Die Messung des Durchflusses von Flüssigkeiten ist in vielen industriellen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. In einigen Betrieben ist die Fähigkeit, genaue Durchflussmessungen durchzuführen, so wichtig, dass sie über Gewinn oder Verlust entscheiden kann. In anderen Fällen können ungenaue Durchflussmessungen – oder das Versäumnis, Messungen durchzuführen – schwerwiegende (oder sogar katastrophale) Folgen haben.
Bei den meisten Durchflussmessgeräten für Flüssigkeiten wird die Durchflussrate durch Messung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit oder der Änderung der kinetischen Energie abgeleitet. Die Geschwindigkeit hängt von der Druckdifferenz ab, die die Flüssigkeit durch ein Rohr oder eine Leitung drückt. Da die Querschnittsfläche des Rohrs bekannt ist und konstant bleibt, ist die Durchschnittsgeschwindigkeit ein Indikator für die Durchflussrate. Die grundlegende Beziehung zur Bestimmung der Durchflussrate der Flüssigkeit lautet in solchen Fällen:
Q = V x A
Dabei ist
Q = Flüssigkeitsdurchfluss durch das Rohr
V = Durchschnittsgeschwindigkeit des Durchflusses
A = QuerschnittsflächeQuerschnittsfläche des Rohrs
Weitere Faktoren, die die Durchflussmenge der Flüssigkeit beeinflussen, sind die Viskosität und Dichte der Flüssigkeit sowie die Reibung der Flüssigkeit beim Kontakt mit dem Rohr.
What is a Flow Meter?
Ein Durchflussmesser (oder ein Durchfluss-Sensor) ist ein Durchflussmessgerät, das zur Anzeige der Menge an Flüssigkeit, Gas oder Dampf verwendet wird, die durch ein Rohr oder eine Leitung fließt, indem es lineare, nichtlineare, Massen- oder Volumenströmungsraten misst. Da die Durchflussregelung oft von entscheidender Bedeutung ist, ist die Messung des Durchflusses von Flüssigkeiten und Gasen für viele industrielle Anwendungen unerlässlich – und es gibt viele verschiedene Arten von Durchflussmessern, die je nach Art der Anwendung eingesetzt werden können.
Bei der Auswahl eines Durchflussmessers sollten immaterielle Faktoren wie die Vertrautheit des Anlagenpersonals, dessen Erfahrung mit Kalibrierung und Wartung, die Verfügbarkeit von Ersatzteilen und die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen usw. am jeweiligen Standort berücksichtigt werden. Es wird außerdem empfohlen, die Kosten für die Installation erst nach Durchführung dieser Schritte zu berechnen. Einer der häufigsten Fehler bei der Durchflussmessung ist die Umkehrung dieser Reihenfolge: Anstatt einen Sensor auszuwählen, der ordnungsgemäß funktioniert, wird versucht, die Verwendung eines Geräts zu rechtfertigen, weil es kostengünstiger ist. Diese „kostengünstigen” Anschaffungen können sich als die teuersten Installationen erweisen.
So wählen Sie einen Durchflussmesser aus
Die Grundlage für die Auswahl eines geeigneten Durchflussmessers ist ein klares Verständnis der Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Daher sollte Zeit in die umfassende Bewertung der Eigenschaften der Prozessflüssigkeit und der gesamten Installation investiert werden. Die Entwicklung von Spezifikationen, die die Anforderungen der Anwendungen festlegen, sollte ein systematischer, schrittweiser Prozess sein.
Erste Schritte
Der erste Schritt bei der Auswahl eines Durchfluss-Sensors besteht darin, zu bestimmen, ob die Durchflussdaten kontinuierlich oder summiert erfasst werden sollen und ob diese Daten lokal oder remote benötigt werden. Wenn sie remote benötigt werden, sollte die Übertragung analog, digital oder gemeinsam erfolgen? Und wenn sie gemeinsam genutzt werden, wie hoch ist die erforderliche (minimale) Datenaktualisierungsfrequenz? Sobald diese Fragen beantwortet sind, sollte eine Bewertung der Eigenschaften und Durchflusseigenschaften der Prozessflüssigkeit sowie der Rohrleitungen, in denen der Durchflussmesser untergebracht werden soll, erfolgen (Tabelle 1).
Tabelle 1: Bewertungstabelle für Durchflussmesser Flüssigkeits- und Durchflusseigenschaften
Die Flüssigkeit und ihre Drucktemperatur, der zulässige Druckabfall, die Dichte (oder das spezifische Gewicht), die Leitfähigkeit, die Viskosität (Newtonsch oder nicht?) und der Dampfdruck bei maximaler Betriebstemperatur sind zusammen mit einem Hinweis darauf aufgeführt, wie diese Eigenschaften variieren oder miteinander interagieren können. Darüber hinaus sollten alle Informationen zur Sicherheit oder Toxizität sowie detaillierte Daten zur Zusammensetzung der Flüssigkeit, zum Vorhandensein von Blasen, Feststoffen (abrasiv oder weich, Partikelgröße, Fasern), zur Neigung zur Beschichtung und zu den Lichtdurchlässigkeitseigenschaften (undurchsichtig, durchscheinend oder transparent?) angegeben werden.
Druck- und Temperaturmessbereiche
Zusätzlich zu den normalen Betriebswerten sollten die zu erwartenden Mindest- und Höchstwerte für Druck und Temperatur angegeben werden. Ob sich der Durchfluss umkehren kann, ob die Rohrleitung nicht immer vollständig gefüllt ist, ob es zu einer Slug-Strömung (Luft-Feststoffe-Flüssigkeit) kommen kann, ob Belüftung oder Pulsationen wahrscheinlich sind, ob plötzliche Temperaturänderungen auftreten können oder ob bei der Reinigung und Wartung besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sind, sollte ebenfalls angegeben werden.
Rohrleitungen und Bereich der Installation
In Bezug auf die Rohrleitungen und den Bereich der Installation, in dem der Durchflussmesser installiert werden soll, sollten die folgenden Informationen angegeben werden: Für die Rohrleitungen sind die Richtung (bei Flüssigkeitsanwendungen ist ein Abwärtsfluss zu vermeiden), die Größe, das Material, die Ausführung, die Flanschdruckstufe, die Zugänglichkeit, vor- oder nachgeschaltete Biegungen, Ventile, Regler und die verfügbaren geraden Rohrlängen anzugeben.
In Bezug auf den Bereich muss der spezifizierende Ingenieur wissen, ob Vibrationen oder Magnetfelder vorhanden oder möglich sind, ob elektrische oder pneumatische Energie verfügbar ist, ob der Bereich als explosionsgefährdet eingestuft ist oder ob andere besondere Anforderungen bestehen, wie z. B. die Einhaltung von Hygiene- oder CIP-Vorschriften (Clean-in-Place).
Durchflussraten und Genauigkeit
Der nächste Schritt besteht darin, den erforderlichen Messbereich zu bestimmen, indem die zu messenden Mindest- und Höchstdurchflüsse (Masse oder Volumen) ermittelt werden. Anschließend wird die erforderliche Genauigkeit der Durchflussmessung bestimmt. In der Regel wird die Genauigkeit in Prozent des tatsächlichen Messwerts (AR), in Prozent der während der Kalibrierung ermittelten Spanne (CS) oder in Prozent des Skalenendwerts (FS) angegeben. Die Genauigkeitsanforderungen sollten separat für minimale, normale und maximale Durchflussraten angegeben werden. Wenn Sie diese Anforderungen nicht kennen, ist die Leistung Ihres Messgeräts möglicherweise nicht über den gesamten Messbereich akzeptabel.
Genauigkeit vs. Wiederholbarkeit
In Anwendungen, in denen Produkte auf der Grundlage eines Messwerts verkauft oder gekauft werden, ist absolute Genauigkeit von entscheidender Bedeutung. In anderen Anwendungen kann die Wiederholbarkeit wichtiger sein als die absolute Genauigkeit. Daher ist es ratsam, die Anforderungen an Genauigkeit und Wiederholbarkeit für jede Anwendung separat festzulegen und beide in den Spezifikationen anzugeben.
Wenn die Genauigkeit eines Durchflussmessers in % CS- oder % FS-Einheiten angegeben wird, steigt sein absoluter Fehler mit sinkender gemessener Durchflussrate. Wenn der Messfehler in % AR angegeben wird, bleibt der Fehler in absoluten Zahlen bei hohen oder niedrigen Durchflussmengen gleich. Da der Skalenendwert (FS) immer größer ist als der kalibrierte Messbereich (CS), weist ein Sensor mit einer Leistung in % FS immer einen größeren Fehler auf als ein Sensor mit derselben Leistungsspezifikation in % CS. Um alle Angebote fair vergleichen zu können, ist es daher ratsam, alle angegebenen Fehlerangaben in die gleichen % AR-Einheiten umzurechnen.
Es wird außerdem empfohlen, dass der Anwender die Installationen auf der Grundlage des Gesamtfehlers der Schleife vergleicht. Beispielsweise wird die Ungenauigkeit einer Blende in % AR angegeben, während der Fehler der zugehörigen d/p-Zelle in % CS oder % FS angegeben wird. Ebenso ist die Ungenauigkeit eines Coriolis-Messgeräts die Summe zweier Fehler, von denen einer in % AR und der andere als % FS-Wert angegeben wird. Die Gesamtgenauigkeit wird berechnet, indem die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Ungenauigkeiten der Komponenten bei den gewünschten Durchflussraten gebildet wird.
In gut vorbereiteten Durchflussmesserspezifikationen werden alle Genauigkeitsangaben in einheitliche % AR-Einheiten umgerechnet, und diese % AR-Anforderungen werden separat für minimale, normale und maximale Durchflüsse angegeben. Alle Durchflussmesserspezifikationen und Angebote sollten sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit des Messers bei minimalen, normalen und maximalen Durchflüssen klar angeben.
Tabelle 1 enthält Daten zum Messbereich der Reynolds-Zahlen (Re oder RD), in dem die verschiedenen Durchflussmesserkonstruktionen betrieben werden können. Bei der Auswahl des richtigen Durchflussmessers besteht einer der ersten Schritte darin, sowohl die minimalen als auch die maximalen Reynolds-Zahlen für die Anwendung zu bestimmen. Die maximale RD wird durch Berechnung ermittelt, wenn Durchfluss und Dichte maximal und die Viskosität minimal sind. Umgekehrt wird die minimale RD unter Verwendung des minimalen Durchflusses und der minimalen Dichte sowie der maximalen Viskosität ermittelt.
Wenn zwei verschiedene Durchflussmesserkategorien eine akzeptable Leistung erzielen und eine davon keine beweglichen Teile aufweist, sollte die Kategorie ohne bewegliche Teile ausgewählt werden. Bewegliche Teile sind eine potenzielle Fehlerquelle, nicht nur aus den offensichtlichen Gründen wie Verschleiß, Schmierung und Empfindlichkeit gegenüber Beschichtungen, sondern auch, weil bewegliche Teile Freiräume benötigen, die manchmal zu einem „Schlupf” im gemessenen Durchfluss führen. Selbst bei gut gewarteten und mit Kalibrierung versehenen Messgeräten variiert dieser nicht gemessene Durchfluss mit Änderungen der Viskosität und Temperatur der Flüssigkeit. Temperaturänderungen verändern auch die Innenabmessungen des Messgeräts und erfordern eine Kompensation.
Wenn man außerdem mit einem Durchflussmesser und einem Punktsensor die gleiche Leistung erzielen kann, ist es im Allgemeinen ratsam, den Durchflussmesser zu verwenden. Da die Punktsensoren nicht den gesamten Durchfluss erfassen, liefern sie nur dann genaue Messwerte, wenn sie bis zu einer Tiefe eingeführt werden, in der die Strömungsgeschwindigkeit dem Durchschnitt des Geschwindigkeitsprofils im Rohr entspricht. Selbst wenn dieser Punkt zum Zeitpunkt der Kalibrierung sorgfältig bestimmt wird, ist es unwahrscheinlich, dass er unverändert bleibt, da sich Geschwindigkeitsprofile mit Durchflussrate, Viskosität, Temperatur und anderen Faktoren ändern.
Wenn alle anderen Faktoren gleich sind, aber ein Design einen geringeren Druckverlust aufweist, ist es ratsam, dieses Design zu wählen. Ein Grund dafür ist, dass der Druckverlust über die Lebensdauer der Anlage durch höhere Kosten für den Betrieb von Pumpen oder Kompressoren ausgeglichen werden muss. Ein weiterer Grund ist, dass jeder Widerstand im Strömungsweg einen Druckabfall verursacht und jede Stelle, an der ein Rohr verengt ist, zu einer potenziellen Stelle für Materialablagerungen, Verstopfungen oder Kavitation wird.
Massen- oder Volumeneinheiten
Vor der Spezifizierung eines Durchflussmessers ist es auch ratsam zu bestimmen, ob die Durchflussinformationen in Massen- oder Volumeneinheiten dargestellt werden sollen. Bei der Messung des Durchflusses kompressibler Materialien ist der Volumendurchfluss nur dann aussagekräftig, wenn die Dichte (und manchmal auch die Viskosität) konstant ist. Bei der Messung der Geschwindigkeit (Volumenstrom) inkompressibler Flüssigkeiten führt das Vorhandensein von Blasen zu Fehlern. Daher müssen Luft und Gas entfernt werden, bevor die Flüssigkeit den Durchfluss-Sensor erreicht. Bei anderen Geschwindigkeitssensoren können Rohrinnenauskleidungen Probleme verursachen (Ultraschall), oder der Durchfluss-Sensor kann bei zu niedriger Reynolds-Zahl ausfallen (bei Wirbelschleppungsmessern ist eine Reynolds-Zahl von > 20.000 erforderlich).
Angesichts dieser Überlegungen sollten Massendurchflussmesser in Betracht gezogen werden, die unempfindlich gegenüber Dichte-, Druck- und Viskositätsschwankungen sind und nicht von Änderungen der Reynolds-Zahl beeinflusst werden. Ebenfalls in der chemischen Industrie zu wenig genutzt sind die verschiedenen Messrinnen, die den Durchfluss in teilweise gefüllten Rohren messen und große schwimmende oder sedimentierbare Feststoffe passieren lassen können.
Wartung eines Durchflussmessers
Eine Reihe von Faktoren beeinflussen die Anforderungen an die Wartung und die Lebensdauer von Durchflussmessern. Der wichtigste Faktor ist natürlich die Auswahl des richtigen Geräts für die jeweilige Anwendung. Schlecht ausgewählte Geräte führen unweigerlich zu frühzeitigen Problemen. Durchflussmesser ohne bewegliche Teile erfordern in der Regel weniger Aufmerksamkeit als Geräte mit beweglichen Teilen. Letztendlich müssen jedoch alle Durchflussmesser gewartet werden.
Primärelemente in Differenzdruck-Durchflussmessern erfordern umfangreiche Rohrleitungen, Ventile und Armaturen, wenn sie an ihre Sekundärelemente angeschlossen werden, sodass die Wartung in solchen Installationen ein wiederkehrender Aufwand sein kann. Impulsleitungen können verstopfen oder korrodieren und müssen gereinigt oder ersetzt werden. Eine ungeeignete Positionierung des Sekundärelements kann zu Messfehlern führen. Die Verlegung des Elements kann kostspielig sein.
Durchflussmesser mit beweglichen Teilen erfordern eine regelmäßige interne Inspektion, insbesondere wenn die zu messende Flüssigkeit verschmutzt oder viskos ist. Die Installation von Filtern vor solchen Geräten trägt dazu bei, Verschmutzungen und Verschleiß zu minimieren. Bei verstopfungsfreien Geräten, wie z. B. Ultraschall- oder elektromagnetischen Messgeräten, können Probleme mit den elektronischen Komponenten des Sekundärelements auftreten. Drucksensoren, die mit Sekundärelementen verbunden sind, sollten regelmäßig entfernt und überprüft werden.
Anwendungen, bei denen es zu Ablagerungen kommen kann, sind auch potenzielle Probleme für verstopfungsfreie Geräte wie magnetische oder Ultraschallgeräte. Wenn die Ablagerung isolierend ist, wird der Betrieb von magnetischen Durchflussmessern letztendlich beeinträchtigt, wenn die Elektroden von der Flüssigkeit isoliert sind. Dieser Zustand kann durch regelmäßige Reinigung verhindert werden. Bei Ultraschall-Durchflussmessern können sich die Brechungswinkel ändern, und die von der Ablagerung absorbierte Schallenergie führt dazu, dass das Messgerät nicht mehr funktioniert.
Was ist ein Anemometer und was misst es?
Verfasst von:
Dan Schultz
Veröffentlicht am: 17. April 2026