Durchflusssensor

Durchflusssensor (auch Flowmeter) ist ein Sammelbegriff für alle Sensoren, die den Durchfluss eines Gases oder einer Flüssigkeit durch ein bekanntes Profil z. B. Rohr messen. Der Durchflusssensor ist mit Abstand die gebräuchlichste Art zur Durchflussmessung, jedoch nicht die Einzige. Andere Techniken sind Wägeverfahren (z. B. Coriolis-Massendurchflussmesser), Pegelmessungen zur Herstellung eines Höhenstands-Abflussbezugs oder auch Abzählen von Volumen (z. B. beim Auslitern). In der Praxis werden Sensoren für andere Massenbewegungen nicht als Durchflusssensoren bezeichnet. Massenströme, die durch Stückgüter entstehen, werden durch Bandwaagen oder Schüttstrommesser gemessen, die Messwerte werden durch mathematische Verfahren in Mengen umgerechnet. Der Durchfluss kann auch über die Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fluides an einer definierten Fläche $Q=v*A$ bestimmt werden.

Verwendung von Durchflusssensoren

• Zur Abrechnung von verbrauchsabhängigen Lieferungen oder Diensten z. B. Wasseruhr, Gasuhr und andere. Es handelt sich um aufsummierende Zähler, deren Ergebnis in direktem Bezug zu einer Gebühr stehen. In Deutschland müssen diese Art von Zählern geeicht sein.
• Zur direkten Ermittlung der aktuellen Menge pro Zeiteinheit z. B.: in der Medizintechnik hier Flowmeter, welches den Blutstrom oder den Fluss von Atemgasen misst, was den fachkundigen Personen ermöglicht, bestimmte Zustände der behandelten Person über die Messwerte einzuschätzen (Flowmetrie).
• Zur Dokumentation der von Kläranlagen eingeleiteten Menge gereinigtem Abwassers in Oberflächengewässer.
• Zur Steuerung eines chemischen oder technischen Prozesses, bei dem die Mengen von Stoffen in einem bestimmten Verhältnis stehen müssen: Mischungsverhältnis oder deren Verarbeitung in einem Bezug zu einer anderen technischen Größe z. B. Pumpleistung.
• Zur Bereitstellung einer bestimmten Menge, als alternative oder zweiter Weg zur Füllstandsmessung. (z. B. in der Wasserwirtschaft: Durchflusssensoren werden zur Kalibrierung und Plausibilisierung hydrologischer und hydrodynamischer Modelle verwendet, bei der Untersuchung von Abflussprozessen in Kanalnetzen.)
• Zur Darstellung einer abgeleiteten physikalischen Größe z. B. kann der Druck in einem definierten Behälter über den Zustrom berechnet werden.

Anzeigearten

Die Anzeigen sind meist Zweck orientiert. Das bedeutet, dass von SI-Einheiten abgewichen wird, um eine einfache Aussage zu erhalten. Elektrische Ausgangssignale sind in vielen Sensoren zusätzlich enthalten oder sowieso die einzige Ausgabe, um eine Weiterverarbeitung in Steuerungssystemen zu ermöglichen.

1. Volumendurchfluss: Dazu wird entweder ein definiertes Volumen durch das zu messende Medium gefüllt und dann eine mechanische Bewegung ausgelöst oder die Fließgeschwindigkeit des Mediums gemessen und dann der Durchfluss über mathematische Verfahren bestimmt. Beispiel: Volumendurchfluss = Rohrquerschnittsfläche mal Geschwindigkeit.
2. Massendurchfluss ist beispielsweise bei der Messung von Brennstoffmengen wichtig. Als Beispiel sei ein Luftmassenmesser genannt, wie er sich in Automobilen befindet. Hier wird der Messwert vorwiegend in Kilogramm pro Stunde (kg/h) Luft angegeben. Im Luftmassensensor werden zusätzlich Temperatur und Feuchtigkeit gemessen und damit der Luftanteil, der in den Motor strömt, bestimmt. Damit regelt die Motorsteuerung die entsprechende Kraftstoffmenge. Die Messung des Volumenflusses wäre für diese Anwendung nicht ausreichend, da die Dichte der Luft stark druckabhängig und temperaturabhängig ist. Würde nur der Luftvolumendurchfluss gemessen, könnte die Motorsteuerung das exakte Mischungsverhältnis, das für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes notwendig ist, nicht sicherstellen.
3. Zeitmessung: Die Wasseruhr (Zeitmessung) ist eine historische Anwendung der Durchflussmessung, der Durchflusssensor ist dabei eine feste Blende.
4. Elektrische Signale: In der Industrie eingesetzte Sensoren verwenden meist Einheitssignale: Entweder elektrische Stromstärke von 0 bis 20 mA bzw. 4 bis 20 mA auch als HART-Schnittstelle oder elektrische Spannung von 0 bis 10 V. Darüber hinaus werden digitale Kommunikationsschnittstellen eingesetzt, etwa PROFIBUS, FELDBUS, MODBUS oder industrielle ethernetbasierte Netzwerke, um Durchflusswerte direkt an übergeordnete Automatisierungs- und Prozessleitsysteme zu übertragen.

Arten von Durchflusssensoren

Ovalradzähler: Mit jeder halben Umdrehung fließen oben und unten je ein „Volumenquant“ hindurch.

Durchflussmesser mit Flügelrad

Unmittelbare Volumenzähler

• • Zähler mit konstantem Messkammervolumen (z. B. Trommelmesser)
  • Zähler mit variablem Messkammervolumen (z. B. Gaszähler)
  • Ovalradzähler, (Wälz-)Kolbenzähler

Mittelbare Volumenzähler

In vollgefüllten Rohrleitungen werden u. a. folgende Durchflusssensoren eingesetzt:

• z. B. Flügelradanemometer, Woltmannzähler
• Turbinenrad-Durchflussmesser
• Schwebekörper-Durchflussmesser
• Magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID)
  • Relative Fehlergrenze ca. 0,1 %
  • Messspanne bis 1:1000
  • Messprinzip: In einem Magnetfeld werden bewegte Ladungsträger (z. B. Ionen in Flüssigkeiten = elektrisch leitende Medien) voneinander getrennt.
• Balometer
  • Induktive Durchflussmesser (IDMs)
• Ultraschalldurchflusssensor (USD)
  • Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser

Laufzeitveränderung des Schalls durch die Strömung

Der berührungsfreie Ultraschall-Durchflussmesser durch Ermittlung der Laufzeit ist ein nicht-invasiver Strömungsmesser, da keine Gegenstände die Strömung im Rohr stören oder verändern. Es gibt zwei Formate: Laufzeitultraschall und -doppler. Die relative Fehlergrenze beträgt ca. 0,1 bis 2 %. Die Messspanne, das ist das Verhältnis von kleinster zu größter messbarer Geschwindigkeit, liegt bei ca. 1:100, bei einigen Messgeräten kann die Spanne auch deutlich höher liegen, z. B. R1000. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Clamp-On- (d. h. die Sensoren werden auf die Rohrleitung von außen aufgeschnallt) und In-Line-Geräten.

• Coriolis-Massendurchflussmesser
  • Massendurchflussmessverfahren nach dem Coriolis-Prinzip
• Wirbeldurchflussmesser

Vortex-Durchflusssensor

Siehe auch: Kármánsche Wirbelstraße

Durch einen Störkörper in der Strömung werden Wirbel (lateinisch vortex) erzeugt. Die Frequenz der Wirbelablösungen wird durch die Strouhal-Zahl charakterisiert. Über die Frequenz kann auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden.

• Korrelationsdurchflussmesser
  • Mittels zweier geeigneter Sensoren in einem bestimmten Abstand werden mit der Strömung mitgetragene Schwankungen gemessen (z. B. Dichte, Permeabilität). Aus der Laufzeit und dem Abstand der Sensoren lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Durchfluss bestimmen.
• Laminardurchflussmesser
  • nach dem Hagen/Poiseuilleschen Gesetz ist der Volumenstrom in einem Rohr proportional dem Druckabfall über eine Rohrlänge $l$. Sind Zähigkeit, Druckabfall und Temperatur gleich, lässt sich der Volumenstrom berechnen.
• Durchflussmesser mit Strömungsmesssonden
  • Durchflussbestimmung über Ermittelung des Strömungsprofils (siehe Strömungsmessung)
• Durchflussmessung mit Drosselgeräten (Details in der ISO 5167)
  • Messblende

Primärelemente

Siehe auch: Messblende

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Primärelemente. Die klassischen Primärelemente (Messblende, Venturi, Düsen) sind in den Normen der Reihe DIN EN ISO 5167 detailliert beschrieben. Neben den exakten Bauformen finden sich hier auch Angaben zur Durchflussberechnung und zur Genauigkeit. Mit den in der ISO 5167 beschriebenen Drosselelementen ist eine sehr hohe Messgenauigkeit erreichbar, so dass diese meist zur Kalibrierung anderer Durchflussmessgeräte eingesetzt werden

• Venturidüse
• Venturirohr
• Messverfahren für offene Anlagen
  • Wehrmessung, bei der mittels der Überfallhöhe und der Wehrbreite b der Volumenstrom ermittelt wird.
• Thermische Massendurchflussmessung (Massendurchflussregler, Mass Flow Controller, MFC)
• Luftmassensensor
• Laser-Doppler (wird aufgrund der Charakteristik nahezu ausschließlich im Rahmen der Forschung und Entwicklung angewendet)

Nicht alle Messverfahren sind gängig bzw. finden in der Industrie eine regelmäßige Anwendung. Im Vergleich zu anderen Sensoren, die in der Automatisierung eingesetzt werden, ist ein Durchflusssensor relativ teuer. So können Durchflusssensoren ohne weiteres das zwanzigfache eines Temperatursensors kosten.

Differenzdruckverfahren

Schema einer Blendenmessstrecke mit Eckdruckentnahme nach DIN EN ISO 5167-2

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Durchflusssensoren die nach dem Differenzdruckverfahren arbeiten, z. B. Pitot-Rohr, Prandtlsonde oder Messblende. Alle arbeiten nach dem Energieerhaltungsgesetz (Strömung nach Bernoulli und Venturi) mit dem Ergebnis, dass der Volumen- bzw. Massendurchfluss $Q$ proportional der Quadratwurzel des Differenzdruckes zwischen zwei Messstellen ist. Um die Endformel für den Anwender handhabbar zu machen, fasst man häufig alle konstanten Werte der Messeinrichtung (Rohr- und Drosselquerschnitte) und des Messmediums (Dichte $\rho$) als Konstante $c$ zusammen:

$Q=c\cdot {\sqrt {\Delta p}}$

Die oben dargestellte Gleichung gilt, wenn die Dichte des Fluids der Dichte bei der Kalibrierung entspricht. Da jedoch die Dichte bei Gasen stark von der Temperatur und vom Druck abhängig ist, kann durch nachfolgende Gleichung eine Kompensation dieses Einflusses in gewissen Grenzen erreicht werden.

$Q=c\cdot {\sqrt {\Delta p}}\cdot {\sqrt {\frac {\rho _{\text{Kalibrierung}}}{\rho _{\text{Messung}}}}}$

Bei Luftdurchflussmessgeräten wird üblicherweise für die Dichte der Kalibrierung $\rho _{\text{Kalibrierung}}=1{,}20\,\mathrm {kg/m} ^{3}$ verwendet.

Neben den klassischen Staudrucksonden gibt es noch weitere herstellerspezifische Bauformen, die unter gewissen Randbedingungen verschiedene Vorteile haben können, wie z. B. geringere Anforderungen an die Zuströmbedingungen, geringere Druckverluste oder einfacherer Einbau. Jedoch bedürfen diese Geräte im Gegensatz zu den Primärelementen einer Kalibrierung für die jeweilige Einsatzbedingung.

Die kinetische Energie eines Fluids (z. B. strömendes Wasser in einer Rohrleitung) wird umgewandelt in potentielle Energie (Druck). Das bekannteste Primärelement, die Blende, ist nichts anderes als eine Lochscheibe zur Verengung der Rohrleitung, die das Fluid zu einer Geschwindigkeitserhöhung zwingt (Erhöhung der kinetischen Energie). Dadurch wird der Druck nach der Blende niedriger (Verringerung der potentiellen Energie). Die Messspanne liegt je nach Primärelement und Qualität der verwendeten Sensorik und Auswertung zwischen 1:3 und 1:20.

Voraussetzungen

Für normale Messstellen können genaue Durchflusswerte auch ohne Kalibrierung an Ort und Stelle im Betriebszustand erzielt werden, wenn folgende Bedingungen eingehalten werden:

1. In der Nähe des Drosselgeräts muss der strömende Messstoff alle Querschnitte der Rohrleitung vollkommen ausfüllen.
2. Die Strömung muss stationär oder mindestens quasistationär sein, d. h. der Durchfluss darf sich an der Messstelle nur langsam ändern. Schwingungen der Strömung beeinträchtigen die Messgenauigkeit und sind möglichst zu vermeiden.
3. Der Stoff muss sich in reiner Phase befinden; feste Körper in Gasen und Flüssigkeiten, grobe Feuchtigkeit in Gasen und Dampf usw. erschweren die Messung und machen Sondermaßnahmen notwendig. Ebenso erfordern Messungen eines Stoffes, dessen Zustand nahe bei einem Umwandlungspunkt liegt, besondere Aufmerksamkeit, da infolge der Druckänderung am Drosselgerät Störungen durch Übergang in eine andere Phase stattfinden können (Flüssigkeiten nahe dem Siedepunkt, Sattdampf usw.).
4. Die Dichte des Messstoffes und dessen Zusammensetzung sowie Druck, Temperatur und Feuchte müssen bei der Berechnung des Drosselgerätes bekannt sein.

Durchflusssensoren zur Messung in teilgefüllten Kanälen, Gerinnen und Rohrleitungen

Für die Messung des Durchflusses in teilgefüllten Profilen ist die Messung der Geschwindigkeit und des Füllstandstandes erforderlich. Aus dem gemessenen Füllstand, der Form und der Abmessung des Kanals wird die Fläche $A$ berechnet. Die Multiplikation der mittleren Geschwindigkeit $v_{m}$ mit der Fläche $A$ ergibt den Durchfluss $Q$.

Für die Messung des Füllstandes kommen verschiedene Verfahren zur Anwendung mit Berührung, z. B. hydrostatische Druckmesssensoren bzw. berührungslos mittels Ultraschall- oder Radarfüllstandsensoren.

Für die Ermittlung der (Fließ-)Geschwindigkeit gibt es verschiedene Messverfahren:

• Ultraschall Laufzeitdifferrenzverfahren
• Ultraschall-Doppler
• Ultraschall Kreuzkorrelation

Das Venturirohr stellt die prinzipielle Funktion der in der ISO 5167 beschriebenen Drosselelemente dar

Wichtige Kennwerte und Kriterien zur Auswahl eines Sensors

Der Messbereich kann spezifiziert werden durch:

• untere Messgrenze, z. B. 1 l/min
• obere Messgrenze, z. B. 100 l/min
• Messspanne oder Dynamik 1:100

Die hier beschriebenen konventionellen Messprinzipien erlauben zuverlässige Messungen bis hinunter zu Flussraten von einigen ml/min. Unterhalb davon nehmen die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit dieser Verfahren stark ab. Für kleinere Flussraten, bis hinunter in den Bereich von Nanolitern pro Minute, werden auf Mikrosystemtechnik basierende Sensoren eingesetzt. Diese arbeiten in der Regel mit thermischen Messverfahren.

Die Messabweichung wird üblicherweise durch Angabe der relativen Fehlergrenze eingegrenzt, z. B. 1 % des aktuellen Messwertes. Die DIN 19218 beschreibt die Verfahren zur Unsicherheitsermittlung des Messwerts

Der Druckverlust ist eine wichtige Kenngröße, da er immer einen Energieverlust im Leitungssystem bedeutet. Verschiedene Typen unterscheiden sich charakteristisch in ihrem Druckverlust:

• Ultraschalldurchflusssensor nach dem Laufzeitprinzip ohne Strömungsgleichrichter: fast kein Druckverlust
• Differenzdruckblendenmessung: hoher, mit der Strömungsgeschwindigkeit stark ansteigender Druckverlust
• Thermischer Luftmassensensor in Automobilen: geringer Druckverlust, da kleine Messelemente in den Strömungskanal ragen
• Magneto-Induktiver-Durchflusssensor (MID): fast kein Druckverlust
• Vortex-Durchflussmesser oder Vortex-Durchflusssensor: geringer Druckverlust

Siehe auch

• Gaszähler
• Strömungsmesstechnik
• Durchflussmesser

Literatur

• DIN EN ISO 5167 1-4, Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten, 2004, Beuth-Verlag.
• G. Strohrmann, Messtechnik im Chemiebetrieb, München 2004, Oldenbourg Industrieverlag.
• O. Fiedler, Strömungs- und Durchflussmesstechnik, München 1992, Oldenbourg Industrieverlag.
• G. Strohrmann, Messtechnik im Chemiebetrieb, München 2004.
• O. Fiedler, Strömungs- und Durchflussmesstechnik, München 1992.

Weblinks

Commons: Durchflusssensor – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Hochschule coburg: Neuer Durchflusssensor für flüssigen Wasserstoff
• Fachhochschule Nordwestschweiz Forschungsprojekte Vortex-Durchflussmessung in Dampf
• Durchfluss Berechnung nach ISO 5167 (Memento vom 21. Juni 2015 im Internet Archive)