Ein junges Messprinzip wird 100

Jasmin Reineck, Janus Slotwinski

Von Beginn an überzeugte der Rotameter durch seine konstruktive Einfachheit: Ein Schwebekörper wird in einem konisch geformten Glasrohr angehoben und seine Position an einer Skalierung auf dem Glas als Durchflusswert abgelesen. Die spezielle Form des Schwebekörpers verursacht dessen Rotation, welche Selbststabilisierung gewährleistet und damit die Genauigkeit wesentlich verbessert.

Felix Meyer, Gründer der Deutschen Rotawerke, hatte die Bedeutung des von Karl Küppers entwickelten Schwebekörper-Durchflussmessers sofort erkannt. Eine erste und bis heute gebräuchliche Anwendung für Rotameter ist ihr Einsatz in Narkosegeräten, wobei mit ihnen der Gasdurchfluss kontrolliert wird. Der Original-Rotameter, nach wie vor von Rota Yoko- gawa in Deutschland für den weltweiten Markt produziert, ist seither vielgestaltiger geworden. Bereits seit den 50er-Jahren gibt es neben den Glasgeräten die robusten Rotameter aus Metall, bei denen durch eine magnetische Kopplung die Lage des Schwebekörpers auf ein Anzeigeteil mit Durchflussskala übertragen wird.

Im Laufe der Jahre war die Marke „Rotameter“ in Technikerkreisen international bekannt geworden und ist heute im Sprachgebrauch das Synonym für Schwebekörper-Durchflussmesser. Gleichwohl besitzt Rota Yokogawa auch heute noch die Namensrechte für Deutschland und weitere europäische Länder.

Die Rotameter wurden stetig weiterentwickelt, um den zunehmenden Anforderungen der Prozessindustrie gerecht zu werden. So verfügt der Metall-Rotameter RAMC mit elektrischem Messumformer sowie Hart-Kommunikation über eine patentierte Schwebekörper-Blockadeerkennung und bietet somit ein hohes Maß an Sicherheit. Durch den Durchfluss schwankt der Schwebekörper ständig. Diese minimalen Bewegungen werden auch als Schwankung im elektrischen Messsignal sichtbar. Die Firmware des elektrischen Messumformers erkennt den Verlauf des Messsignals und die fehlende Schwankung wird als Schwebekörperblockade oder dessen Ruhestellung bei keinem Durchfluss erkannt. Wenn das Sensorsignal bei Durchfluss keine Schwankungen des Schwebekörpers aufweist, wird ein Alarmsignal generiert und eine entsprechende Fehlermeldung gesendet.

RAMC mit Schwebekörper-Blockadeerkennung werden bereits seit 2005 in sicherheitsgerichteten Systemen mit SIL 1-Einstufung im Sinne der internationalen Norm IEC 61508 eingesetzt; RAMC mit lokaler Anzeige und induktiven Grenzwertkontakten finden in SIL 2-Anwendungen Verwendung. Mit der SIL-Einstufung für den kleineren Rotameter RAKD vervollständigt Yokogawa das Sicherheitsspektrum für Metall-Rotameter. Der RAKD erreicht mit lokaler Anzeige und induktiven Grenzwertkontakten ebenfalls SIL 2 und ist besonders für Applikationen mit geringen Durchflüssen und hohen Drücken geeignet. RAKD können mit einem Feinregelventil ausgestattet werden und verfügen dabei über horizontale Prozessanschlüsse. Eine der vielen erhältlichen Optionen ist ein Durchflussregler basierend auf dem Differenzdruckprinzip. Mit Hilfe dieses integrierten Reglers lassen sich Durchflüsse unabhängig von Schwankungen des Prozessdrucks konstant halten.

Die Verwendung eines Temperaturdistanzstücks zwischen Messrohr und Anzeigeteil erlaubt den Einsatz des RAMC in einem weiten Prozesstemperaturbereich von -200 °C bis +370 °C. Damit ist der RAMC sowohl zur Messung von kryogenen Medien wie z. B. flüssigem Stickstoff als auch zur Messung von heißen Ölen oder überhitztem Dampf in petrochemischen Prozessen geeignet. Ergänzend kann der RAMC für Medien, bei denen Wärmeverluste unerwünscht sind oder die bei niedriger Umgebungstemperatur auskristallisieren würden, mit einem Heizmantel ausgestattet werden, der sich mit Wärmeträgermedien, wie z. B. Wasserdampf, heißem Wasser, Öl oder speziellen Flüssigkeiten betreiben lässt. Für Geräte mit lokaler Anzeige und induktiven Grenzwertkontakten oder Geräten mit elektrischem Ausgangssignal (4…20mA, Hart oder Profibus PA) steht eine Vielzahl von Zulassungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zur Verfügung.

Die Rotameter-Typen RAMC und RAKD vereinigen zahlreiche Vorteile, die das Schwebekörperprinzip bietet. Sie haben eine robuste Konstruktion, ermöglichen zuverlässige Messungen, können unabhängig von elektrischer Energie als mechanisches Zeigerinstrument betrieben werden oder verfügen über ein elektrisches Ausgangssignal. Zudem sind sie leicht zu installieren und wartungsfrei. Die RAMC und RAKD bestechen auch optisch als komplette Edelstahlgeräte und zeichnen sich durch eine hohe Langlebigkeit im Einsatz unter schwersten industriellen Bedingungen aus.

Die von Yokogawa entwickelte Auslegungssoftware unterstützt die Auswahl des für den Prozess geeigneten Rotameters unter Berücksichtigung der anwenderspezifischen Prozessdaten wie Druck, Temperatur, Dichte, Viskosität und gewünschtem maximalen Durchflusswert. Als erstes Auslegungsergebnis erhält man die optimale Schwebekörper-Messrohr-Kombination mit Angabe des Arbeitsbereiches und Druckverlustes. Im nächsten Schritt werden die möglichen Prozessanschlüsse zu dieser Schwebekörper-Messrohr-Kombination unter Beachtung des jeweils maximal zulässigen Druckes angezeigt. Mit der Auswahl des gewünschten Anzeigeteils als lokale Anzeige oder mit elektrischem Messumformer wird ein kompletter Rotameter definiert und der Bestellcode generiert. Optionen wie beispielsweise induktive Grenzwertkontakte oder Zulassungen für explosionsgefährdete Bereiche können dem Bestellcode hinzugefügt werden. In einer integrierten Datenbank sind Stoffdaten der rund 100 gängigsten Fluide hinterlegt, deren Dichte und Viskosität bei den jeweiligen Temperatur- und Druckverhältnissen automatisch berechnet werden. Die Eingabe von beliebigen Medien ist ebenfalls möglich.

Da Gasapplikationen mit geringem Betriebsdruck zu Kompressionsschwingungen des Schwebekörpers führen können, wird während der RAMC-Auslegung bei gegebenen Druckverhältnissen bereits auf die Verwendung einer Dämpfung verwiesen. So lässt sich der RAMC ab Werk mit einer Dämpfung ausstatten, um die Kompressionsschwingungen des Schwebekörpers zu beseitigen. Die Geräte können auch problemlos mit einer Dämpfung nachgerüstet werden.

Right from the outset, the Rotameter convinced with its simple design: a float rises inside a conically shaped glass tube and its position on a scale can be read off as the flow rate. The float’s special geometry causes it to rotate, so that it is self-stabilising and unbeatably precise. Felix Meyer, Deutsche Rotawerke’s founder, was quick to recognise the importance of the variable area flowmeter developed by Karl Küppers. One of the Rotameter’s very first applications – and one that has remained widespread to this day – is in anaesthetic equipment to monitor the gas flow rate. The original Rotameter, which is still manufactured by Rota Yokogawa in Germany for the global market, has meanwhile branched out into many different forms. Back in the fifties, glass meters were joined by a more robust metal version, in which the position of the float is transferred via a magnetic coupling to an external indicator with a flow rate scale.

Over the years, the “Rotameter“ brand has gained an international reputation in the relevant engineering circles and is nowadays synonymous with variable area flowmeter technology. In fact, Rota Yokogawa still holds proprietary rights to the name in Germany and numerous other European countries.

The Rotameter has been continuously developed and optimised to meet the requirements of the modern process industry. The RAMC, for example, is a metal Rotameter featuring an electronic transmitter and Hart communication that offers a high degree of safety thanks to the patented float blockage detection function.

Owing to the fluid flow, the float is constantly on the move. Even the tiniest movements are discernible as fluctuations in an electrical signal. The firmware of the electronic transmitter detects the measured signal’s evolution; if it does not change, this is interpreted either as a blocked float or as the position of rest if there is no flow. If the sensor signal shows no movement of the float despite a fluid flow, an alarm signal is generated and an error message output.

RAMC meters with float blockage detection have been used in safety instrumented systems satisfying SIL 1 requirements as defined by IEC 61508 since 2005; RAMC models with a local indicator and inductive limit switches are employed in SIL 2 applications. The smaller, SIL certified RAKD Rotameter rounds off Yokogawa’s safety range of metal Rotameters. The RAKD version with a local indicator and inductive limit switches likewise conforms to SIL 2 and is ideally suited for all applications with low flow rates and high pressures. RAKD meters can be fitted with a fine control valve and are designed with horizontal process connections. An integrated flow controller based on the differential pressure principle, which allows a constant flow rate to be maintained regardless of any variations in process pressure, is just one of the many different options available.

The insertion of a temperature spacer between the metering tube and the indicator enables the RAMC to be used across a wide process temperature range from -200 to +370 °C. It is thus suitable for measuring not only cryogenic media such as liquid nitrogen but also hot oils or superheated steam in petrochemical processes. If required, the RAMC can additionally be equipped with a heating jacket for heat transfer fluids such as steam, hot water, oil or special liquids, where heat losses are undesirable and there is a risk of crystallisation at low ambient temperatures. A comprehensive set of approvals for use in hazardous areas is available for types with a local display and inductive limit switches as well as those with an electrical output signal (4…20 mA, Hart or Profibus PA).

The RAMC and RAKD Rotameter types combine several benefits of the float principle: a robust design, reliable measurements, independence of the electrical power supply when operated as mechanical pointer instruments and an electrical output signal. They are moreover easy to install and require no maintenance. Both the RAMC and the RAKD are packaged in an attractive, all-stainless steel housing and boast a long service life under the harshest industrial conditions.

The sizing software developed by Yokogawa facilitates the selection of the optimum Rotameter model for any application, taking account of user-specific process data such as pressure, temperature, density, viscosity and maximum permissible flow rate. The software starts by suggesting the most suitable float-metering tube combination, including the measuring range and pressure loss. In the next step, it shows the possible process connections for this combination, bearing the maximum permissible pressure in mind. The indicator can then be selected as a local display or with an electronic transmitter to obtain a complete Rotameter and generate the ordering code. Options such as inductive limit switches or approvals for hazardous areas can be appended to the code. Based on the defined temperature and pressure ranges, the software automatically calculates the density and viscosity of around a hundred common fluids, whose properties are stored in an integrated database. It is also possible to enter any desired media.

Since gas applications with a low operating pressure can cause the float to vibrate due to compression, the sizing software recommends the use of damping systems for the RAMC in certain pressure ranges. All RAMC meters can be retrofitted with the damping system without any problems though.

Online-Info www.cav.de/1409###