Ein Wirbelzähler ist eine Art Volumenstrommesser, der sich ein natürliches Phänomen zunutze macht, das auftritt, wenn eine Flüssigkeit um ein stumpfes Objekt herumfließt. Wirbelzähler arbeiten nach dem Prinzip der Wirbelablösung, bei dem Wirbel (oder Strudel) abwechselnd stromabwärts des Objekts abgelöst werden. Die Frequenz der Wirbelablösung ist direkt proportional zur Geschwindigkeit der durch den Zähler fließenden Flüssigkeit.
Wirbelzähler eignen sich am besten für Durchflussmessungen, bei denen der Einsatz beweglicher Teile Probleme bereitet. Sie sind in Industriequalität, aus Messing oder vollständig aus Kunststoff erhältlich. Die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Prozessbedingungen ist gering, und da sie keine beweglichen Teile enthalten, ist der Verschleiß im Vergleich zu anderen Durchflussmessertypen relativ gering.
Geschichte der Wirbelablösung
Theodor von Karman entdeckte beim Angeln in den Gebirgsbächen der Transsilvanischen Alpen, dass sich ein nicht stromlinienförmiges Objekt (auch als stumpfer Körper bezeichnet) in einem schnell fließenden Strom sich die Flüssigkeit abwechselnd an den beiden stromabwärts gelegenen Seiten des Objekts ablöst und, wenn sich die Grenzschicht ablöst und sich zurückrollt, die Flüssigkeit Wirbel bildet (auch Strudel oder Whirlpools genannt). 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 bluff body, auf der sich der Wirbel bildet, ist die Strömungsgeschwindigkeit höher und der Druck niedriger. Während sich der Wirbel stromabwärts bewegt, nimmt er an Stärke und Größe zu und löst sich schließlich ab oder wird abgestoßen. Anschließend bildet sich auf der anderen Seite des bluff body ein Wirbel (Abbildung 1). Die abwechselnden Wirbel sind in gleichen Abständen angeordnet.
Abbildung 1: Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit mit einem Wirbelzähler Das Wirbelablösungsphänomen kann beobachtet werden, 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 entstehen auch an Brückenpfeilern, Pfählen, Stützen von Offshore-Bohrplattformen und hohen Gebäuden. Die durch das Wirbelabrissphänomen verursachten Kräfte müssen bei der Konstruktion dieser Bauwerke berücksichtigt werden. In einem geschlossenen Rohrleitungssystem wird der Wirbeleffekt innerhalb weniger Rohrdurchmesser stromabwärts des Störkörpers dissipiert und verursacht keinen Schaden.
Konstruktion von Wirbel-Durchflussmessern
Ein Wirbel-Durchflussmesser 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 2). Sie sind in der Regel in Flanschgrößen von ½ Zoll bis 12 Zoll erhältlich. Die Kosten der Installation von Wirbelzählern sind mit denen von Blendenmessgeräten in Größen unter sechs Zoll vergleichbar. Wafer-Körper-Messgeräte (flanschlos) sind am kostengünstigsten, während Flanschmessgeräte bevorzugt werden, wenn die Prozessflüssigkeit gefährlich ist oder eine hohe Temperatur aufweist.
Abbildung 2: Wirbelerkennungs-Sensor Es wurde mit verschiedenen Formen (quadratisch, rechteckig, T-förmig, trapezförmig) und Abmessungen von Blöckerkörpern 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 Blöckchens abhängen. Was die Größe betrifft, muss das Blöckchen eine Breite haben, die einen ausreichend großen Anteil des Rohrdurchmessers ausmacht, damit die gesamte Strömung an der Ablösung beteiligt ist. Zweitens muss das Blöckchen an der stromaufwärtigen Seite hervorstehende Kanten haben, um die Strömungsablösungslinien unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit zu fixieren. Drittens muss die Länge des Blöckchens in Strömungsrichtung ein bestimmtes Vielfaches der Breite des Blöckchens betragen.
Heute verwenden die meisten Wirbelzähler piezoelektrische oder kapazitive Sensoren, um die Druckschwingungen um das Blöckchen 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 und können 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.
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 Durchflussempfindlichkeit) bieten. Außerdem sind sie weniger empfindlich gegenüber Rohrvibrationen. Das Gehäuse der Elektronik enthält in der Regel Eigenschaften zur Explosion- und Wetterfestigkeit und enthält das elektronische Transmitter-Modul, Anschlüsse und optional eine Durchflussanzeige und/oder einen Zähler.
Arten von Wirbel-Durchflussmessern
Intelligente Wirbel-Durchflussmesser liefern ein digitales Ausgangssignal, das mehr Informationen als nur die Durchflussrate enthält. Der Mikroprozessor im Durchflussmesser kann automatisch Korrekturen vornehmen, wenn die Rohrstrecke nicht ausreichend gerade ist, wenn Unterschiede zwischen dem Bohrungsdurchmesser und dem Durchmesser des Gegenrohrs bestehen, wenn es zu einer thermischen Ausdehnung des Blöckerkörpers kommt und wenn sich der K-Faktor ändert, wenn die Reynolds-Zahl unter 10.000 fällt.
Intelligente Transmitter sind außerdem mit Diagnosesubroutinen ausgestattet, die Komponenten- oder andere Fehler melden. Intelligente Transmitter können Testroutinen starten, um Probleme sowohl mit dem Messgerät als auch mit den Anwendungen zu identifizieren. Diese On-Demand-Tests können auch bei der ISO 9000-Verifizierung helfen.
Einige Wirbel-Durchflussmesser können den Massenstrom erfassen. Eine solche Konstruktion misst gleichzeitig sowohl die Wirbelfrequenz als auch die Wirbelimpulsstärke. Aus diesen Messwerten kann die Dichte der Prozessflüssigkeit bestimmt und der Massenstrom auf 2 % der Spanne genau berechnet werden.
Ein anderes Design ist mit mehreren Sensoren ausgestattet, um nicht nur die Wirbelfrequenz, sondern auch die Temperatur und den Druck der Prozessflüssigkeit zu erfassen. Anhand dieser Daten werden sowohl die Dichte als auch der Massenstrom bestimmt. Dieses Messgerät bietet eine Genauigkeit von 1,25 % bei der Messung des Massenstroms von Flüssigkeiten und eine Genauigkeit von 2 % bei Gasen und Dampf. Wenn die Kenntnis des Prozessdrucks und der Temperatur aus anderen Gründen von Bedeutung ist, bietet dieses Messgerät eine bequeme und kostengünstigere Alternative zur Installation separater Transmitter.
Genauigkeit und Messbereichsverstellbarkeit
Da die Reynolds-Zahl mit steigender Viskosität sinkt, verschlechtert sich die Messbereichsverstellbarkeit von Wirbelströmungsmessgeräten mit 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 jeweilige Anwendung richtig dimensioniert wurde.
Die Ungenauigkeit der meisten Wirbelzähler beträgt 0,5–1 % 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 messende Mindestdurchfluss mindestens doppelt so hoch ist wie der Abschaltdurchfluss, stellt dies kein Problem dar. Andererseits kann es dennoch ein Nachteil sein, wenn während des Anfahrens, Abschaltens oder anderer Störungszustände Informationen über niedrige Durchflussraten benötigt werden.
Anwendungen und Einschränkungen
Wirbelzähler werden in der Regel nicht für Dosieranwendungen oder andere Anwendungen mit intermittierendem Durchfluss empfohlen. Der Grund dafür ist, dass die Tropf-Durchflusseinstellung der Dosierstation unter die minimale Reynolds-Zahl des Messgeräts fallen kann. Je kleiner die Gesamtcharge ist, desto größer ist wahrscheinlich der resultierende Fehler.
Gase mit niedrigem Druck (geringer Dichte) erzeugen keinen ausreichend starken Druckimpuls, insbesondere wenn die Strömungsgeschwindigkeiten niedrig sind. Daher ist es wahrscheinlich, dass in solchen Anwendungen die Messbereichsfähigkeit des Messgeräts schlecht ist und niedrige Durchflüsse nicht messbar sind. Wenn hingegen eine reduzierte Messbereichsverteilung akzeptabel ist und der Durchflussmesser für normale Durchflüsse richtig dimensioniert ist, kann der Wirbelzähler dennoch in Betracht gezogen werden.
Wenn die Prozessflüssigkeit dazu neigt, sich auf dem Wirbelkörper abzulagern oder anzusammeln, wie dies bei Schlamm- und Schlämmdurchflüssen der Fall ist, verändert dies letztendlich den K-Faktor des Durchflussmessers. Wirbel-Durchflussmesser werden für solche Anwendungen nicht empfohlen. Wenn eine verschmutzte Flüssigkeit jedoch nur mäßige Mengen an nicht beschichtenden Feststoffen enthält, ist die Anwendung wahrscheinlich akzeptabel. Dies wurde durch einen zweijährigen Test mit Kalksteinaufschlämmung nachgewiesen. Am Ende des Tests stellte sich heraus, dass sich der K-Faktor gegenüber der ursprünglichen Werkskalibrierung nur um 0,3 % verändert hatte, obwohl der Blöckerkörper und das Durchflussrohr stark zerkratzt und verrostet waren.
Bei der Messung von Mehrphasenströmungen (Feststoffpartikel in Gas oder Flüssigkeit; Gasblasen in Flüssigkeit; Flüssigkeitströpfchen in Gas) sinkt die Genauigkeit des Wirbelzählers, da das Messgerät nicht zwischen den Phasen unterscheiden kann. Nasser, minderwertiger Dampf ist eine solche Anwendung: Die flüssige Phase sollte homogen im Dampf verteilt sein, und vertikale Strömungslinien sollten vermieden werden, um ein Slugging zu verhindern. Bei einer horizontalen Rohrleitung bewegt sich die flüssige Phase wahrscheinlich am Boden der Rohrleitung, weshalb der Innenbereich der Rohrleitung am Boden offen gehalten werden sollte. Dies kann durch die horizontale Installation des Blöckerkörpers erreicht werden. Die Messungenauigkeit bei solchen Anwendungen beträgt etwa 5 % des tatsächlichen Durchflusses, jedoch mit guter Wiederholbarkeit.
Der permanente Druckverlust durch einen Wirbelzähler beträgt etwa die Hälfte des Druckverlusts einer Blende, also etwa zwei Geschwindigkeitsdrücke. (Ein Geschwindigkeitsdruck ist definiert als V2/g, wobei V die Strömungsgeschwindigkeit und g die Gravitationskonstante in konsistenten Einheiten ist.) Wenn das Rohr und der Durchflussmesser richtig dimensioniert und gleich groß sind, beträgt der Druckabfall wahrscheinlich nur wenige psi. Eine Verkleinerung (Installation eines Durchflussmessers, das kleiner ist als die Rohrleitung) zur Erhöhung der Reynolds-Zahl kann jedoch den Druckverlust auf mehr als 10 psi erhöhen. Es sollte auch sichergestellt werden, dass der Druck in der Vena contracta nicht unter den Dampfdruck der Prozessflüssigkeit fällt, da dies zu Kavitation führen würde. Wenn der Gegendruck am Messgerät unter dem Dampfdruck liegt, verdampft die Prozessflüssigkeit natürlich, und die Messwerte sind nicht mehr aussagekräftig.
Die Hauptvorteile von Wirbelzählern sind ihre geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Prozessbedingungen und ihr geringer Verschleiß im Vergleich zu Blenden- oder Turbinenmessgeräten. Außerdem sind die Kosten für Anschaffung und Wartung gering. Aus diesen Gründen finden sie bei den Anwendern zunehmend Akzeptanz.
Empfehlungen zur Installation
Bei der Installation eines Wirbelzählers in einem bestehenden Prozess, bei dem der Messbereich nicht bekannt ist, empfiehlt es sich, zunächst einige ungefähre Messungen durchzuführen (mit tragbaren Pitotrohren oder aufsteckbaren Ultraschallgeräten). Andernfalls kann nicht garantiert werden, dass ein Strömungsmesser mit Leitungsgröße überhaupt funktioniert.
Der Strömungsmesser erfordert ein gut entwickeltes und symmetrisches Strömungsgeschwindigkeitsprofil, das frei von Verzerrungen oder Wirbeln ist. Dies erfordert die Verwendung von geraden Rohrleitungen stromaufwärts und stromabwärts, um die Strömung zu konditionieren. Die gerade Rohrlänge muss die gleiche Größe wie der Durchflussmesser haben (Abbildung 3) und ihre Länge sollte in etwa der Länge entsprechen, die für eine Blenden-Installation mit einem Beta-Verhältnis von 0,7 erforderlich ist. Die meisten Hersteller von Wirbel-Durchflussmessern empfehlen mindestens 30 Rohrdurchmesser stromabwärts von Regelventilen und 3 bis 4 Rohrdurchmesser zwischen dem Durchflussmesser und den stromabwärts gelegenen Druckentnahmestellen. Temperaturfühler sollten klein sein und sich 5 bis 6 Durchmesser stromabwärts befinden.
Abbildung 3: Installationsempfehlungen Bei etwa der Hälfte aller Wirbelzählerinstallationen müssen überdimensionierte Prozessleitungen durch konzentrische Reduzierstücke und Expander „verengt” werden. Selbst wenn Strömungsgleichrichter installiert sind, sind dennoch einige gerade (Entspannungs-)Leitungen erforderlich.
Wirbelzähler können vertikal, horizontal oder in jedem beliebigen Winkel installiert werden, sofern sie geflutet bleiben. Der Zähler kann geflutet bleiben, indem er in einer vertikalen Aufwärtsströmungsleitung installiert wird (Abbildung 3-B). Bei der Installation des Durchflussmessers in einer Abwärtsströmung (Abbildung 3-C) oder einer horizontalen Strömung (Abbildung 3-D) sollte die stromabwärts gelegene Rohrleitung erhöht bleiben. Rückschlagventile können verwendet werden, um die Rohrleitung bei fehlendem Durchfluss mit Flüssigkeit zu füllen. Absperr- und Umgehungsventile sind erforderlich, wenn der Austausch des Sensors in einer bestimmten Konstruktion das Anhalten des Durchflusses und das Öffnen des Prozesses erfordert.
Die Gegenflansche (an den Gegenrohrleitungen der Klasse 40 oder Klasse 80) müssen denselben Durchmesser und dieselbe glatte Bohrung wie der Durchflussmesser haben. Verschweißbare Flansche sind vorzuziehen, Reduzierflansche sollten nicht verwendet werden. Die Innenfläche der Gegenleitung sollte auf einer Länge von 4 Durchmessern stromaufwärts und 2 Durchmessern stromabwärts des Messgeräts frei von Walzzunder, Vertiefungen, Löchern, Reibspuren und Unebenheiten sein. Die Bohrungen des Messgeräts, die Dichtungen und die angrenzenden Rohrleitungen müssen sorgfältig ausgerichtet werden, um Hindernisse oder Stufen zu vermeiden.
Übermäßige Rohrvibrationen können durch Abstützen der Rohrleitungen auf beiden Seiten des Messgeräts oder durch Drehen des Messgeräts beseitigt werden, sodass der Sensor aus der Vibrationsebene herausbewegt wird. Prozessgeräusche aufgrund von Ventilflattern, Kondensatableitern oder Pumpen können zu hohen Messwerten oder Messwerten ungleich Null bei Null-Durchfluss führen. Bei den meisten Messgeräten kann die Einstellung des Filters erhöht werden, jedoch verringert eine stärkere Rauschunterdrückung in der Regel auch die Empfindlichkeit des Messgeräts bei geringem Durchfluss. Eine Möglichkeit besteht darin, das Messgerät an einen weniger geräuschintensiven Ort im Prozess zu verlegen.
Dimensionierung und Messbereich
Die Wirbelablösungsfrequenz ist direkt proportional zur Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Rohrleitung und damit zum Volumenstrom. Die Ablösungsfrequenz ist unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit wie Dichte, Viskosität, Leitfähigkeit usw., außer dass der Durchfluss turbulent sein muss, damit eine Wirbelablösung stattfinden kann. Die Beziehung zwischen Wirbelfrequenz und Strömungsgeschwindigkeit 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 ermittelt 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). 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 stumpfe Körper ähnlich.
Abbildung 4: Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit mit einem Wirbelzähler 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 von dem Störkörper 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 festgelegt, 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 für alle anderen Flüssigkeiten. Der Kalibrierungsfaktor (K) bei moderaten Reynolds-Zahlen ist unempfindlich gegenüber Kantenschärfe oder anderen dimensionalen Veränderungen, die sich auf quadratische Blendenmessgeräte 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, mit der der Benutzer die Eigenschaften der Flüssigkeit (Dichte, Viskosität und gewünschter Messbereich) eingibt und das Programm automatisch die Größe des Messgeräts berechnet.
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. Ein typisches 2-Zoll-Wirbelmessgerät hat beispielsweise einen Wasserdurchflussbereich von 12 bis 230 gpm. Wenn sich die Dichte oder Viskosität der Flüssigkeit von der von Wasser unterscheidet, ändert sich der Messbereich des Messgeräts.
Um Messrauschen zu minimieren, ist es wichtig, einen Messgerät zu wählen, der 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.
Was ist ein Anemometer und was misst es?
Verfasst von:
Dan Schultz
Veröffentlicht am: 17. April 2026