Durchflussmesser

Aufbau Kompakt- und getrennte Version (Sensor + Transmitter)

Ein Durchflussmesser ist ein Messgerät gemäß der grundlegenden Norm DIN 1319.^[1]. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten, dem eigentlichen Messaufnehmer, der als Durchflusssensor dient, und einem Auswerte- und Speiseteil, das auch als Transmitter oder Messumformer bezeichnet wird.

Zwei markante Konstruktionen sind die räumlich vom Aufnehmer getrennten Messumformer und die räumlich mit dem Aufnehmer verbundenen Kompaktgeräte.

Bestandteile Durchflussmesser

Messaufnehmer

Der Sensor ist ein technisches Bauteil des Durchflussmessers, der bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B.: Temperatur, Druck, Schall, Beschleunigung, Drehzahl etc. und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann.

Transmitter

Diese Größen des Sensors werden dann in sogenannten Wandlern (engl. transducer) (Transmitter, Messumformer) in andere Werte umgewandelt und in weiterverarbeitbare Größen (meist elektrische Signale) umgewandelt und ausgegeben. Über den Transmitter (Messumformer) wird auch in der Regel der Messwertaufnehmer (Sensor) gespeist.

Als Standardausgänge der Transmitter steht mindestens ein analoger 0-20-mA-, 4-20-mA- oder 0-10-V-Ausgang zur Verfügung. Darüber hinaus werden Spannungs- und Frequenz- bzw. Impulsausgänge als Optionen verwendet. Die meistens Transmitter verfügen heute über mehrere Statusein- und -ausgänge. Transmitter mit Schnittstellen und Bussystemen, wie z. B. RS232, PROFIBUS, DeviceNet oder HART-Kommunikation, gehören mittlerweile zum Standard industriellen Messtechnik und Prozessautomatisierung. Einige Hersteller bieten auch besondere Funktionen an, wie zum Beispiel die Ausgabe des Volumenstroms oder der Feststoffkonzentration. Auch Chargendosierung oder PID-Regelung sind möglich.

Einsatzgebiete

Durchflussmesser werden in den Bereichen Wasser und Abwasser, Chemie und Petrochemie, Öl und Gas, Energie- und Dampferzeugung, Pharma, Papier und Zellstoff sowie Nahrungs- und Genussmittel eingesetzt und decken zahlreiche branchenspezifische Anwendungen ab.

Aufgliederung der Durchflussmesser

Einteilungsschema der Durchflussmesser

Die Durchflussmessung ist nach Temperatur und Druck und Kraft die wichtigste Größe der industriellen Messtechnik und eine der Grundlage der Prozessautomatisierung.

Prinzipielle Messverfahren

Die Messverfahren der Durchflussmessung für die Messung und Automation industrieller Prozesse (FCI) unterscheiden sich durch:

• 1. mechanisch-volumetrische Verfahren
• 2. Wirkdruck-/Stauverfahren
• 3. thermische Verfahren
• 4. akustische Verfahren
• 5. magnetisch-induktive Verfahren
• 6. optische Verfahren
• 7. gyroskopische Verfahren

Unterscheidung Zähler und Durchflussmessung

Die Begriffe Zähler (Zählung) und Durchflussmesser (Messung) bezeichnen trotz ihrer Ähnlichkeit nicht dasselbe. Zählen ist die Erfassung einer Menge innerhalb eines beliebigen Zeitabschnittes, Messen jedoch das Erfassen der Menge in der Zeiteinheit (wie zum Beispiel: Volumenstrom; Volumendurchfluss).

Zähler sind daher nur auf ein Mengenmaß kalibriert wie zum Beispiel in Liter. Der Zeiger eines Zählers oder auch ein Rollenzählwerk (wie z. B. beim Kilometerzähler) läuft immer in der gleichen Richtung weiter. Der Zeiger eines Durchflussmessers jedoch pendelt je nach Durchfluss der Skala hin und her, welche in l/s, l/min oder m³/h ausgegeben werden kann.

In zahlreichen Anwendungen gibt es Zähler und Durchflussmesser. Zähler werden zum Zählen oder Festhalten zum Beispiel von in Pumpwerken geförderten oder an die Verbraucher gelieferten Wassermengen verwendet. Die Zähleranzeige bildet somit die Grundlage für die Berechnung der Wasserlieferung. Die Differenz zwischen einer vorherigen und einer neuen Ablesung des Zählers stellt den Verbrauch dar, der mit dem Preis der Mengeneinheit vervielfacht wird, um den Rechnungsbetrag für den Wasserkunden zu ermitteln.

Durchflussmesser werden da eingebaut, wo die Momentanabgabe im Rohrnetz erfasst werden soll oder in Anlagen der industriellen Messtechnik und der Prozessautomatisierung, deren Durchfluss kontrolliert und weiter verarbeitet werden soll. Schließlich sind Kombinationen von Durchflussmessern mit Zählern möglich. Der kombinierte Apparat zeigt in diesem Falle sowohl den Momentandurchfluß als auch die durchgeflossene Menge an. Beispiel: Woltmannzähler oder auch Flügelradzähler und Flügelrad-Durchflussmesser

Mechanisch-volumetrische Durchflussmessverfahren

Mechanisch-volumetrische Durchflussmessverfahren teilen sich in zwei Gruppen auf: in unmittelbare Volumenzähler und mittelbare Volumenzähler

Unmittelbare Volumenzähler

Unmittelbare Volumenzähler haben bekannte Volumina und werden kontinuierlich mit Messmedium gefüllt und geleert. Messerfassung durch Zählen der Füllungen und/oder Leerungen.

Auslaufzähler

Die Auslaufzähler enthalten feste Kammerwände und Messgut läuft drucklos aus Messkammer aus (nicht für Messung von Gasen geeignet).

Verdrängungszähler

Beim Verdrängungszähler wird das Messgut durch bewegliche Messkammerwände verdrängt (für Flüssigkeiten und Gase geeignet).

Mittelbare Volumenzähler

Mittelbare Volumenzähler haben keine Messkammern, indirekte Volumenmessung zum Beispiel: durch Messung des Weges bzw. der Geschwindigkeit des Volumenstromes.

Einteilung Durchfluss- und Mengenmessgeräte (Anwendungen)

Bei der Messung und Automation industrieller Prozesse (FCI) werden zwei Anwendungs-Hauptgruppen unterschieden:

• 1. Durchfluss- und Mengenmessgeräte in geschlossener Rohrleitung
• 2. Durchfluss- und Mengenmessgeräte offene Gerinne und Freispiegelleitung

1. Durchfluss- und Mengenmessung in geschlossenen Rohrleitungen

Die Durchfluss- und Mengenmessung in geschlossenen Rohrleitungen (Druckleitungen) umfasst ein umfangreiches Gebiet unterschiedlichster Verfahren und physikalischer Methoden und Effekte, die zur jeweiligen Messung genutzt werden können und werden in folgende Untergruppen unterteilt: Durchflussmesser und Mengenmesser/Volumenzähler.

Durchflussmesser

werden in folgende Untergruppen unterteilt: Volumendurchfluss und Massedurchfluss.

Volumendurchfluss

• Schwebekörper-Durchflussmesser
• Magnetisch Induktive Durchflussmesser (MID)
• Ultraschall-Durchflussmesser (USD)

Wirkdruck Messverfahren

• Messblende
• Staudrucksonde (Annubar-Prinzip)
• Staudrucksonde

Massendurchfluss

• Coriolis Massedurchflussmesser (CMD)
• Vortex-Massedurchflussmesser Kurzbezeichnung: VDM
• Thermische Massedurchflussmesser

Mengenmesser Volumenzähler

Diese Gruppe wird in mittelbare und unmittelbare unterteilt:

Mittelbare

Mittelbare Volumenzähler

keine Messkammern, indirekte Volumenmessung z. B. durch Messung des Weges bzw. der Geschwindigkeit des Stromes

• Turbinenrad-Durchflussmesser
• Flügelradzähler
• Woltmannzähler
• Schraubenradzähler

Wirbel- und Dralldurchflussmesser

Für beide Durchflussmesser gilt die Funktion, trifft ein strömendes Medium auf ein Hindernis, bilden sich Druckschwankungen im Medium, die zu Wirbelablösungen an diesem Hindernis führen. Dieses Phänomen machen sich Wirbel- und Drall-Durchflussmesser zunutze. Über geometrisch definierte Hindernisse Wirbel- oder Drallkörper werden Wirbelablösungen im Durchflussmesser erzeugt und deren Frequenz mit einem Sensor erfasst. Daraus wird präzise und zuverlässig der Durchfluss in Flüssigkeiten, Gasen und Dampf bestimmt.

• Vortex-Durchflussmesser (VDM)
• Drall-Durchflussmesser (DDM)

Unmittelbare

Unmittelbare Auslaufzähler

enthalten feste Kammerwände, Messgut läuft drucklos aus Messkammer aus (nicht für Messung von Gasen geeignet) Volumenzähler mit festen Kammerwänden (Auslaufzähler) ist zum Beispiel der Trommelzähler

• größte Bedeutung unter Auslaufzählern
• gestattet auch Messung stark verschmutzter Flüssigkeiten
• geringer Druckverlust
• Medium sollte nicht zu große Viskosität besitzen, damit Messgut schnell genug entleert werden kann
• Genauigkeiten bis zu 0,1 % erreichbar (Fehlerkurve von Oberflächenspannung der Flüssigkeit ab)

Unmittelbare Verdrängungszähler

Messgut wird durch bewegliche Messkammerwände verdrängt (für Flüssigkeiten und Gase geeignet). Volumenzähler mit beweglichen Kammerwänden (Verdrängungszähler) sind

• Balgenzähler
• Ovalradzähler Volumenmessung von Flüssigkeiten und Flüssiggasen in der chemischen und petrochemischen Industrie, in der Mineralölindustrie und im Bereich Nahrungs- und Genussmittel

• Ringkolbenzähler
• Drehkolbenzähler
• Kolbenzähler
• Treibschieberzähler

2. Durchfluss- und Mengenmessgeräte bei offenen Gerinnen und Freispiegelleitungen

Venturi-Kanalmesser

Die Bezeichnung Venturi-Kanal soll in diesem Artikel als Sammelbegriff für alle hydraulisch wirkenden Messrinnen, wie Venturi-Rinnen, Parshall-Rinne, Palmer-Bowlus-Rinne etc., dienen. Die bei Abwasserbehandlungsanlagen vorhandenen Venturi-Rinnen haben fast immer rechteckige Querschnitte.

• Venturi-Durchflussmessung

Rechteck- und Dreieckwehre

Magnetisch-induktive Durchflussmesser

• Magnetisch Induktive Durchflussmesser (Kurzbezeichnung MID)

Magnetisch-induktive Durchflussmesser, die nach dem Prinzip der Geschwindigkeitsmessung in einem bekannten Fließquerschnitt arbeiten (wobei durch Vollfüllung des Rohres dafür gesorgt wird, dass der Fließquerschnitt vorgegeben und konstant ist), waren bis vor einiger Zeit nicht für den direkten Einsatz in teilgefüllten Leitungen geeignet. Neue Entwicklungen der magnetisch-induktiven Durchflussmesser für Teilfüllung durch eingebaute Teilmengenerfassung, Leerrohrdetektion und deren Messgenauigkeit ermöglichen heute den Einsatz bei solchen Anwendungen. Es entfallen somit für den Anwender aufwendige Überleitungen von Freispiegelströmung in Druckrohrströmung und zurück.

Normen und Richtlinien

Europäische Messgeräterichtlinie MI-001

Die erste Measuring Instruments Directives mit der Nummer 001 bezieht sich auf die EU-weite Richtlinie für sogenannte Kaltwasser-Zähler die für die Messung im geschäftlichen Verkehr (früher als eichpflichtig benannt). Sie wurde April 2004 in Brüssel beschlossen und muss bis Ende Oktober 2006 in den Mitgliedstaaten ratifiziert sein. Nationale Ausnahmen sind jedoch möglich, verbieten aber alternative Regelungen.

Die MI-001 basiert im Wesentlichen auf der EN 14154 und ISO 4064, die bis heute als das Standardregelwerk für die Wasserindustrie und alle zuständigen Behörden gelten. Es gab verschiedene Novellierungen mit unterschiedlichen Klassifizierungen für die Messgenauigkeit und Anforderungen bezüglich der Selbstkontrolle.

Die neuen Ausgaben aus dem Jahre 2005 sind aber fast deckungsgleich mit der MI-001. Die alten Regelungen werden für eine Übergangszeit von 10 Jahren parallel zur MI-001 Gültigkeit haben.

Quellen

• Rüdiger Settelmeyer: Prozessautomatisierung - Vom Feldgerät zur Automatisierungslösung. Christiani, Konstanz 2007, ISBN 978-3-86522-305-0.
• DIN 19 559 Teile 1 und 2, Durchflussmessung von Abwasser in offenen Gerinnen und Freispiegelleitungen.
• H.-B. Horlacher, H.-J. Lüdecke: Strömungsberechnung für Rohrsysteme. expert Verlag, Renningen 2006, ISBN 3-8169-2448-4.
• Kalorimetrische Messungen. TU-Braunschweig (PDF-Datei)
• Durchflussmessung für industrielle Anwendungen. Uni-Rostock (PDF-Datei; 79 kB)

Literatur

• Karl W. Bonfig: Technische Durchflußmessung. Vulkan Verlag, Essen 2002, ISBN 3-8027-2190-X.
• J. Mutschmann, F. Stimmelmayr: Taschenbuch der Wasserversorgung. Vieweg Verlag, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0012-1.
• Durchfluss. In: T. Dose: Hydrometrie – hydrologisches und meteorologisches Messwesen. Bergische Universität Wuppertal, S. 22. (PDF Datei 198 kB)

Einzelnachweise

1. ↑ DIN 1319-1:1995-01, Grundlagen der Meßtechnik - Teil 1: Grundbegriffe, Beuth Verlag, Berlin.