Sechs gängige Durchflussmesser in der Industrie unseres Landes

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　　In unserem Land gibt es derzeit eine große Vielfalt an Produkten, die für die Messung von Strömen in der Industrie verwendet werden. Es handelt sich dabei um Produkte von unterschiedlicher Art – sowohl allgemeingültige als auch speziell entwickelte Lösungen. Für Techniker ist es daher wichtig, sorgfältig zu wählen; andernfalls kann leicht das falsche Produkt ausgewählt werden, was zu Verlusten im gesamten Projekt führen kann. Hier sind meine Einblicke zu diesen Produkten. Ich hoffe, das kann allen als Orientierungshilfe bei der Auswahl dienen. 　　1. Ultraschall-Durchflussmesser: Ultraschallwellen tragen beim Durchgang durch einen fließenden Fluid Informationen über die Fließgeschwindigkeit des Fluids mit sich. Durch die empfangenen Ultraschallwellen kann somit die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ermittelt werden, wodurch die Durchflussmenge berechnet werden kann. Je nach Messmethode lassen sich Ultraschallströmungsmesser in verschiedene Arten einteilen, wie z. B. die Methode der Unterschiede in der Ausbreitungsgeschwindigkeit (Zeitunterschiedsmethode), die Dopplermethode, die Methode der Strahlverschiebung, die Schallstörungsmethode sowie weitere verwandte Methoden. Der Schallwellenstrommesser ist ein kontaktloses Messgerät, das erst in den letzten zehn Jahren mit der raschen Entwicklung der Integrchschalttechnologie in Gebrauch gekommen ist. Es eignet sich zur Messung von Flüssigkeiten, die schwer zugänglich und zu beobachten sind, sowie für den Durchfluss in großen Rohren. In Kombination mit einem Wasserstandsmesser kann es zur Messung des Durchflusses in offenen Strömungen verwendet werden. Durch die Verwendung von Ultraschallströmungsmessern werden keine Messelemente im Fluid verwendet, wodurch der Fließzustand des Fluids nicht verändert wird und es zu keiner zusätzlichen Reibung kommt. Sowohl die Installation als auch die Wartung der Geräte beeinträchtigen den Betrieb der Produktionsleitungen nicht. Daher handelt es sich um einen idealen, energieeffizienten Strömungsmesser. 　　Es ist allgemein bekannt, dass bei der Messung von Industrieströmen derzeit häufig Probleme mit großen Rohrdurchmessern und hohen Durchflussmengen auftreten. Dies liegt daran, dass herkömmliche Strömungsmesser mit zunehmendem Rohrdurchmesser in der Herstellung und im Transport schwieriger zu handhaben sind, was zu höheren Kosten und größeren Energieverlusten führt. Zudem weisen diese Geräte noch weitere Nachteile auf. Ultraschallströmungsmesser können all diese Probleme vermeiden. Da alle Arten von Ultraschallströmungsmessern außerhalb der Rohrleitung angebracht werden können und eine kontaktlose Messung ermöglichen, hängt die Kostenstruktur dieser Geräte im Grunde nicht von dem Durchmesser der zu messenden Rohrleitung ab. Bei anderen Arten von Strömungsmessern steigen die Kosten jedoch stark mit zunehmendem Durchmesser. Deshalb bietet der Ultraschallströmungsmesser bei größeren Durchmessern ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis im Vergleich zu anderen Strömungsmessern mit gleicher Funktionalität. Als geeignetes Messgerät für den Flussverkehr in großen Rohrungen gilt der Doppler-Ultraschallflussmesser. Er kann den Flussverkehr in zweiphasigen Medien messen, weshalb er zur Messung von verschmutzten Strömen wie denen in Abwasserleitungen eingesetzt werden kann. In Kraftwerken ist es viel praktischer, mit tragbaren Ultraschall-Flussmessgeräten den Durchfluss in großen Rohren wie dem Wasser für die Turbinen oder dem Wasserdurchfluss im Dampfturbinenkreislauf zu messen, als dies mit den bisher verwendeten Pitotrohren möglich ist. Ultraschall kann auch zur Messung von Gasen verwendet werden. Der Anwendungsbereich des Rohrdurchmessers reicht von 2 cm bis 5 m; er eignet sich für offene sowie verdeckte Kanäle mit einer Breite von mehreren Metern sowie für Flüsse mit einer Breite von bis zu 500 m. 　　Außerdem wird die Genauigkeit der Durchflussmessung mit Ultraschallmessgeräten kaum von Parametern wie Temperatur, Druck, Viskosität oder Dichte des zu messenden Fluids beeinflusst. Zudem können diese Geräte als kontaktlose und tragbare Messinstrumente hergestellt werden. Dadurch lassen sich Probleme bei der Messung von stark korrosiven, nicht leitfähigen, radioaktiven sowie brennbaren und explosiven Stoffen lösen – Probleme, die mit anderen Arten von Messgeräten nur schwer zu bewältigen sind. Außerdem kann ein Messgerät aufgrund der Eigenschaften der kontaktlosen Messung – in Kombination mit einer geeigneten Elektronik – zur Messung verschiedener Rohrdurchmesser sowie unterschiedlicher Durchflussbereiche eingesetzt werden. Die Anpassungsfähigkeit von Ultraschall-Flussmessern ist ebenfalls unvergleichlich mit der anderer Messgeräte. Ultrasonische Durchflussmesser weisen die oben genannten Vorteile auf, weshalb sie zunehmend an Bedeutung gewinnen und sich in Richtung Serienproduktion sowie Standardisierung entwickeln. Inzwischen gibt es Standardmodelle mit verschiedenen Schallkanälen, Modelle für hohe Temperaturen, explosionssichere Modelle sowie feuchtraumfeste Modelle – all das, um den Anforderungen bei der Messung des Durchflusses in unterschiedlichen Medien, unter verschiedenen Bedingungen sowie in verschiedenen Rohrleitungen gerecht zu werden. 　　2. Turbinenstrommessgerät: Ein Turbinenstrommessgerät ist ein Geschwindigkeitsmessgerät, das sich durch geringe Druckverluste, hohe Genauigkeit, einen niedrigen Anlaufstrom, Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterungen und Schwingungen sowie eine breite Messbereichsklasse auszeichnet. Zudem ist es einfach zu warten. Beim Turbinenstrommessgerät wird eine Turbine in das zu messende Fluid eingebracht. Wenn Gas in das Messgerät strömt, wird es durch einen speziellen Struktur-Regler gerichtet und beschleunigt. Im bestimmten Messbereich steht die Winkelgeschwindigkeit der Turbine in direktem Verhältnis zum Durchflussmenge. Mithilfe des Prinzips der elektromagnetischen Induktion werden Impulssignale erzeugt, die im Verhältnis zum Volumenstrom des Fluids stehen. Diese Signale werden durch einen Vorverstärker aufbereitet, sodass der tatsächliche Durchfluss ermittelt werden kann – dieser wird anschließend auf dem LCD-Bildschirm angezeigt. Wenn die von Sensoren für Temperatur und Druck erfassten Signale zusammen mit diesen Daten in einen intelligenten Stromrechner eingegeben werden, kann der Durchfluss unter Standardbedingungen berechnet werden; dieser Wert wird ebenfalls auf dem LCD-Bildschirm angezeigt. Das Turbinenstrommessgerät ist somit ein Radialpumpenartiges Messgerät, dessen Funktionsprinzip relativ einfach ist. Im Zentrum des Rohres des Turbinenflussmessers befindet sich eine Turbine, die an beiden Enden von Lagern gestützt wird. Wenn die Flüssigkeit durch das Rohr fließt, trifft sie auf die Blätter der Turbine und erzeugt so ein Drehmoment, das dazu führt, dass die Turbine gegen das Reibungsmoment sowie das Widerstandsmoment der Flüssigkeit rotiert. Innerhalb eines bestimmten Durchflussbereichs und bei einer bestimmten Viskosität der Flüssigkeit ist die Drehzahl der Turbine proportional zur Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Dadurch kann die Fließgeschwindigkeit anhand der Drehzahl der Turbine bestimmt werden, wodurch der Durchfluss der Flüssigkeit durch das Rohr berechnet werden kann. Gleichzeitig wird die Drehzahl der Turbine durch Sensorkoils, die außerhalb des Gehäuses angebracht sind, erfasst. Wenn die Blätter der Turbine die Magnetfeldlinien der dauerhaften Magnete im Gehäuse durchschneiden, entsteht eine Veränderung des Magnetflusses in den Sensorkoils. Die Sensorkoils übertragen die erfassten Signale an einen Vorverstärker, der die Signale verstärkt und formt, sodass pulsierende Signale entstehen, die proportional zur Fließgeschwindigkeit sind. Diese Signale werden anschließend an Schaltungen zur Umrechnung in Einheiten sowie zur Berechnung des gesamten Durchflusses weitergeleitet. Gleichzeitig werden die Pulssignale auch an Schaltungen zur Umwandlung in eine analoge Stromstärke weitergeleitet, wodurch der momentane Durchfluss angezeigt werden kann. 　　Der Turbinenstrommesser ist eine Art Geschwindigkeitsmessgerät für den Durchfluss; aufgrund seiner Transkription wird er im Inland auch als Turbostrommesser bezeichnet. Turbomessgeräte werden je nach dem zu messenden Medium in Gas-Turbomessgeräte und Flüssigkeits-Turbomessgeräte unterteilt. Unter den verschiedenen Durchflussmessgeräten weist das Turbinen-Durchflussmessgerät die höchste Wiederholgenauigkeit und die beste Präzision auf. Zum Beispiel einfache Konstruktion, wenige zu bearbeitende Bauteile, geringes Gewicht, einfache Wartung, hohe Durchflussfähigkeit (großer Durchfluss bei derselben Durchmessergröße) sowie Fähigkeit, hohen Bedingungen standzuhalten (hohe Temperatur, hoher Druck und niedrige Temperatur). Turbomassenmesser werden weit verbreitet bei der Messung folgender Stoffe eingesetzt: Öl, organische Flüssigkeiten, anorganische Flüssigkeiten, verflüssigtes Gas, Erdgas, Stadtgas sowie Flüssigkeiten bei niedrigen Temperaturen. In Auslandslagerstätten für den Transport und die Verarbeitung von Flüssiggas, Raffinerieprodukten sowie leichtem Rohöl werden große Rohölelektroden an den Anfangs- und Endstationen der Leitungen häufig zur Abrechnung im Handel eingesetzt. 　　3. Elektromagnetischer Durchflussmesser: Der elektromagnetische Durchflussmesser ist ein neues Typ von Durchflussmessgerät, das in den 1960er Jahren mit der Entwicklung der Elektronik schnell entwickelt wurde. Er basiert auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion nach Faraday und dient dazu, den Volumenstrom leitfähiger Flüssigkeiten zu messen. Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile wird es derzeit weit verbreitet zur Messung verschiedener leitfähiger Flüssigkeiten in der Industrie eingesetzt. Dazu gehören beispielsweise korrosive Flüssigkeiten wie verschiedene Säuren, Laugen und Salze; brennbare und explosionsgefährdete Stoffe; sowie verschiedene Industrieabfälle, Papiermasse und Schlamm. 　　Das Messprinzip basiert auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion von Faraday. Das heißt, wenn eine leitfähige Flüssigkeit durch einen elektromagnetischen Durchflussmesser fließt, entsteht in dieser Flüssigkeit eine Spannung, die proportional zur durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit V (Volumenstrom) ist. Das erzeugte Spannungssignal wird über zwei Elektroden, die mit der Flüssigkeit in Berührung stehen, erfasst. Anschließend wird es über Kabel zum Verstärker übertragen, wo es in ein einheitliches Ausgangssignal umgewandelt wird. Aufgrund des Messprinzips des elektromagnetischen Durchflussmessers ist es erforderlich, dass die fließende Flüssigkeit eine Mindestdichte an Leitfähigkeit aufweist. 　　Die wichtigsten Eigenschaften des elektromagnetischen Durchflussmessers sind:
① Der Transmitter des elektromagnetischen Durchflussmessers hat eine einfache Struktur – es gibt keine beweglichen Teile, und es gibt auch keine Elemente, die den Fluss des Fluids behindern könnten. Dadurch entstehen keine zusätzlichen Druckverluste, wenn das Fluid durchfließt. Zudem treten Probleme wie Abnutzung oder Verstopfungen nicht auf. Das Gerät eignet sich besonders gut zur Messung von Flüssigkeiten mit festen Partikeln, wie z.B. Schlamm oder Abwasser, sowie für verschiedene hochviskose Flüssigkeiten. Da es keine beweglichen Teile gibt, können Elektroden aus korrosionsbeständigen Materialien hergestellt werden, wodurch eine gute Korrosionsbeständigkeit erreicht wird. Dadurch kann das Gerät zur Messung verschiedener korrosiver Medien verwendet werden.
② Das elektromagnetische Durchflussmessgerät ist ein Gerät zur Messung des Volumenstroms. Bei der Messung wird es weder von der Temperatur, Viskosität, Dichte noch von der Leitfähigkeit des zu messenden Mediums beeinflusst – innerhalb bestimmter Grenzen. Daher muss das Gerät nur einmal mit Wasser kalibriert werden, um anschließend den Durchfluss anderer leitfähiger Flüssigkeiten messen zu können, ohne weitere Anpassungen vornehmen zu müssen.
③ Das elektromagnetische Durchflussmessgerät hat einen sehr weiten Messbereich – das Verhältnis zwischen dem maximalen und minimalen Messwert kann bis zu 1:10 betragen. Zudem hängt der Messwert nur vom durchschnittlichen Flussverhalten des Mediums ab, unabhängig davon, ob es sich um laminaren oder turbulenten Fluss handelt.
④ Das elektromagnetische Durchflussmessgerät hat keine mechanische Trägheit, reagiert schnell und kann somit auch kurzzeitige Schwankungen im Flussverlauf messen. Zudem ist die Linearität des Messsignals sehr gut. Dadurch kann das Messsignal direkt in ein Standardsignal umgewandelt werden, das entweder lokal angezeigt oder über große Entfernungen übertragen werden kann.

Trotz dieser guten Eigenschaften hat das elektromagnetische Durchflussmessgerät auch einige Nachteile, die seine Nutzung einschränken. Zu diesen gehören:
① Das Gerät kann nicht zur Messung von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten mit hohem Gasanteil verwendet werden.
② Derzeit kann das Gerät noch nicht zur Messung von Flüssigkeiten mit sehr niedriger Leitfähigkeit verwendet werden. Die Leitfähigkeit des zu messenden Mediums darf mindestens 10-5 (S/cm) betragen – das entspricht der Leitfähigkeit von destilliertem Wasser. Für Ölprodukte oder organische Lösungsmittel ist das Gerät ebenfalls nicht geeignet. 　　③Aufgrund der temperaturbedingten Einschränkungen des Isoliermaterials der Messrohre können industrielle elektromagnetische Durchflussmesser derzeit noch keine Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen und hohem Druck messen. 　　④Elektromagnetische Durchflussmesser werden von der Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst. Unter axialsymmetrischen Bedingungen ist das Durchflusssignal proportional zur durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit. Deshalb müssen vor und hinter dem Elektromagnetischen Durchflussmesser auch Abschnitte mit gerader Rohrform vorhanden sein.
⑤ Elektromagnetische Durchflussmesser sind anfällig für äußere elektromagnetische Störungen.
4. Wirbelstrommessgeräte: Wirbelstrommessgeräte sind neue Arten von Durchflussmessern, die auf dem Prinzip der Karman’schen Wirbel arbeiten, um den Flüssigkeitsdurchfluss in geschlossenen Rohrleitungen zu messen. Aufgrund seiner hervorragenden Anpassungsfähigkeit an verschiedene Medien kann er ohne Temperatur- und Druckkompensation direkt den Volumenstrom von Dampf, Luft, Gasen, Wasser und Flüssigkeiten messen. Mit integrierten Temperatur- und Drucksensoren lässt sich außerdem der Volumenstrom sowie der Massenstrom unter Standardbedingungen ermitteln. Er ist somit ein idealer Ersatz für Drosselstrommesser. Der Wirbelstrommesser verwendet einen (oder mehrere) nicht-strömungsgleiche Widerstandskörper im Fluid. Das Fluid trennt sich abwechselnd auf beiden Seiten des Widerstandskörpers, wodurch zwei Reihen regelmäßiger Wirbel entstehen. Im bestimmten Durchflussbereich ist die Frequenz dieser Wirbel proportional zur durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit im Rohr. Durch die Messung der Wirbelfrequenz mit verschiedenen Sensoren kann so der Volumenstrom berechnet werden. Vortex-Strömungsmesser eignen sich zur Messung von Flüssigkeiten, Gasen oder Dämpfen. 　　Es hat keine beweglichen Teile und auch kein Problem mit Schmutz. Vortex-Strömungsmesser erzeugen Geräusche und benötigen außerdem eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, um Wirbel zu erzeugen. Durch die Trennung der Messsonde des Wirbelstrommessers vom Wirbel erzeugenden Element sowie dadurch, dass das hitzebeständige Piezokristall nicht mit der Flüssigkeit in Berührung kommt, weist das Wirbelstrommesser Eigenschaften wie eine einfache Konstruktion, gute Allgemeingültigkeit und hohe Stabilität auf. 　　Vortex-Strömungsmesser werden hauptsächlich zur Messung des Durchflusses von Fluiden in industriellen Rohrleitungen eingesetzt, wie z. B. Gase, Flüssigkeiten und Dämpfe. Es zeichnet sich durch geringe Druckverluste, einen großen Messbereich und hohe Genauigkeit aus. Bei der Messung des Volumenstroms wird es nahezu nicht von Parametern wie Dichte, Druck, Temperatur oder Viskosität des Fluids beeinflusst. Es gibt keine beweglichen Mechanikteile, wodurch die Zuverlässigkeit hoch und die Wartungskosten gering sind. Die Instrumentenparameter bleiben langfristig stabil. Hohes Maß an Zuverlässigkeit – kann in einem Betriebstemperaturbereich von -20°C bis +250°C eingesetzt werden. Es werden sowohl simulierte Standardsignale als auch digitale Pulsignale ausgegeben. 5. Schwimmerstrommesser (Rotationsstrommesser): Ein Metallrohr-Schwimmerstrommesser ist im Grunde genommen ein Durchflussmesser mit variabler Fläche. Es weist in der Regel einen senkrecht stehenden Zylinderrohr auf sowie einen Schwimmer, der sich je nach Durchflussmenge frei darin nach oben und unten bewegen kann. Wenn die Flüssigkeit von unten nach oben durch den Kegelrohr fließt, führt die Bewegungsenergie der Flüssigkeit dazu, dass eine Schubkraft S auf den Schwimmer wirkt. Zusätzlich wirkt die Auftriebskraft A der Flüssigkeit darauf, dass der Schwimmer nach oben steigt. Mit zunehmender ringförmiger Durchflussfläche zwischen der Innenwand des Zylinders und dem Schwimmer nimmt die durch die Strömungskinetik auf dem Schwimmer erzeugte Schubkraft S ab. Wenn die Summe aus Schubkraft S und Auftriebskraft gleich der eigenen Schwerkraft G des Schwimmers ist, befindet sich der Schwimmer im Gleichgewicht und bleibt auf einer bestimmten Höhe. Die auf dieser Höhe angezeigte Skala gibt den Durchfluss durch den Durchflussmesser an. Der Sensor wandelt die Größe des Durchflusses in eine Verschiebung des Schwimmers um. Über ein magnetisches Kopplungssystem wird diese Verschiebung des Schwimmers an den Wandler übertragen, der so die Größe des Durchflusses anzeigt. 　　Der Schwimmervolumenmesser ist ein häufig verwendetes Messgerät zur Erfassung des Volumenstroms in der Prozesssteuerung der Industrieautomatisierung. Es zeichnet sich durch geringe Größe, großen Messbereich und einfache Bedienung aus. Es kann zur Messung des Durchflusses von Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen verwendet werden und eignet sich besonders gut zur Messung des Durchflusses bei niedrigen Geschwindigkeiten und geringen Mengen. 　　6. Wärmemessende (Gas-)Masseflussmesser: Wärmemessende Gas-Masseflussmesser nutzen das Prinzip der Wärmeausdehnung. Die Wärmeausdehnungstechnik zeichnet sich durch eine gute Leistung bei schwierigen Bedingungen sowie hohe Zuverlässigkeit aus. Zu den typischen Sensorelementen gehören zwei Widerstände aus Platin (Platinum RTD). Einer dient als Geschwindigkeitssensor, der andere als Temperatursensor, der automatisch Temperaturänderungen des Gases ausgleicht. Wenn diese beiden RTDs in das Medium gebracht werden, wird der Geschwindigkeitssensor auf eine konstante Temperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur erhitzt, während der andere Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Mediums verwendet wird. Der Massenstrom des Gases, der durch den Geschwindigkeitssensor strömt, wird anhand der Wärmeverteilung im Sensorelement berechnet. Mit zunehmender Gasgeschwindigkeit wird mehr Wärme vom Sensor an das Medium abgegeben. Daher ist eine höhere Leistung erforderlich. Die Leistung, mit der die elektronische Einheit den RTD erhitzt, steht in einem bestimmten Verhältnis zum Massenstrom. 　　Der thermische Massenstrommesser ist ein neues Messgerät für den Gasflussmessung. Im Gegensatz zu anderen Gasflussmessern sind keine Korrekturen hinsichtlich Druck und Temperatur notwendig – es wird direkt die Masse des Gases gemessen. Ein einziger Sensor kann dabei einen Messbereich von sehr niedrigen bis zu sehr hohen Werten abdecken. Es eignet sich für die Messung von einzelnen Gasen sowie von Gasgemischen mit festen Proportionen. Das zugrunde liegende Prinzip ist, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Fluid Wärme aufnimmt, direkt mit dem Massenstrom zusammenhängt. Bewegte Gasmoleküle nehmen beim Aufprall auf die Wärmewiderstände Wärme auf und transportieren sie mit sich. Je höher der Durchfluss ist, desto mehr Moleküle berühren die Wärmewiderstände – und desto mehr Wärme wird aufgenommen. Die Wärmeaufnahme hängt von der Anzahl der Moleküle eines Gases sowie von dessen thermischen und strömungstechnischen Eigenschaften ab.