieser Abschaltpunkt entspricht einer Reynolds-Zahl von 10.000 oder weniger. Wenn der zu mess