Ein Durchflussmesser mit variabler Fläche (Abbildung 1) ist eine Art von Differenzdruck-Durchflussmesser (d/p). Durchflussmesser mit variabler Fläche sind einfache und vielseitige Geräte, die bei einem relativ konstanten Druckabfall arbeiten und die Durchflussmessung von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf ermöglichen.
Abbildung 1: Eine Reihe von Designs für Durchflussmesser mit variabler Fläche Der Durchflussmesser mit variabler Fläche ist für die industrielle Durchflussanzeige beliebt, da er über eine lineare Skala, einen relativ großen Messbereich und einen geringen Druckabfall verfügt – und zudem recht einfach zu installieren und zu warten ist.
Durchflussmesser mit variabler Fläche funktionieren wie alle anderen Arten von Differenzdruck-Durchflussmessern nach dem Prinzip der Bernoulli-Gleichung, die besagt, dass mit zunehmendem Durchfluss einer Flüssigkeit ein Druckverlust auftritt.
Funktionsweise von Durchflussmessern mit variablem Durchflussbereich
Die Position des Inline-Schwimmers, Kolbens oder Flügels des Durchflussmessers mit variablem Durchflussbereich ändert sich, wenn die zunehmende Durchflussrate einen größeren Durchflussbereich für die strömende Flüssigkeit öffnet. Die Position des Schwimmers, Kolbens oder Flügels liefert eine direkte visuelle Anzeige der Durchflussrate. Zu den Konstruktionsvarianten gehören der Rotameter (ein Schwimmer in einem konischen Rohr), eine Kombination aus Blende und Rotameter (Bypass-Rotameter), ein offenes variables Ventil, ein konischer Stopfen sowie Flügel- oder Kolbenkonstruktionen.
Entweder die Schwerkraft oder eine Feder wird verwendet, um das Durchflusselement in seine Ruheposition zurückzubringen, wenn der Durchfluss nachlässt. Schwerkraftbetriebene Messgeräte (Rotameter) müssen in vertikaler Position installiert werden, während federbetriebene Messgeräte in jeder Position montiert werden können. Alle Durchflussmesser mit variabler Fläche sind mit lokalen Anzeigen erhältlich. Die meisten können auch mit Positionssensoren und Transmittern (pneumatisch, elektronisch, digital oder faseroptisch) zum Anschluss an Fernanzeigen oder -steuerungen ausgestattet werden.
Betrieb von Durchflussmessern mit variablem Querschnitt
Der Betrieb von Durchflussmessern mit variablem Querschnitt basiert auf dem Prinzip des variablen Querschnitts: Der Durchfluss der Flüssigkeit hebt einen Schwimmer in einem konischen Rohr an und vergrößert so den Durchflussquerschnitt. Je größer der Durchfluss, desto höher wird der Schwimmer angehoben. Die Höhe des Schwimmers ist direkt proportional zur Durchflussrate. Bei Flüssigkeiten wird der Schwimmer durch eine Kombination aus dem Auftrieb der Flüssigkeit und der Geschwindigkeitshöhe der Flüssigkeit angehoben. Bei Gasströmungen ist der Auftrieb vernachlässigbar und der Schwimmer reagiert nur auf die Geschwindigkeitshöhe. Der Schwimmer bewegt sich proportional zur Durchflussmenge und zum ringförmigen Bereich zwischen Schwimmer und Rohrwand im Rohr nach oben oder unten. Der Schwimmer erreicht eine stabile Position im Rohr, wenn die durch die strömende Flüssigkeit ausgeübte Aufwärtskraft der durch das Gewicht des Schwimmers ausgeübten Abwärtskraft entspricht. Eine Änderung der Durchflussmenge stört dieses Kräftegleichgewicht. Der Schwimmer bewegt sich dann nach oben oder unten und verändert den Ringraum, bis er wieder eine Position erreicht, in der die Kräfte im Gleichgewicht sind. Um die Kraftgleichung zu erfüllen, nimmt der Schwimmer des Durchflussmessers mit variablem Querschnitt für jede konstante Durchflussrate eine bestimmte Position ein. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Schwimmerdurchflussmesser aufgrund der Schwerkraftabhängigkeit der Schwimmerposition vertikal ausgerichtet und montiert werden müssen.
Spülstromregler
Wenn ein Nadelventil am Einlass oder Auslass eines Rotameters angebracht ist und ein d/p-Regler die Druckdifferenz über dieser Kombination regelt, entsteht ein Spülstromregler. Solche Instrumentierungspakete werden als eigenständige Spülstrommesser verwendet (Abbildung 2). Sie gehören zu den am häufigsten verwendeten Durchflussmessern und sind kostengünstig. Ihre Hauptanwendung ist die Steuerung kleiner Gas- oder Flüssigkeits-Spülströme. Sie werden verwendet, um Instrumente vor dem Kontakt mit heißen und korrosiven Flüssigkeiten zu schützen, Druckentnahmestellen vor Verstopfung zu schützen, die Sauberkeit optischer Geräte zu gewährleisten und elektrische Geräte vor Entzündung bei Kontakt mit brennbaren Stoffen zu schützen.
Abbildung 2: Aufbau eines Spülstrommessers Spülstrommesser sind sehr nützlich, um Stickstoffgas in den Dampfraum von Tanks und anderen Anlagen einzuleiten. Das Spülen mit Stickstoffgas verringert die Gefahr der Bildung einer brennbaren Mischung, da es brennbare Gase verdrängt. Der Spülstromregler ist zuverlässig, eigensicher und kostengünstig.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, können Spülstrommesser im Konstantstrommodus betrieben werden, wobei P 2 – P 0 bei einer Differenz von etwa 60 bis 80 in H 2 0 konstant gehalten wird. Bei Bubbler- und Spülanwendungen wird der Eingangsdruck (P1) konstant gehalten und der Ausgangsdruck (P 0) ist variabel. Abbildung 2 beschreibt eine Konfiguration, bei der der Ausgangsdruck (P 0) konstant gehalten wird und der Eingangsdruck (P 1) variabel ist.
Sie können extrem kleine Durchflussraten von 0,01 cm³/min für Flüssigkeiten und von 0,5 cm³/min für Gase verarbeiten. Die gängigste Größe ist ein Glasrohr-Rotameter mit 6-mm-Anschlüssen und einem Messbereich von 0,05 bis 0,5 gpm (0,2 bis 2,0 lpm) für Wasser oder 0,2 bis 2,0 scfm (0,3 bis 3,0 cmph) für Luft. Die typische Genauigkeit beträgt ±5 % FS über einen Messbereich von 10:1, und die gängigste Druckstufe ist 150 psig (1 MPa).
Rotameter
Das Rotameter ist aufgrund seiner geringen Kosten, Einfachheit, geringen Druckverluste, relativ großen Messbereichs und linearen Ausgabe das am häufigsten verwendete variable Durchflussmessgerät. Sein Betrieb ist einfach: Um durch das konische Rohr zu fließen, hebt die Strömung den Schwimmer an. Je größer die Strömung, desto höher wird der Schwimmer angehoben. Bei Flüssigkeiten steigt der Schwimmer aufgrund einer Kombination aus dem Auftrieb der Flüssigkeit und der Geschwindigkeitshöhe der Flüssigkeit. Bei Gasen ist der Auftrieb vernachlässigbar, und der Schwimmer reagiert hauptsächlich auf die Geschwindigkeitshöhe.
In einem Rotameter (Abbildung 1) ist das Messrohr vertikal montiert, wobei das schmale Ende unten liegt. Die zu messende Flüssigkeit tritt am unteren Ende des Rohrs ein, strömt nach oben um den Schwimmer herum und tritt oben wieder aus. Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, ruht der Schwimmer am Boden. Wenn Flüssigkeit eintritt, beginnt der Messschwimmer anzusteigen.
Der Schwimmer bewegt sich proportional zur Durchflussmenge der Flüssigkeit und zur ringförmigen Fläche zwischen Schwimmer und Rohrwand auf und ab. Wenn der Schwimmer steigt, vergrößert sich die ringförmige Öffnung. Mit zunehmender Fläche verringert sich der Differenzdruck über dem Schwimmer. Der Schwimmer erreicht eine stabile Position, wenn die durch die strömende Flüssigkeit ausgeübte Aufwärtskraft dem Gewicht des Schwimmers entspricht. Jede Schwimmerposition entspricht einer bestimmten Durchflussrate für eine bestimmte Dichte und Viskosität der Flüssigkeit. Aus diesem Grund muss der Rotameter für jede Anwendung entsprechend dimensioniert werden. Bei korrekter Dimensionierung kann die Durchflussrate durch Abgleichen der Schwimmerposition mit einer kalibrierten Skala an der Außenseite des Rotameters bestimmt werden. Viele Rotameter verfügen über ein eingebautes Ventil zur manuellen Einstellung des Durchflusses.
Für verschiedene Anwendungen sind mehrere Schwimmerformen erhältlich. Ein frühes Design hatte Schlitze, die den Schwimmer zur Stabilisierung und Zentrierung drehen ließen. Da sich dieser Schwimmer drehte, wurde der Begriff Rotameter geprägt.
Rotameter werden in der Regel mit Daten zur Kalibrierung und einer Skala zur direkten Ablesung für Luft oder Wasser (oder beides) geliefert. Um ein Rotameter für andere Anwendungen zu dimensionieren, muss zunächst der tatsächliche Durchfluss in einen Standarddurchfluss umgerechnet werden. Bei Flüssigkeiten entspricht dieser Standarddurchfluss dem Wasseräquivalent in gpm, bei Gasen entspricht der Standarddurchfluss dem Luftäquivalent in Standardkubikfuß pro Minute (scfm). Tabellen mit den Standardwerten für das Wasseräquivalent in gpm und/oder Luft in scfm werden von den Rotameter-Herstellern bereitgestellt. Die Hersteller bieten häufig auch Seitenlineale, Nomogramme oder Computersoftware für die Dimensionierung von Rotametern an.
Auswahl eines Durchflussmessers mit variablem Durchflussbereich: Ausführungsvarianten
Für Schwimmer, Dichtungen, O-Ringe und Endanschlüsse steht eine große Auswahl an Materialien zur Verfügung. Rotameter-Röhren für sichere Anwendungen wie Luft oder Wasser können aus Glas hergestellt werden, während sie für Anwendungen, bei denen ein Bruch zu einer unsicheren Situation führen würde, mit Metallröhren ausgestattet sind. Am häufigsten werden Glasröhren verwendet, die durch Präzision aus sicherheitsgeschütztem Borosilikatglas gefertigt sind. Schwimmer werden in der Regel aus Glas, Kunststoff, Metall oder Edelstahl gefertigt, um Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Weitere Materialien für Schwimmer sind Carboloy, Saphir und Tantal. Endstücke sind in Metall oder Kunststoff erhältlich. Einige Flüssigkeiten greifen das Glasmessrohr an, z. B. nasse Ströme oder Wasser mit einem pH-Wert über 194 °F (das Glas kann erweichen), Ätznatron (das Glas auflöst) und Flusssäure (das Glas ätzt).
Schwimmer haben eine scharfe Kante an der Stelle, an der der Messwert auf der am Rohr angebrachten Skala abgelesen werden soll. Für eine verbesserte Genauigkeit sollte ein Glasrohr-Rotameter auf Augenhöhe installiert werden. Die Skala kann für die direkte Ablesung von Luft oder Wasser kalibriert werden oder den Messbereich anzeigen. Im Allgemeinen können Glasrohr-Rotameter Durchflüsse von bis zu etwa 60 gpm Wasser und 200 scfh Luft messen.
Ein Korrelationsrotameter verfügt über eine Skala, von der ein Messwert abgelesen wird (Abbildung 1). Dieser Messwert wird dann mit einer Korrelationstabelle für ein bestimmtes Gas oder eine bestimmte Flüssigkeit verglichen, um den tatsächlichen Durchfluss in technischen Einheiten zu erhalten. Korrelationstabellen sind für Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Helium, Argon und Kohlendioxid leicht verfügbar. Ein Korrelationsmessgerät ist zwar nicht annähernd so praktisch wie ein Direktablesegerät, aber dafür genauer. Das liegt daran, dass ein Direktablesegerät nur für ein bestimmtes Gas oder eine bestimmte Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck genau ist. Ein Korrelationsdurchflussmesser kann mit einer Vielzahl von Flüssigkeiten und Gasen unter verschiedenen Bedingungen verwendet werden. Im selben Rohr können durch die Verwendung unterschiedlicher Schwimmer unterschiedliche Durchflussraten gemessen werden.
Kleine Glasrohr-Rotameter eignen sich für Drücke bis zu 500 psig, aber der maximale Betriebsdruck eines großen Rohrs (2 Zoll Durchmesser) kann nur 100 psig betragen. Die praktische Temperaturgrenze liegt bei etwa 400 °F, aber ein Betrieb bei so hohen Temperaturen verringert den Betriebsdruck des Rohrs erheblich. Im Allgemeinen besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Betriebstemperatur und Druck. Glasrohr-Rotameter werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen mehrere Gas- oder Flüssigkeitsströme gleichzeitig gemessen oder in einem Verteiler gemischt werden oder bei denen eine einzelne Flüssigkeit durch mehrere Kanäle abgeleitet wird (Abbildung 3). Mit Mehrfachrohr-Durchflussmessern können bis zu sechs Rotameter in einem Rahmen montiert werden.
Abbildung 3: Mehrrohr-Rotameter-Station Der Betrieb eines Rotameters im Vakuum ist auch möglich. Wenn das Rotameter über ein Ventil verfügt, muss dieses am Auslass oben am Messgerät angebracht werden. Für Anwendungen, die einen großen Messbereich erfordern, kann ein Doppelkugel-Rotameter verwendet werden. Dieses Gerät verfügt über zwei Kugelflotten: eine leichte Kugel (in der Regel schwarz) zur Anzeige niedriger Durchflussmengen und eine schwere Kugel (in der Regel weiß) zur Anzeige hoher Durchflussmengen. Die schwarze Kugel wird abgelesen, bis sie den Skalenendwert erreicht, dann wird die weiße Kugel abgelesen. Ein solches Gerät hat einen schwarzen Messbereich von 235 bis 2.350 ml/min und einen weißen Messbereich bis 5.000 ml/min.
Für höhere Drücke und Temperaturen, die über den praktischen Bereich von Glas hinausgehen, können Rotameter mit Metallrohren verwendet werden. Diese Rohre bestehen in der Regel aus Edelstahl, und die Position des Schwimmers wird durch Magnetfolger mit Anzeigen außerhalb des Messrohrs erfasst.
Rotameter mit Metallrohr können für heiße und starke Laugen, Fluor, Flusssäure, heißes Wasser, Dampf, Schlämme, Sauergas, Additive und geschmolzene Metalle verwendet werden. Sie können auch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen hohe Betriebsdrücke, Wasserschläge oder andere Kräfte Glasrohre beschädigen könnten. Rotameter mit Metallrohr sind in Durchmessern von 3/8 Zoll bis 4 Zoll erhältlich, können bei Betriebsdrücken bis zu 750 psig und Temperaturen bis zu 540 °C (1.000 °F) betrieben werden und können Durchflüsse von bis zu 4.000 gpm Wasser oder 1.300 scfm Luft messen. Rotameter mit Metallrohr sind als Durchflusstransmitter für die Integration in analoge oder digitale Fernsteuerungen erhältlich. Transmitter erfassen die Schwimmerposition in der Regel über eine magnetische Kopplung und sind häufig mit einer externen Anzeige in Form einer drehbaren Magnetwendel ausgestattet, die den Zeiger bewegt. Der Transmitter kann eigensicher und mit einem Mikroprozessor gesteuert sein und mit Alarmkontakten und einem Impulsausgang für die Summierung ausgestattet werden.
Rotameter mit Kunststoffrohr sind kostengünstige Rotameter, die sich ideal für Anwendungen mit korrosiven Flüssigkeiten oder entionisiertem Wasser eignen.
Genauigkeit
Laborrotameter können auf eine Genauigkeit von 0,50 % AR über einen Messbereich von 4:1 kalibriert werden, während die Ungenauigkeit von Industrierotamern typischerweise 1-2 % FS über einen Messbereich von 10:1 beträgt. Die Fehler von Spül- und Bypass-Rotameter liegen im Messbereich von 5 %.
Rotameter können zur manuellen Einstellung der Durchflussraten verwendet werden, indem die Ventilöffnung angepasst und gleichzeitig die Skala beobachtet wird, um die erforderliche Prozessdurchflussrate festzulegen. Wenn die Betriebsbedingungen unverändert bleiben, können Rotameter mit einer Wiederholbarkeit von 0,25 % der tatsächlichen Durchflussrate eingesetzt werden.
Die meisten Rotameter sind relativ unempfindlich gegenüber Viskositätsschwankungen. Am empfindlichsten sind sehr kleine Rotameter mit Kugelschwimmern, während größere Rotameter weniger empfindlich auf Viskositätseffekte reagieren. Die Einschränkungen der einzelnen Ausführungen werden vom Hersteller veröffentlicht (Abbildung 4). Die Form des Schwimmers hat Einfluss auf die Viskositätsgrenze. Wenn die Viskositätsgrenze überschritten wird, muss der angezeigte Durchfluss um die Viskosität korrigiert werden.
Abbildung 4: Maximale Geschwindigkeit des Rotameters Da der Schwimmer empfindlich auf Änderungen der Flüssigkeitsdichte reagiert, kann ein Rotameter mit zwei Schwimmern (einer für die Dichte, der andere für die Geschwindigkeit) ausgestattet und zur Annäherung an den Massenstrom verwendet werden. Je genauer die Dichte des Schwimmers der Dichte der Flüssigkeit entspricht, desto größer ist der Einfluss einer Änderung der Flüssigkeitsdichte auf die Position des Schwimmers. Massendurchfluss-Rotameter eignen sich am besten für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität wie Rohzuckersaft, Benzin, Düsentreibstoff und leichte Kohlenwasserstoffe.
Die Genauigkeit des Rotameters wird durch die Konfiguration der vorgeschalteten Rohrleitungen nicht beeinträchtigt. Das Messgerät kann auch direkt nach einem Rohrbogen installiert werden, ohne dass dies die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Rotameter sind von Natur aus selbstreinigend, da die Flüssigkeit beim Durchfließen zwischen der Rohrwand und dem Schwimmer eine reinigende Wirkung hat, die die Ansammlung von Fremdstoffen verhindert. Dennoch sollten Rotameter nur für saubere Flüssigkeiten verwendet werden, die den Schwimmer oder das Rohr nicht beschichten. Flüssigkeiten mit faserigen Materialien, Schleifmitteln und großen Partikeln sollten ebenfalls vermieden werden.
Omega-Durchflussmesser mit variablem Durchflussbereich
Glasrohr-Durchflussmesser mit variabler Durchflussmenge
Der grundlegende Durchflussmesser mit variabler Durchflussmenge ist der Glasrohr-Durchflussmesser. Das Rohr ist durch Präzision aus Borosilikatglas gefertigt, und der Schwimmer ist präzise aus Metall, Glas oder Kunststoff gefertigt. Die Skala des Messgeräts kann für die direkte Ablesung von Luft oder Wasser kalibriert werden, oder es kann eine Skala zum Ablesen eines Prozentsatzes des Messbereichs oder eine beliebige Skala zur Verwendung mit Umrechnungsgleichungen oder -tabellen haben. Sicherheitsgeschützte Glasrohr-Durchflussmesser mit variablem Durchflussbereich werden in der Industrie allgemein zur Messung von Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt.
Metallrohr-Durchflussmesser
Metallrohr-Durchflussmesser werden für Anwendungen eingesetzt, bei denen hoher Betriebsdruck, ein hoher Messbereich, Wasserschläge oder andere Kräfte Glasmessrohre beschädigen würden. Metallrohr-Durchflussmesser können für die meisten Flüssigkeiten verwendet werden, einschließlich korrosiver Flüssigkeiten und Gase. Sie eignen sich besonders gut für Dampfanwendungen, bei denen Glasrohre nicht verwendet werden können.
Variable Durchflussmesser mit Kunststoffrohr
Kunststoffrohre werden aufgrund ihrer geringeren Kosten und hohen Schlagfestigkeit in einigen Durchflussmessern mit variablem Querschnitt verwendet. Sie bestehen in der Regel aus Polycarbonat und sind mit Endstücken aus Metall oder Kunststoff ausgestattet. Bei Endstücken aus Kunststoff muss bei der Installation darauf geachtet werden, dass die Gewinde nicht verformt werden. Für Anwendungen, bei denen metallische benetzte Teile nicht toleriert werden können, wie z. B. bei entionisiertem Wasser oder korrosiven Medien, sind Durchflussmesser in Vollkunststoffausführung erhältlich.
Andere Arten von Durchflussmessern mit variabler Fläche
Die größten Nachteile des Rotameters sind seine relativ hohen Kosten bei größeren Größen und die Notwendigkeit, ihn vertikal zu installieren (möglicherweise ist nicht genügend Platz vorhanden). Die Kosten für die Installation eines großen Rotameters können durch die Verwendung eines Bypass-Stutzens oder eines Pitotrohr in Kombination mit einem kleineren Rotameter reduziert werden. Der Bypass-Rotameter gleicher Größe kann zur Messung einer Vielzahl von Durchflüssen verwendet werden, wobei der einzige Unterschied zwischen den Anwendungen in der Blende und der von ihr erzeugten Differenz besteht.
Zu den Vorteilen eines Bypass-Rotameters gehören die geringen Kosten; sein Hauptnachteil ist die Ungenauigkeit und Empfindlichkeit gegenüber Ablagerungen von Materialien. Bypass-Rotameter sind häufig mit Absperrventilen ausgestattet, sodass sie für die Wartung entfernt werden können, ohne die Prozessleitung stilllegen zu müssen.
Konische Durchflussmesser sind Durchflussmesser mit variablem Querschnitt, die über einen feststehenden Kern und einen Kolben verfügen, der sich mit der Durchflussmenge bewegt. Bei einer Ausführung bewegt die Kolbenbewegung mechanisch einen Zeiger, während bei einer anderen Ausführung eine externe Durchflussanzeige magnetisch bewegt wird. Die zweite Ausführung verfügt über ein Metallgehäuse für Anwendungen bis zu 1.000 psig.
Ein Durchflussmesser mit variablem Querschnitt vom Typ Gate ähnelt einer Absperrklappe. Der Durchfluss durch den Durchflussmesser zwingt eine federbelastete Flügelradscheibe zur Drehung, und eine mechanische Verbindung sorgt für eine lokale Durchflussanzeige. Die Ungenauigkeit solcher Messgeräte beträgt 2–5 % FS. Das Messgerät kann für Öl, Wasser und Luft verwendet werden und ist in Größen bis zu 4 Zoll erhältlich. Es wird auch als anzeigender Durchfluss-Schalter in Systemen zur Sicherung der Sicherheit verwendet.
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