Turbinen-Durchflussmesser sind eine Art von Geschwindigkeitsdurchflussmessern, die in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen – darunter Luft- und Raumfahrt, Kryotechnik und eichpflichtiger Verkehr – für hohe Genauigkeit bei Messungen weit verbreitet sind. Der im 18. Jahrhundert von Reinhard Woltman erfundene Turbinen-Durchflussmesser ist sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase zuverlässig einsetzbar. Er besteht aus einem mehrflügeligen Rotor, der im rechten Winkel zum Flüssigkeitsstrom angebracht ist und auf einem frei laufenden Lager im Flüssigkeitsstrom aufgehängt ist. Der Durchmesser des Rotors ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Messkammer, und seine Drehzahl ist proportional zum Volumenstrom. Die Turbinenrotation kann durch Halbleiterbauelemente (Reluktanz-, Induktivitäts-, kapazitive und Hall-Effekt-Sensoren) oder durch mechanische Sensoren (Zahnrad- oder Magnetantriebe) erfasst werden.
Beim Reluktanzgeber ist die Spule ein Permanentmagnet und die Turbinenschaufeln bestehen aus Materialien, die von Magneten angezogen werden. Wenn jede Schaufel die Spule passiert, wird in der Spule eine Spannung erzeugt (Abbildung 1-A). Jeder Impuls steht für ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen. Die Anzahl der Impulse pro Volumeneinheit wird als K-Faktor des Messgeräts bezeichnet.
Abbildung 1: Erzeugung des Turbinenströmungssignals Bei der Induktionserfassung ist der Permanentmagnet in den Rotor eingebettet oder die Rotorblätter bestehen aus permanent magnetisierten Materialien (Abbildung 1-B). Wenn jedes Blatt die Spule passiert, erzeugt es einen Spannungsimpuls. Bei einigen Konstruktionen ist nur ein Blatt magnetisch, und der Impuls entspricht einer vollständigen Umdrehung des Rotors.
Die Ausgänge von Reluktanz- und induktiven Aufnahmespulen sind kontinuierliche Sinuswellen, deren Impulsfolgefrequenz proportional zur Durchflussrate ist. Bei niedrigen Durchflussraten kann die Ausgangsleistung (die Höhe des Spannungsimpulses) in der Größenordnung von 20 mV Spitze-Spitze liegen. Es ist nicht ratsam, ein so schwaches Signal über große Entfernungen zu übertragen. Daher muss der Abstand zwischen dem Aufnehmer und der zugehörigen Anzeigeelektronik oder dem Vorverstärker kurz sein.
Kapazitive Sensoren erzeugen eine Sinuswelle, indem sie ein HF-Signal erzeugen, das durch die Bewegung der Rotorblätter amplitudenmoduliert wird. Anstelle von Aufnehmerspulen können auch Hall-Effekt-Transistoren verwendet werden. Diese Transistoren ändern ihren Zustand, wenn sie einem sehr schwachen Magnetfeld (in der Größenordnung von 25 Gauss) ausgesetzt sind.
Bei diesen Turbinen-Durchflussmessern sind sehr kleine Magnete in die Spitzen der Rotorblätter eingebettet. Rotoren bestehen in der Regel aus nichtmagnetischen Materialien wie Polypropylen, Ryton oder PVDF (Kynar). Das Ausgangssignal eines Hall-Effekt-Sensors ist eine Rechteckimpulsfolge mit einer Frequenz, die proportional zum Volumenstrom ist.
Da Hall-Effekt-Sensoren keinen magnetischen Widerstand haben, können sie bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten (0,2 ft/sec) betrieben werden als magnetische Aufnehmer (0,5-1,0 ft/sec). Darüber hinaus liefert der Hall-Effekt-Sensor ein Signal mit hoher Amplitude (typischerweise eine 10,8-V-Rechteckwelle), wodurch Entfernungen von bis zu 3.000 ft zwischen dem Sensor und der Elektronik ohne Verstärkung möglich sind.
In der Wasserverteilungsbranche sind mechanisch angetriebene Turbinen-Durchflussmesser vom Typ Woltman weiterhin der Standard. Diese Turbinenmessgeräte verwenden ein Getriebe, um die Drehung des Rotors in die Drehung einer vertikalen Welle umzuwandeln. Die Welle verläuft zwischen dem Messrohr und dem Zählwerk durch eine mechanische Stopfbuchse und dreht eine mechanische Zählwerkbaugruppe, um die Durchflussrate anzuzeigen und einen mechanischen Totalisatorzähler zu betätigen.
In jüngerer Zeit hat die Wasserverteilungsbranche einen Magnetantrieb als Verbesserung gegenüber den wartungsintensiven mechanisch angetriebenen Turbinenmessgeräten eingeführt. Dieser Zählertyp verfügt über eine Dichtungsscheibe zwischen der Messkammer und dem Zählwerk. Auf der Seite der Messkammer dreht die vertikale Welle einen Magneten anstelle eines Zahnrads. Auf der Seite des Zählwerks ist ein Gegenmagnet angebracht, um das Zahnrad zu drehen. Dadurch kann ein vollständig abgedichtetes Zählwerk mit einem mechanischen Antriebsmechanismus verwendet werden.
In den Vereinigten Staaten legt die AWWA die Standards für Turbinen-Durchflussmesser fest, die in Wasserverteilungssystemen verwendet werden. Die Norm C701 sieht zwei Klassen (Klasse I und Klasse II) von Turbinen-Durchflussmessern vor. Turbinen-Durchflussmesser der Klasse I müssen bei der Prüfung zwischen 98 und 102 % der tatsächlichen Durchflussmenge bei maximalem Durchfluss anzeigen. Turbinen-Durchflussmesser der Klasse II müssen zwischen 98,5 und 101,5 % der tatsächlichen Durchflussmenge anzeigen. Sowohl Durchflussmesser der Klasse I als auch der Klasse II müssen über mechanische Zählerwerke verfügen.
Halbleiter-Aufnehmer sind weniger anfällig für mechanischen Verschleiß als Messgeräte der Klassen I und II der AWWA.
Varianten in Design und Konstruktion
Die meisten industriellen Turbinen-Durchflussmesser werden aus austenitischem Edelstahl (301, 303, 304SS) hergestellt, während Turbinen-Durchflussmesser für die kommunale Wasserversorgung aus Bronze oder Gusseisen bestehen. Die Materialien für Rotor und Lager werden entsprechend der Prozessflüssigkeit und der Anwendung ausgewählt. Rotoren werden häufig aus Edelstahl hergestellt, Lager aus Graphit, Wolframkarbid, Keramik oder in besonderen Fällen aus synthetischem Rubin oder Saphir in Kombination mit Wolframkarbid. In allen Fällen sind Lager und Wellen so konstruiert, dass sie minimale Reibung und maximale Verschleißfestigkeit bieten. Einige korrosionsbeständige Ausführungen werden aus Kunststoffmaterialien wie PVC hergestellt.
Kleine Turbinenzähler werden oft als Barstock-Turbinen bezeichnet, da sie in den Größen 3/4 Zoll bis 3 Zoll aus sechseckigem Edelstahl-Barstock gefertigt werden. Die Turbine ist durch ein Lager zwischen zwei Aufhängungsbaugruppen aufgehängt, die auch zur Konditionierung des Durchflusses dienen. Diese Konstruktion eignet sich für hohen Druck (bis zu 5.000 psig).
Ähnlich wie ein Pitotrohr-Differenzdruck-Durchflussmesser ist der Einsteckturbinenmesser ein Punktgeschwindigkeitsmessgerät. Er ist so konzipiert, dass er entweder in eine Flüssigkeits- oder eine Gasleitung bis zu einer Tiefe eingeführt wird, in der der Rotor mit kleinem Durchmesser die Durchschnittsgeschwindigkeit in der Leitung misst. Da sie sehr empfindlich auf das Geschwindigkeitsprofil des strömenden Mediums reagieren, müssen sie an mehreren Punkten entlang des Strömungswegs profiliert werden.
Einsteck-Turbinenmessgeräte können für Gasanwendungen (kleiner, leichter Rotor) oder für Flüssigkeiten (größerer Rotor, wassergeschmierte Lager) ausgelegt sein. Sie werden häufig in Rohrleitungen mit großem Durchmesser eingesetzt, in denen die Installation eines Messgeräts in voller Größe zu kostspielig wäre. Sie können über ein Ventilsystem in bestehende Rohrleitungen (6" oder größer) eingebaut werden, ohne dass der Prozess unterbrochen werden muss. Die typische Genauigkeit eines Einsteckturbinenmessers beträgt 1 % FS, und die Mindestströmungsgeschwindigkeit liegt bei etwa 0,2 ft/sec.
Genauigkeit von Turbinenmessern
Abbildung 2 zeigt eine typische Kalibrierungskurve für Turbinenmesser, die das Verhältnis zwischen Durchfluss und K-Faktor (Impulse/Gallone) beschreibt. Die Genauigkeit von Turbinenmessgeräten wird in der Regel in Prozent der tatsächlichen Durchflussrate (% AR) angegeben. Dieses spezielle Messgerät hat eine Linearitätstoleranz von ±0,25 % über einen Messbereich von 10:1 und eine Linearität von ±0,15 % in einem Messbereich von 6:1. Die Wiederholbarkeit liegt zwischen ±0,2 % und ±0,02 % über den linearen Bereich.
Abbildung 2: Typische Kalibrierungskurve eines Turbinen-Durchflussmessers Da es bei der Herstellung zu geringfügigen Abweichungen kommen kann, werden alle Turbinen-Durchflussmesser vor dem Versand kalibriert. Der resultierende K-Faktor in Impulsen pro Volumeneinheit variiert innerhalb der angegebenen Linearitätsspezifikation. Es ist jedoch möglich, mehrere K-Faktoren für verschiedene Bereiche des Messbereichs zu registrieren und bei Änderungen des gemessenen Durchflusses elektronisch zwischen diesen zu wechseln. Natürlich gilt der K-Faktor nur für die Flüssigkeit, für die der Zähler bei der Kalibrierung verwendet wurde.
Turbinenrad-Durchflussmesser aus Stangenmaterial sind in der Regel über einen Messbereich von 10:1 linear bis ±0,25 % AR. Die Linearität größerer Messgeräte beträgt ±0,5 % AR über einen Messbereich von 10:1. Turbinenmessgeräte weisen eine typische Nichtlinearität (die Turbinenmessgeräte-Beule, siehe Abbildung 2) im unteren Bereich von 25-30 % ihres Messbereichs auf. Wenn der minimale Durchflusswert über diesem Bereich gehalten wird, ist eine Linearität von ±0,15 % bei kleinen und ±0,25 % bei größeren Turbinenmessgeräten möglich. Wenn der Messbereich von 10:1 nicht ausreicht, können einige Turbinen-Durchflussmesser einen Messbereich von bis zu 100:1 bieten, wenn die Genauigkeit auf 1 % des Skalenendwerts (FS) reduziert wird.
Dimensionierung und Auswahl
Turbinenmessgeräte sollten so dimensioniert werden, dass der erwartete durchschnittliche Durchfluss zwischen 60 % und 75 % der maximalen Kapazität des Messgeräts liegt. Wenn das Rohr überdimensioniert ist (mit einer Strömungsgeschwindigkeit unter 1 ft/sec), sollte man einen Hall-Effekt-Aufnehmer wählen und ein Messgerät verwenden, das kleiner als die Rohrgröße ist. Durchflussgeschwindigkeiten unter 1 ft/sec können unzureichend sein, während Geschwindigkeiten über 10 ft/sec zu übermäßigem Verschleiß führen können. Die meisten Turbinenmessgeräte sind für maximale Geschwindigkeiten von 30 ft/sec ausgelegt.
Turbinen-Durchflussmesser sollten für einen Druckabfall zwischen 3 und 5 psid bei maximalem Durchfluss dimensioniert werden. Da der Druckabfall mit dem Quadrat der Durchflussrate zunimmt, führt die Verkleinerung des Messgeräts auf die nächstkleinere Größe zu einem erheblichen Anstieg des Druckabfalls.
Die Viskosität beeinflusst die Genauigkeit und Linearität von Turbinenmessgeräten. Daher ist es wichtig, das Messgerät für die spezifische Flüssigkeit zu kalibrieren, die gemessen werden soll. Die Wiederholbarkeit wird im Allgemeinen nicht stark durch Änderungen der Viskosität beeinflusst, und Turbinenmessgeräte werden häufig zur Steuerung des Durchflusses viskoser Flüssigkeiten verwendet. Im Allgemeinen funktionieren Turbinenmessgeräte gut, wenn die Reynolds-Zahl größer als 4.000 und kleiner oder gleich 20.000 ist.
Da sie die Viskosität beeinflusst, kann auch die Temperaturänderung die Genauigkeit beeinträchtigen und muss kompensiert oder kontrolliert werden. Der Messbereich der Betriebstemperatur des Turbinenmessgeräts reicht von -200 bis 450 °C (-328 bis 840 °F).
Dichteänderungen haben keinen großen Einfluss auf Turbinenmessgeräte. Bei Flüssigkeiten mit geringer Dichte (SG < 0,7) erhöht sich die Mindestdurchflussmenge aufgrund des reduzierten Drehmoments, aber die Genauigkeit des Messgeräts wird in der Regel nicht beeinträchtigt.
Installation und Zubehör
Turbinenmessgeräte reagieren empfindlich auf die Geometrie der stromaufwärts gelegenen Rohrleitungen, die Wirbel und Strömungswirbel verursachen können. Die Spezifikationen sehen 10 bis 15 Durchmesser gerade Rohrleitung vor dem Messgerät und fünf Durchmesser gerade Rohrleitung hinter dem Messgerät vor. Bei Vorhandensein einer der folgenden Hindernisse vor dem Messgerät sind jedoch mehr als 15 Durchmesser gerade Rohrleitung erforderlich.
- 20 diameters for 90° elbow, tee, filter, strainer, or thermowell
- 25 diameters for a partially open valve; and
- 50 or more diameters if there are two elbows in different planes or if the flow is spiraling or corkscrewing.
Um diese Anforderungen an die gerade Rohrleitung zu reduzieren, werden Richtlamellen installiert. Rohrbündel oder radiale Lamellenelemente werden als externe Strömungsrichter verwendet, die mindestens 5 Durchmesser stromaufwärts des Messgeräts angebracht sind (Abbildung 3).
Abbildung 3: Strömungsgleichrichter reduzieren gerade Rohrstrecken Unter bestimmten Bedingungen kann der Druckabfall über die Turbine zu Flash- oder Kavitationserscheinungen führen. Ersteres führt zu hohen Messwerten, letzteres zu Schäden am Rotor. Um dies zu verhindern, muss der Druck stromabwärts auf einem Wert gehalten werden, der dem 1,25-fachen des Dampfdrucks plus dem doppelten Druckabfall entspricht. Geringe Mengen an Lufteinschlüssen (100 mg/l oder weniger) führen nur zu leicht erhöhten Messwerten, während große Mengen den Rotor zerstören können.
Turbinenmessgeräte können auch durch Feststoffe beschädigt werden, die in der Flüssigkeit mitgeführt werden. Wenn die Menge der suspendierten Feststoffe 100 mg/l mit einer Größe von +75 Mikrometern überschreitet, muss mindestens 20 Durchmesser des geraden Abschnitts vor dem Durchflussmesser ein Spül-Y-Filter oder ein motorisierter Patronenfilter installiert werden.
Neue Entwicklungen
Flüssigkeitsturbinen mit zwei Rotoren erhöhen den Messbereich in Anwendungen mit kleinen Leitungsdurchmessern (unter 2 Zoll). Die beiden Rotoren drehen sich in entgegengesetzte Richtungen. Der vordere Rotor fungiert als Konditionierer und leitet den Durchfluss zum hinteren Rotor. Die Rotoren werden hydraulisch arretiert und drehen sich weiter, auch wenn der Durchfluss auf sehr niedrige Werte abfällt.
Die Linearität eines Turbinenmessers wird durch das Geschwindigkeitsprofil (oft durch die Installation vorgegeben), die Viskosität und die Temperatur beeinflusst. Es ist nun möglich, komplexe Linearisierungsfunktionen in den Vorverstärker eines Turbinen-Durchflussmessers zu integrieren, um diese Nichtlinearitäten zu reduzieren. Darüber hinaus ermöglichen Fortschritte in der Feldbustechnologie eine kontinuierliche Neukalibrierung von Turbinen-Durchflussmessern, wodurch Änderungen der Temperatur und Viskosität korrigiert werden können.
Durchflussrechner sind in der Lage, Linearitäten, automatische Temperaturkompensationen, Chargenabwicklungen, Berechnungen des BTU-Gehalts, Messdatenerfassung und Speichervorgänge mehrerer K-Faktoren durchzuführen. Der Chargenregler wird auf das gewünschte Zielvolumen eingestellt und beendet die Charge, wenn sein Zähler auf Null heruntergezählt hat. Solche Pakete sind mit Tropfstrom-, Vorwarn- oder Tropfenabschaltkreisen ausgestattet. Unabhängig davon, ob sie über einen Relaiskontakt oder eine Rampenfunktion arbeiten, dienen diese Funktionen dazu, Spritzer oder Überfüllungen zu minimieren und die Dosierung genau zu beenden.
Gasturbinen- und Shunt-Messgeräte
Gaszähler kompensieren das geringere Antriebsdrehmoment, das durch die relativ geringe Dichte von Gasen entsteht. Dieser Ausgleich wird durch sehr große Rotornaben, sehr leichte Rotorbaugruppen und eine größere Anzahl von Rotorblättern erreicht. Gasturbinen-Durchflussmesser sind in Größen von 2" bis 12" und mit Durchflussraten von bis zu 150.000 ft3/h erhältlich. Bei Betrieb mit erhöhtem Gasdruck (1.400 psig) kann bei größeren Messgeräten ein Messbereich von 100:1 erreicht werden. Unter niedrigeren Druckbedingungen beträgt der typische Messbereich 20:1 mit einer Linearität von ±1 %. Die Mindestanforderung an die gerade Rohrleitung vor dem Messgerät beträgt 20 Rohrdurchmesser.
Shunt-Durchflussmesser werden im Gas- und Dampfbetrieb eingesetzt. Sie bestehen aus einer Blende in der Hauptleitung und einer Rotorbaugruppe im Bypass. Diese Messgeräte sind in Größen ab 2 Zoll erhältlich und haben eine Genauigkeit von ±2 % über einen Messbereich von 10:1.
Andere Rotationsdurchflussmesser
Andere Arten von Rotationsdurchflussmessern sind Propeller- (Flügelrad), Shunt- und Schaufelradkonstruktionen.
Propellerzähler werden häufig in Bewässerungs- und Wasserverteilungssystemen mit großem Durchmesser (über 4") eingesetzt. Ihr Hauptvorteil ist der niedrige Preis, ihr Nachteil die geringe Genauigkeit (Abbildung 4-A). Die AWWA-Norm C-704 legt das Kriterium für die Genauigkeit von Propellerzählern auf 2 % des Messwerts fest. Propellerzähler haben einen Messbereich von etwa 4:1 und zeigen eine sehr schlechte Leistung, wenn die Geschwindigkeit unter 1,5 ft/sec fällt. Die meisten Propellerzähler sind mit mechanischen Zählwerken ausgestattet. Die Anforderungen hinsichtlich mechanischem Verschleiß, Ausrichtung und Wartung sind die gleichen wie bei Turbinenzählern.
Abbildung 4: Konstruktionen von Rotationsdurchflussmessern Paddelrad-Durchflussmesser verwenden einen Rotor, dessen Drehachse parallel zur Durchflussrichtung verläuft (Abbildung 4-B). Die meisten Schaufelrad-Durchflussmesser haben Rotoren mit flachen Schaufeln und sind von Natur aus bidirektional. Einige Hersteller verwenden jedoch gekrümmte Rotoren, die sich nur in Vorwärtsrichtung drehen. Für kleinere Rohre (1/2" bis 3") sind diese Durchflussmesser nur mit fester Einbautiefe erhältlich, während für größere Rohrgrößen (4" bis 48") einstellbare Einbautiefen verfügbar sind. Durch den Einsatz von kapazitiv gekoppelten Aufnehmern oder Hall-Effekt-Sensoren wird der Messbereich von Paddelradzählern auf den Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten von 0,3 ft/sec erweitert.
Niedrigdurchflussmesser (in der Regel kleiner als 1 Zoll) verfügen über eine kleine Düsenöffnung, die die Flüssigkeit auf ein Peltonrad spritzt. Durch Variieren des Durchmessers und der Form der Düsenöffnung wird der erforderliche Durchflussbereich erreicht und ein Durchflussmesser mit einer Genauigkeit von 1 % FS und einem Messbereich von 100:1 bereitgestellt. Eine höhere Genauigkeit kann durch Kalibrierung des Messgeräts und Verringerung seines Messbereichs erreicht werden. Aufgrund der geringen Größe der Düsenöffnung können diese Messgeräte nur für saubere Flüssigkeiten verwendet werden und verursachen einen Druckabfall von etwa 20 psid. Zu den Konstruktionsmaterialien gehören Polypropylen, PVDF, TFE und PFA, Messing, Aluminium und Edelstahl.
Was ist ein Anemometer und was misst es? Einleitung zur Messung der Luftgeschwindigkeit