Vortex-Wirbelzähler

Klaus Brockmann

Das Messprinzip der Karmanschen Wirbelstraße, das Vortex-Geräten zugrunde liegt (siehe Kasten), hat im Vergleich zu anderen volumetrischen Messprinzipien folgende Vorteile:

• geringere Installationskosten

• relativ hohe Messdynamik und Genauigkeit

• weniger Bauteile und damit weniger Schwachstellen in der Gesamtinstallation

• hohe Zuverlässigkeit und geringer Wartungsaufwand

Den Vorteilen stehen aber auch einige Einschränkungen gegenüber. Diese können physikalische oder auch konstruktive Hintergründe haben. Die physikalischen Grenzen des Messprinzips lassen sich nicht ändern und ergeben sich aus den strömungstechnischen Anforderungen in der Messung. Störungen im Fließprofil – und damit auch Fehlmessungen – können auch durch andere Aspekte wie beispielsweise durch Rohrbögen, vorgeschaltete Ventile oder auch einen Nennweitenversatz zwischen Rohrleitung und Zählergehäuse des Wirbelzählers entstehen. Diese Aspekte lassen sich jedoch durch konstruktive Verbesserungen am Gerät und beim Einbau der Geräte in die Prozessanlage verbessern.

Werden Anwender zu ihren praktischen Erfahrungen mit Vortex-Wirbelzählern gefragt, tauchen neben vielen positiven Aspekten auch immer wieder Punkte auf, die in der praktischen Anwendung zu Problemen führen. Beispielsweise sind in der Anlage häufig ausreichende Ein- und Auslaufstrecken nicht zu realisieren oder Vibrationen führen zu falschen Messwerten.

Zudem kann es zu Geräteausfällen durch verschmutzte oder verstopfte Sensoren kommen. Veränderte Prozessdaten können darüber hinaus eine andere Nennweite der Wirbelzähler ergeben. In einigen Fällen kam es zu einem erhöhten Installationsaufwand, da die Rohrleitung dem Gerät angepasst werden musste.

Das Zählergehäuse des 8800C ist komplett mit Störkörper und mechanischer Impulsübertragung aus einem Guss gefertigt. Der Piezo-Sensor ist außerhalb des Prozesses angeordnet. Die mechanische Übertragung der Impulse ist massensymmetrisch konstruiert, d. h. die Masse, die durch die wechselseitigen Druckimpulse bewegt wird, ist gleich der Masse, die diese Impulse an den Piezo überträgt. Dadurch ergeben sich wichtige Vorteile:

• hohe Unempfindlichkeit gegen Vibrationen durch die beschriebene Konstruktion und adaptive digitale Signalauswertung

• problemloser und einfacher Sensortausch, ohne das Gerät aus der Rohrleitung ausbauen zu müssen

• Unempfindlichkeit gegen Verschmutzungen, da sich der Sensor außerhalb des Messmediums befindet und keine Spalten oder Impulskanäle vorhanden sind

Auch die Handhabung und Einstellung der Geräte ist einfach. Die Elektronik errechnet bei Eingabe der Prozessparameter die zu erwartenden Signalstärken und Wirbelfrequenzen und stellt die digitalen Filter automatisch ein. Mit diesen hinterlegten Parametern lassen sich 95% aller Anwendungen ohne weitere Anpassungen erledigen.

Um kürzere Einlaufstrecken zu erreichen, werden normalerweise Strömungsgleichrichter eingesetzt. Diese Lösung hat jedoch auch Nachteile wie beispielsweise einen erhöhten Druckverlust an der Messstelle und stellt zusätzlich eine weitere Schwachstelle hinsichtlich Verschmutzungen dar. Beim 8800C wird dagegen eine rechnerische Kompensation der Einflüsse durch verkürzte Ein- und Auslaufstrecken vorgenommen. Dazu wurden Simulationen auf Prüfständen verschiedener Einbausituationen mit verkürzten Einlaufstrecken nachgestellt und dabei der Einfluss auf die Messabweichung ermittelt. Um diese zu korrigieren, ist eine Anpassung des Kalibrierfaktors (K-Faktor) erforderlich.

Über 60% aller Wirbelzähler sind hinsichtlich der Messfunktion nicht optimal ausgelegt. Viele Geräte sind zu groß dimensioniert und arbeiten daher mit nur eingeschränkter Messdynamik. Orientiert man sich nur an der Dimension der Rohrleitung, kann der Wirbelzähler in der Regel die gewünschte Messdynamik nicht realisieren. Geht man von der optimalen Messdynamik aus, müssen Reduzierungen in der Rohrleitung eingebaut werden. Es muss also ein Kompromiss gefunden werden, der Druckverlust, Messfunktion und Installationsaufwand berücksichtigt. Dennoch bleiben bei allen Zugeständnissen einige Nachteile:

• erhöhter Planungsaufwand

• erhöhter Installationsaufwand

• erhöhter Kostenaufwand

• erhöhe Anzahl von Leckagestellen durch zusätzlich Flanschverbindungen

Bei der Planung einer Neuanlage lassen sich diese Aspekte sicherlich leichter berücksichtigen und der erhöhte Aufwand etwas relativieren.

Beim Vortex-Wirbelzähler 8800CR wird den beschriebenen Problemen dadurch begegnet, dass eine Nennweitenreduzierung bereits im Gerät integriert ist. Praktisch werden dabei in jeder Nennweite zwei Geräte mit identischen Einbauabmessungen angeboten.

Bei Vortex-Wirbelzählern wird der Effekt der Wirbelbildung nach der Karmanschen Wirbelstraße genutzt. Ein Medium, das an einem Wirbelkörper vorbeiströmt, wird geteilt und erzeugt wechselseitige Verwirbelungen im Medium. Diese Wirbel bewirken eine ständig wechselnde Druckänderung, die von einem Fühler erfasst wird. Die Frequenz der durch die Wirbel verursachten Druckänderungen ist proportional zur Fließgeschwindigkeit des Mediums. Aufgrund der gegebenen geometrischen Zusammenhänge, die im Kalibrierfaktor berücksichtigt werden, wird daraus der Volumendurchfluss berechnet.