Durchflussmesser erfassen den Volumen- oder Massenstrom von flüssigen oder gasförmigen Medien in Rohrleitungen oder offenen Gerinnen. Die bekanntesten Geräte im Haushalt sind der Wasser- und Gaszähler. Es gibt zahlreiche unterschiedliche Messverfahren, um den Durchfluss zu messen. Je nach Applikation müssen die Messgeräte weitere Voraussetzungen wie Hygienic Design oder Ex-Schutz erfüllen. In der Regel besteht ein Durchflussmesser aus einem Messwertaufnehmer und einem Messumformer, die nicht zwingend im gleichen Gehäuse verbaut sein müssen.
Inhaltsverzeichnis
- Was ist der Volumenstrom?
- Was ist ein Durchflussmesser?
- Wie werden Durchflussmesser unterteilt?
- Welche Bauarten gibt es bei Durchflussmessern?
- Wie funktioniert ein Ovalradzähler?
- Wie funktioniert ein Ringkolbenzähler?
- Wie funktioniert ein Drehkolbengaszähler?
- Wie funktioniert ein Turbinenzähler?
- Wie funktioniert ein Wirbelzähler?
- Wie funktioniert ein Drall-Durchflussmesser?
- Wie funktioniert ein Durchflussmesser nach dem Wirkdruck-Prinzip?
- Wie funktioniert ein Schwebekörperdurchflussmesser?
- Wie funktioniert ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser?
- Wie funktioniert ein Ultraschall-Durchflussmesser?
- Wie funktioniert ein Coriolis-Massedurchflussmesser?
- Wo werden Durchflussmesser eingesetzt?
- Welche Normen gilt es im Zusammenhang mit Durchflussmessern zu beachten?
- Aktuelle Fachartikel zum Thema Durchflussmesser
- Quellen
Was ist der Volumenstrom?
Der Volumenstrom ist eine physikalische Größe aus der Fluidmechanik. Er beschreibt, wie viel Volumen einer Flüssigkeit oder eines Gases pro Zeiteinheit durch einen festgelegten Querschnitt fließt. Kennt man die Dichte des Fluids, kann alternativ auch der Massestrom ermittelt werden.
Die SI-Einheit des Volumenstroms ist m³/s, je nach Größenordnung des Volumenstroms werden auch andere Einheiten wie l/h oder ml/min angegeben. Der Volumenstrom wird mithilfe eines Durchflussmessers bestimmt.
Was ist ein Durchflussmesser?
Ein Durchflussmesser ist ein Gerät gemäß
Wie werden Durchflussmesser unterteilt?
Bei der Durchflussmessung werden zwei Anwendungsfälle unterschieden:
- Durchflussmessung in geschlossener Rohrleitung
- Durchflussmessung für offene Gerinne und Freispiegelleitung
Die Geräte selbst werden in Durchflussmesser und Mengenmesser unterschieden.
Mengenmesser, meistens als Volumenzähler bezeichnet, sind Geräte, die kleine Volumina abgrenzen, erfassen und zu einem Gesamtvolumen integrieren. Hierbei wird unterschieden in unmittelbare und mittelbare Volumenzähler.
Unmittelbare Volumenzähler arbeiten mit beweglichen Messkammern, deren Volumen eindeutig definiert ist (Verdrängungszähler). Bei mittelbaren Volumenzählern fehlen die abgeschlossenen Messkammern. Sie arbeiten entweder mechanisch mit Flügelrädern (Turbinenzähler) – dabei werden zwischen den Flügeln bestimmte Teilvolumina transportiert – oder elektrisch über mengenproportionale Impulse. Diese Zählimpulse repräsentieren ein bestimmtes Teilvolumen, das beispielsweise zu einer Umdrehung beim Flügelradzähler passt.
Die Durchflussmesser wählen ebenfalls den indirekten Weg der Messwertbildung. Sie erfassen die Fließgeschwindigkeit oder ermitteln die kinetische Energie der Strömung.
Welche Bauarten gibt es bei Durchflussmessern?
Durchflussmesser werden in Volumenzähler und Durchflussmesser unterschieden. Dabei gibt es unterschiedliche Verfahren:
Volumenzähler
- Ovalradzähler
- Ringkolbenzähler
- Drehkolben-Gaszähler
- Turbinenzähler
- Wirbel-Durchflussmesser
- Drall-Durchflussmesser
Durchflussmesser
- Durchflussmesser nach dem Wirkdruck-Prinzip
- Kompaktblenden-Durchflussmesser
- Wedgemeter für kritische Anwendungen
- Durchflussmesser nach dem Staudruckverfahren
- Schwebekörper-Durchflussmesser
- Magnetisch-induktive Durchflussmesser
- Ultraschall-Durchflussmesser
- Coriolis Masse-Durchflussmesser
- Thermische Masse-Durchflussmesser für Gase
Im Folgenden wird erklärt, wie die einzelnen Durchflussmesser-Typen funktionieren.
Wie funktioniert ein Ovalradzähler ?
Das Herzstück eines Ovalradzählers ist ein Paar rotierender Ovale, die sich in einem Gehäuse befinden. Die beiden Ovale sind miteinander verbunden und werden durch den Flüssigkeitsstrom angetrieben. Die Bewegung der Ovale wird durch einen Magnetgeber erfasst, der an einer Seite des Gehäuses befestigt ist. Der Magnetgeber erzeugt ein elektrisches Signal, das proportional zur Menge an Flüssigkeit oder Gas ist, die durch den Zähler fließt.
Die Genauigkeit des Ovalradzählers hängt von der Größe der Ovale und der Geschwindigkeit ab, mit der sie sich drehen. Einige Modelle verwenden auch zusätzliche Sensoren, um die Temperatur und den Druck des Flüssigkeitsstroms zu messen, um genaue Messungen zu gewährleisten.
Ovalradzähler werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine genaue Messung des Volumenstroms erforderlich ist, wie zum Beispiel bei der Dosierung von Chemikalien oder bei der Überwachung von Wasser- oder Gasleitungen.
Wie funktioniert ein Ringkolbenzähler?
Ein Ringkolbenzähler besteht aus einem zylindrischen Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, sowie aus einem rotierenden Ringkolben, der sich innerhalb des zylindrischen Gehäuses bewegt.
Strömt die Flüssigkeit oder das Gas durch den Einlass in das Gehäuse, wird der Ringkolben mitgenommen und beginnt sich zu drehen. Dabei werden nacheinander die beiden Messkammern mit dem festgelegten Volumen V1 und V2 gefüllt. Am Auslass fließen die diskreten Volumina V1 und V2 wieder heraus. Eine Umdrehung des Ringkolbens entspricht also dem Gesamtvolumen V1+V2. Die Drehung des Ringkolbens wird in der Regel von einem magnetischen Sensor erfasst, der die Anzahl der Umdrehungen des Kolbens pro Zeiteinheit misst. Diese Daten werden dann verwendet, um den Durchfluss der Flüssigkeit oder des Gases zu berechnen.
Wie funktioniert ein Drehkolbengaszähler?
Beim Drehkolbengaszähler drehen dich zwei 8-förmige Drehkolben in einem Gehäuse. Durch das einströmende Gas werden die beiden Kolben in Rotation versetzt. Pro ganzer Umdrehung wird ein diskretes, durch die Baugröße der Messkammer vorgegebenes Volumen zum Auslass transportiert. Da die Messkammer in der Regel unter Druck steht, ist das Zählwerk entkoppelt. Die Anzahl der Umdrehungen wird daher via Magnetkupplung weitergegeben. Das Zählwerk gibt dann den Volumenstrom digital oder analog aus.
Wie funktioniert ein Turbinenzähler?
Der Turbinenzähler oder Turbinengaszähler besteht aus einem Gehäuse mit integriertem Turbinenrad. Das durchströmende Gas lässt das Turbinenrad rotieren. Die Umdrehungsanzahl des Turbinenrades ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Querschnitt zum Volumenstrom. Dazu wird das Gas am Zählereingang durch einen Strömungskörper beschleunigt. Um eventuell vorhandene Störungen im Strömungsprofil zu beseitigen, ist der Strömungsmesskörpers speziell gestaltet. Sie sind sehr genau und können für den eichpflichtigen Verkehr eingesetzt werden.
Wie funktioniert ein Wirbelzähler?
Ein Wirbel-Durchflussmesser (auch Wirbelzähler oder Vortex-Durchflussmesser genannt) misst den Durchfluss von Flüssigkeiten oder Gasen durch das Ausnutzen des Wirbelphänomens, auch Kármánsche Wirbelstraße genannt. Der Wirbel-Durchflussmesser besteht aus einem Rohr, in dem das Fluid fließt, und einem Staukörper, der sich quer zum Fluidstrom befindet.
Wenn das Fluid den meist deltaförmigen Staukörper passiert, entstehen Wirbel im Fluidstrom, die hinter dem Staukörper abwechselnd auf beiden Seiten des Rohres erscheinen. Diese Wirbel erzeugen Druckschwankungen im Fluid, die mit einem Drucksensor gemessen werden können.
Die Häufigkeit der Wirbelbildung hängt von der Geschwindigkeit des Fluidstroms ab. Daher kann die Durchflussrate berechnet werden, indem die Anzahl der Wirbel pro Zeiteinheit gezählt wird. Der Wirbel-Durchflussmesser kann auch mit einem Temperatursensor ausgestattet sein, um die Dichte des Fluids zu messen und die Durchflussrate entsprechend anzupassen.
Häufig reicht die Fließgeschwindigkeit im Rohr nicht aus, damit sich Wirbel bilden. Verkleinert man den Rohrdurchmesser am Messgerät, erhöht sich die Fließgeschwindigkeit. Daher besitzen Wirbelzähler oft einen kleinen Rohrdurchmesser.
Wie funktioniert ein Drall-Durchflussmesser?
Drall-Durchflussmesser vereinen die Messdynamik von Turbinenrad-Durchflussmessern mit der Stabilität und Zuverlässigkeit von Wirbel-Durchflussmessern und benötigen dabei nur kurze Vor- und Nachlaufstrecken.
Am Eintritt des Drall-Durchflussmessers befindet sich ein Leitkörper, der in seiner Form einem feststehenden Turbinenrad entspricht. Dadurch wird der Fluidstrom in Rotation versetzt und der Wirbelkern führt eine schraubenförmige Sekundärrotation aus, deren Umlauffrequenz dem Durchfluss in weiten Grenzen linear proportional ist. Diese Sekundärrotation wird mit einem Piezo-Sensor erfasst. Der Sensor nutzt also die beim Umlauf entstehenden Druckunterschiede zur Impulserfassung.
Wie funktioniert ein Durchflussmesser nach dem Wirkdruck-Prinzip?
Nach den Strömungsgesetzen in einem Rohr verursacht eine Einschnürung des Strömungsquerschnittes eine höhere Fließgeschwindigkeit und damit eine Abnahme des statischen Druckes. Der Druckabfall ist der sogenannte Wirkdruck Δp, er ist dem Quadrat des Durchflusses proportional.
Ein Wirkdruck-Durchflussmesser nutzt dieses Prinzip. An einer Blende oder einem Venturi-Rohr wird via Druckmessung der Wirkdruck bestimmt, aus ihm kann dann der Durchfluss berechnet werden.
Das Wirkdruck-Messverfahren ist nahezu universell anwendbar in der Durchflussmessung. Wirkdruck-Messgeräte arbeiten bei Gasen und Flüssigkeiten selbst bei sehr hohen Drücken und Temperaturen.
Weitere Durchflussmesser, die auf einer Differenzdruckmessung basieren, sind der Kompaktblenden-Durchflussmesser, das Wedgemeter und Durchflussmesser nach dem Staudruckverfahren.
Wie funktioniert ein Schwebekörperdurchflussmesser?
Durchflussmesser mit Schwebekörper arbeiten präzises bei der Erfassung von Volumenströmen bei flüssigen und gasförmigen Medien. Das Messgerät wird dabei senkrecht in ein Rohrleitungssystem eingebaut. Das Messmedium strömt von unten nach oben durch den Durchflussmesser. Im Inneren befindet sich ein Schwebekörper, der sich in der vertikalen Achse bewegen kann. Das Eigengewicht des Schwebekörpers lässt diesen auf die Öffnung des Messgerätes sinken. Wird nun das Medium im Rohrleitungssystem mit Druck beaufschlagt, steigt der Schwebekörper im Messkonus an, sobald die Strömung das Eigengewicht des Messkörpers überwindet. Durch die konische Form des Messgerätes – es wird nach oben hin breiter – kann je weiter der Schwebekörper nach oben gedrückt wird, gleichzeitig auch mehr Fluid an dem Körper vorbeiströmen (Strömungswiderstand). Die Steighöhe des Messkörpers ist proportional zum Volumenstrom, der an der Oberkante des Schwebekörpers abgelesen werden kann.
Wie funktioniert ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser?
Das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers (MID) beruht auf dem Faraday’schen Induktionsgesetz. Dieses besagt: Eine Änderung des magnetischen Flusses in einer Spule induziert eine elektrische Spannung.
Der MID besteht aus einem Gehäuse, das in die Rohrleitung integriert ist und einen elektromagnetischen Sender und Empfänger enthält. Der Sender erzeugt ein magnetisches Feld, das senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Das magnetische Feld durchdringt die Rohrleitung und die darin enthaltene Flüssigkeit. Wenn das Fluid durch die Rohrleitung fließt, wird eine elektrische Spannung in der Empfängerspule induziert, die proportional zur Geschwindigkeit der Strömung ist.
Die Höhe der induzierten Spannung ist abhängig von der Leitfähigkeit des Fluids und der Geschwindigkeit der Strömung. Aus dieser Spannung lässt sich somit der Durchfluss berechnen. Die Messung ist unabhängig von der Dichte, Viskosität oder Temperatur des Fluids.
Ein Vorteil des magnetisch-induktiven Durchflussmessers ist, dass er berührungslos misst und somit keine Verschleißteile oder beweglichen Teile enthält. Außerdem ist er besonders gut geeignet für korrosive oder abrasive Flüssigkeiten und kann in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden.
Wie funktioniert ein Ultraschall-Durchflussmesser?
Ein Ultraschall-Durchflussmesser nutzt Ultraschallwellen, um den Fluss einer Flüssigkeit zu bestimmen. Das Gerät besteht aus einem Sender, der Ultraschallwellen aussendet, und einem Empfänger, der die Wellen empfängt. Die Ultraschallwellen werden einmal in Fließrichtung und einmal gegen die Fließrichtung des Mediums gesendet. Während sich mit der Fließrichtung die Laufzeit von Sender zu Empfänger verkürzt, verlängert sich diese in umgekehrter Richtung. Die Zeitdifferenz dieser beiden Signale ist proportional zur Fließgeschwindigkeit im Rohr und damit zum Volumenstrom.
Ultraschall-Durchflussmesser müssen nicht unbedingt in die Rohrleitung eingebaut werden. Sie lassen sich auch nachträglich als sogenannte Clamp-on-Geräte auf die Rohrleitung schnallen. Ultraschall-Durchflussmesser eignen sich auch für große Rohrleitungsdurchmesser bis zu mehreren Metern.
Wie funktioniert ein Coriolis-Massedurchflussmesser?
Ein Coriolis-Massedurchflussmesser nutzt den sogenannten Coriolis-Effekt. Eine Masse, die sich auf einer rotierenden Plattform befindet, erfährt eine Trägheitskraft.
Ein Coriolis-Massedurchflussmesser besteht aus einem Rohr, das mit dem zu messenden Medium gefüllt ist. Ein Antrieb versetzt das Rohr in Schwingung. Diese Schwingungen werden durch zwei Sensoren erfasst, die sich an den Enden des Rohrs befinden.
Bewegt sich das Medium im Rohr nicht, erfassen die Sensoren die gleiche Schwingung. Wenn das Medium durch das Rohr fließt, wird die Schwingung des Rohrs durch die Trägheitskraft des Mediums beeinflusst und mit einer Schaukelbewegung überlagert. Diese Schaukelbewegung des Rohres ist proportional zur Masse des Mediums, das durch das Rohr fließt.
Aus der Änderung der Schwingungen kann direkt der Durchfluss des Mediums berechnet werden. Gleichzeitig kann die Dichte des Mediums aus dem Schwingungsverhalten abgeleitet werden. Je höher die Dichte des Mediums, desto träger reagiert das Rohr auf die Anregung.
Wo werden Durchflussmesser eingesetzt?
Volumenstrommessgeräte werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, bei denen der Volumen- oder Massestrom gemessen werden muss. Beispiele für Anwendungen finden sich in nahezu allen Industriezweigen wie
- Wasser- und Abwasserbehandlung
- Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC
- Öl- und Gasindustrie
- Pharmazeutische Industrie
- Lebensmittel- und Getränkeindustrie
- Trinkwasserversorgung
Je nach Anwendung müssen bei der Auswahl Faktoren wie Hygienic Design, Ex-Schutz, Brandschutz oder Ähnliches berücksichtigt werden. Das eingesetzte Messverfahren hängt stark vom Medium ab.
Welche Normen gilt es im Zusammenhang mit Durchflussmessern zu beachten?
Eine Suche beim Deutschen Institut für Normung mit dem Stichwort Kompressor liefert 934 Einträge für Normen und Technische Regeln, die im Zusammenhang mit Durchflussmessgeräten stehen. Deshalb nachfolgend nur eine kleine Auswahl:
- DIN 1319 Grundbegriffe der Messtechnik
- DIN ISO 6817 Durchflussmessung von leitfähigen Flüssigkeiten
- DIN ISO 9104 Durchflussmessung von Fluiden
- DIN 1952 Durchflussmessung mit Blenden, Düsen, Venturi-Rohren
- DIN 19559 Durchflussmessung von Abwasser in offenen Gerinnen und Freispiegelleitungen
- VDE/VDI 3512 Durchflussmessungen mit Drosselgeräten, Messanordnungen
- VDI/VDE Richtlinie 3513 Schwebekörper-Durchflussmesser Berechnungsgrundlagen
- VDE/VDI 2040 Berechnungsgrundlagen für die Durchflussmessung mit Drosselgeräten
- EN 60529 IP-Schutzarten
- EN 29104 Verfahren zur Beurteilung des Betriebsverhaltens von magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten
- DIN VDE 0170/017 Bestimmung für explosiongeschützte elektrische Betriebsmittel
- DIN VDE 0165 Errichten elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen
- DIN EN 50014 bis 50020 und 50028 Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche
- Namur NE 132 Coriolis-Massemesser (CMM)
- Namur NA 015 Durchflussmesstechnik mit erhöhten Genauigkeitsanforderungen für gasförmige Medien
- Namur NE 070 Magnetisch Induktive Durchflussmessung (MID)
- Namur NE 147 Energie-Verrechnungsmessungen in Chemieparks
- Namur NA 166 Umsetzung des Mess- und Eichgesetzes für Durchflussmesseinrichtungen in der Prozessindustrie
- Namur NE 21 Elektro-magnetische Verträglichkeit
Darüber hinaus gelten für einzelne Branchen wie der Chemieindustrie, der Lebensmittelindustrie oder der Pharmaindustrie die typischen regulatorischen Vorgaben bezüglich Explosionsschutz, Energieeffizienz oder GMP.
Aktuelle Fachartikel zum Thema Durchflussmesser finden sich hier:
https://prozesstechnik.industrie.de/chemie/automation-chemie/drall-und-vortex-durchflussmesser/
https://prozesstechnik.industrie.de/chemie/messtechnik-chemie/durchflussmesser-im-winterdienst/
https://prozesstechnik.industrie.de/achema/hochpraeziser-durchflussmesser-zertifiziert/
https://prozesstechnik.industrie.de/chemie/msr-technik-chemie/gasdurchfluss-zuverlaessig-messen/
Quellen:
Handbuch – Industrielle Durchfluss-Messtechnik: https://new.abb.com/products/measurement-products/de/mess-und-analysentechnik/flow-measurement-made-easy?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=flow_page&gclid=CjwKCAjwiOCgBhAgEiwAjv5whCpcl6_UFyLUmoVwlvkV2KuVMUbhKWxPUBKl-r9xzFdbmocAhabxnhoCRo8QAvD_BwE
Magnetisch-induktives Messprinzip: https://www.youtube.com/watch?v=slUq9Nw8mGA
https://de.wikipedia.org/wiki/Vortex-Durchflussmesser
Wirbelzähler-Messprinzip: https://www.youtube.com/watch?v=D6cNau9TAps
Ultraschall-Durchflussmesser Messprinzip: https://www.youtube.com/watch?v=fKnv5EUy_xU
Coriolis-Massedurchflussmesser Messprinzip: https://www.youtube.com/watch?v=NFa5fecX-0s
Coriolis-Durchflussmessprinzip im Video erklärt Siemens
https://www.din.de/de/meta/suche/62730!search?query=Durchflussmessger%C3%A4t
https://de.wikipedia.org/wiki/DIN_1319
https://www.namur.net/de/arbeitsfelder-und-projektgruppen/af-3-feldgeraete/ak-32-durchflussmesstechnik.html
https://prozesstechnik.industrie.de/
Prinzip des Schwebekörper-Durchflussmessers Schmid Mess- und Regeltechnik
Industrielle Schwebekörper-Durchflussmesser Vögtlin Instruments
Funktionsbild eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers Emerson
