In Kühlanwendungen und Rohren mit großen Nennweiten stellt die Überwachung der Strömungsgeschwindigkeit sowie der Durchflussmenge eine wichtige Aufgabe dar. Als robustes und zuverlässiges Verfahren bieten sich hier Strömungswächter an, die nach dem so genannten kalorimetrischen Messprinzip arbeiten. Dabei entscheidet die Position der Sensoren in der Rohrleitung über die Zuverlässigkeit der Durchflussüberwachung.
Das kalorimetrische Messverfahren basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung in Flüssigkeiten und Gasen. Ein Körper höherer Temperatur gibt an seine Umgebung Energie in Form von Wärme ab. Die Höhe der Energieabgabe ist abhängig von der Temperaturdifferenz, der thermischen Leitfähigkeit und dem Massefluss des vorhandenen Mediums. Die Sensoren arbeiten nach dem sog. CP-Verfahren (Constant Power). Zwei Temperatursensoren sind in den Messkopf montiert. Einer der Sensoren ist dabei sehr eng mit einem zusätzlichen Heizwiderstand gekoppelt, der mit konstanter Heizleistung versorgt und somit auf eine höhere Temperatur als die Mediumstemperatur gebracht wird. In Abhängigkeit von der durch den Massefluss abtransportierten Wärmemenge stellt sich eine Übertemperatur am Heizwiderstand gegenüber der umgebenden Mediumstemperatur ein. Diese Übertemperatur stellt dann ein Maß für den Massestrom bzw. die Geschwindigkeit des Mediums dar.
Die interne Auswerteelektronik verarbeitet das originäre Sensorsignal und stellt einen Vergleich mit dem vom Anwender eingestellten Schaltpunkt an. Mittels Transistorausgang oder Relaiskontakt wird dem Anwender oder der übergeordneten Steuerung ein entsprechendes Ausgangssignal zur Verfügung gestellt, um z.B. eine Störung oder einen Alarmzustand in der Anlage zu melden.
Geräte, die nach diesem thermischen Prinzip funktionieren, arbeiten in den Rohrleitungen als so genannte Punktsensoren. Dies bedeutet, dass repräsentativ von der Strömungsgeschwindigkeit, die am eigentlichen Sensorelement herrscht, auf eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung geschlossen werden muss.
Problem Schaltpunkteinstellung
Häufig ist es für den Anlagenplaner nicht möglich, die für die Messstelle geforderten Einlauf- und Auslaufstrecken von wenigstens 20 x DN bzw. 5 x DN (DN = Nennweite in mm) einzuhalten. Dies bedeutet, dass je nach Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an der Position des Sensors kein lineares, sondern ein turbulentes Strömungsprofil anzutreffen ist.
Des Weiteren ist es oft schwierig, Standard-sensoren mit kurzem Einschraubmesskopf weit genug in die Strömung einzubringen, da der Montageflansch, ein großer Rohrdurchmesser oder eine dicke Isolierung um die Rohrleitung dies verhindern. Damit ist die Schaltpunkteinstellung der Strömungsüberwachung oft ein schwieriges Unterfangen.
In den meisten Kühlkreisläufen ist zudem immer damit zu rechnen, dass sich die Temperatur des Mediums von ursprünglich 10 °C beim Anfahren der Anlage auf z. B. 80 °C im Dauerbetrieb erhöht. Die Temperaturdrift des Schaltpunktes bei einer Änderung der Mediumstemperatur stellt hier ein wesentliches Kriterium für die Betriebssicherheit der Anlage dar. Diese Temperaturdrift ist bei einem thermischen Messverfahren immer gegeben. Daher ist es von Vorteil, den eigentlichen Sensor weit in die Rohrleitung hineinragen zu lassen, damit die prozentuale Änderung des Schaltpunktes bei Temperaturschwankungen (z.B. 0,5 % pro °C) eine geringere Auswirkung hat.
Zuverlässige Überwachung des Mediums
Mit dem kompakten Flowswitch FS20 und dem langen Einschiebemesskopf MKV, passend für Strömungswächter SW119, SFW209 oder SW201, erweitert E-T-A die Sensorikpalette für alle Anwendungen in größeren Nennweiten ab DN 65 sowie in Kühlanlagen mit dickwandiger Isolierung.
Diese Strömungswächter und Strömungsmesssysteme arbeiten nach dem kalorimetrischen Messprinzip und haben damit keine mechanisch bewegten Teile. Sie sind praktisch verschleiß- und wartungsfrei, eine Beeinträchtigung des Mediums ist ausgeschlossen.
Die besonderen Merkmale des FS20-Strömungswächters sind neben der langen Messkopf-Bauform (300 mm) die Temperaturbandbreite von -25 bis +100 °C für den Einsatz in flüssigen und gasförmigen Medien. Die Auswerteelektronik ist dabei Platz sparend im Edelstahlmesskopf (WSt.-Nr. 1.4571) integriert.
Der elektrische Anschluss erfolgt servicefreundlich mit einem 3-poligen M12-Steckverbinder nach IEC 947. Als Versorgungsspannung wird 24V (DC) benötigt. Wahlweise lässt sich ein Strömungsgrenzwert – entweder ein Min- oder ein Max-Wert – überwachen. Den gewünschten Schaltpunkt kann der Anwender dem jeweiligen Medium entsprechend stufenlos über ein Potenziometer einstellen. Für die Signalisierung bietet das Gerät einen kurzschlussfesten Schaltausgang mit einem Power-Mosfet, der einen Dauerstrom von max. 500 mA tragen kann. Zwei Leuchtdioden signalisieren die Betriebszustände direkt am Gerät. Eine Unterbrechung der Betriebsspannung, zum Beispiel bei Drahtbruch der Versorgungsleitung, wird wie ein Strömungsfehler gemeldet. Eine weitere Stärke des thermischen Messprinzips liegt im recht guten Dynamikbereich. Die Einstellwerte des Schaltpunktes können sich bei Flüssigkeiten (Wasser, Öl etc.) im Geschwindigkeitsbereich zwischen 1 cm/s bis 4,5 m/s bewegen, bei gasförmigen Medien sind hier Werte zwischen 0,5 bis 50 m/s möglich.
Der variable Einschiebemesskopf MKV kommt zusammen mit den Strömungswächtern SW119, SFW209 und SW201 zum Einsatz. Der Einbau des MKV erfolgt, genau wie die Installation des FS20, mit Hilfe einer Edelstahl-Schneidringverschraubung. Diese wird einfach in einen ¾“-Stutzen eingeschraubt, der vorher auf das Rohr aufgeschweißt oder eingeklebt wurde. Dann erfolgt das Einschieben des Messkopfes in die Verschraubung und das Platzieren im Innenbereich der Rohrleitung, in der eine signifikante Strömungsgeschwindigkeit des Mediums vorherrscht. Jetzt muss nur noch die komplette Schneidring-verschraubung entsprechend der Einbauvorschriften festgezogen werden. Die ganze Konstruktion erlaubt einen Nenndruck von 25 bar in der Rohrleitung. Hier sollte der MKV-Sensor allerdings mit einer Sicherungskette fest mit dem Rohr verbunden werden, damit auch bei Druckleitungen nichts passieren kann. An den MKV-Messkopf wird ein passendes Messkopfkabel angeschlossen und mit der entsprechenden Auswerteelektronik SW119/SFW209 oder SW201 verbunden.
Diese Geräte sind in Ausführung für die Versorgungsspannungen 24V (AC/DC), 230V (AC) und 120V(AC) verfügbar und beinhalten je nach Ausführung einen potenzialfreien Relaiskontakt bzw. einen unlinearen Trendausgang 0/4…20mA. Eine Drahtbruchüberwachung zwischen Messkopf MKV und der Auswerteelektronik wird bei den Geräten SFW209 und SW201 dem Anwender ebenfalls zur Verfügung gestellt. Nach dem vorschriftsgemäßen Einbau und dem Einjustieren des Schaltpunktes steht dann der zuverlässigen Überwachung des Mediums nichts mehr im Weg.
cav 477
SPS/IPC/DRIVES 2005
AMA Fachverband für Sensorik e.V.
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