Klassiker mit Potenzial

Aktuelle Entwicklungen bei der magnetisch-induktiven Durchflussmessung

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28.11.2009 Im „Höher, Schneller, Weiter“ der heutigen Zeit werden klassische Methoden der Betriebsmesstechnik oft unterschätzt. Zu Unrecht, wie das Beispiel der magnetisch-induktiven Durchflussmessung verdeutlicht. Die Entwicklungen der vergangenen Jahre zeigen, dass das Messprinzip immer noch zusätzliches Potenzial hat und dadurch Anwendungen möglich werden, die der Technologie bislang verschlossen waren.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Der Markt für magnetisch-induktive Durchflussmesser wird auf rund 730 Mio. US-Dollar geschätzt (2006). Über 5Mio. Geräte sind im Einsatz, Krohne Messtechnik schätzt dabei den eigenen Marktanteil auf ca. 20 %.
  • Zu den wichtigsten Entwicklungen der vergangenen Jahre gehören keramische Auskleidungen mit Flansch, der kapazitive, elektrodenlose Signalabgriff, die virtuelle Referenz mit der sich Erdungsringe und -elektroden vermeiden lassen sowie Funktionen zur Geräte- und Prozessdiagnose.
  • Besonders bei der Prozessdiagnose ist noch weiteres Entwicklungspotenzial vorhanden. Die Herausforderung besteht darin, Know-how aus den Bereichen Mess- und Verfahrenstechnik zu verbinden.

Als das niederländische Unternehmen Tobi vor 56 Jahren die ersten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräte für den industriellen Einsatz produzierte, ahnte niemand, welch durchschlagender Erfolg dem Messprinzip beschieden sein würde: Über drei Millionen MID-Geräte sind heute im Einsatz, rund 730 Mio. US-Dollar wurden nach ARC-Schätzungen in 2006 mit magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten umgesetzt – und der Markt wächst, so die Berechnungen der Consultants, jährlich um 3,5 Prozent. Zwar setzen die relativen „Newcomer“ Coriolis-Massemesser und Ultraschall-Durchflussmessgeräte das Messprinzip mehr und mehr unter Druck, doch in einem wesentlichen Aspekt ist der MID bislang ungeschlagen: Der Preisfaktor spricht immer dann, wenn elektrisch leitfähige Flüssigkeiten gemessen werden sollen, für den MID.

Das Prinzip ist vergleichsweise einfach: Fließt eine elektrisch leitende Flüssigkeit durch ein Magnetfeld, wird nach dem Faradayschen Induktionsgesetz eine Spannung induziert, die bei konstantem Rohrdurchmesser direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit und damit zum Volumenstrom ist. Auf der Habenseite der in der Regel robusten Messgeräte ist zunächst der freie Querschnitt zu nennen. Das Magnetfeld wird von Spulen erzeugt, die um eine Rohrwand herum angeordnet sind. Das induzierte Spannungssignal wird in der Regel über zwei in die Rohrwand eingelassene Elektroden abgegriffen, die in Kontakt zum Messstoff stehen. Da das Messprinzip ohne mechanisch bewegte Teile auskommt, sind die Geräte praktisch verschleißfrei. Dazu kommt der lineare Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Messignal, aus dem eine hohe Genauigkeit über weite Messspannen resultiert.
Ein wichtiger Aspekt der Gerätetechnik ist seit jeher die Auskleidung der Rohre, die dazu dient, dass die Elektroden elektrisch nicht kurzgeschlossen werden. Bereits frühzeitig (1978) wurden die von Tobi (später: Alto) entwickelten Geräte mit einer keramischen Auskleidung geliefert, gängig sind heute außerdem Kunststoffe wie Polypropylen oder PFA. Aber auch die an sich schwierig zu handhabende, aber enorm widerstandsfähige Keramik wurde weiterentwickelt. Krohne Messtechnik, die Alto 1962 übernahm, führte 1982 eine Sandwich-Keramik (Zwischenflansch-Ausführung) ein und ersetzte die Metall-Elektroden darin zwei Jahre später durch das Verbundmaterial Cermet, um damit ein spezifisches Problem der MID-Geräte zu eliminieren: Die Korrosion oder galvanische Zersetzung der Elektroden. Ein Spalt zwischen Elektroden und Messrohr kann hier nicht mehr auftreten.
Jüngstes Beispiel ist die Entwicklung einer durchgehenden Keramik mit Flansch und kapazitivem, elektrodenlosem Signalabgriff, die in 2007 vorgestellt wurde. Die kapazitive Elektrode kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn die zu messende Flüssigkeit eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit hat oder Ablagerungen bildet. Damit lassen sich Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit ab 0,05 µS/cm messen.

Installations- und Erdungsfehlervermeiden

Doch so sicher die magnetisch-induktive Durchflussmessung heute auch ist, bei der Installation müssen Betreiber bzw. das Inbetriebnahmepersonal einige Punkte beachten. Dazu gehört zunächst einmal der Einbauort. Wird der Durchflussmesser am höchsten Punkt einer Rohrleitung eingebaut, können sich im Messrohr Gasblasen sammeln. Und da es sich um eine Volumenmessung handelt, kommt es in diesem Fall zu Messfehlern. Auch in Fallleitungen sollten MID-Geräte nicht eingebaut werden, wenn dieGefahr besteht, dass die Leitung leer laufen kann. Für Anwendungen, in denen der Durchfluss auch in teilgefüllten Leitungen gemessen werden soll, gibt es seit einigen Jahren spezielle Ausführungen.

Ein weiterer neuralgischer Punkt ist die Erdung des MID, da Potenzial-Differenzen zwischen der zu messenden Flüssigkeit und dem Messumformer zu Messfehlern führen können. Denn nicht immer ist die Rohrleitung vor und nach dem Messgerät elektrisch leitfähig oder geerdet. Um den Messstoff auf ein bekanntes Potenzial zu bringen, werden entweder zusätzliche Erdungselektroden in das Messrohr eingebracht, oder an den Flanschenden des Durchflussmessers werden Metall-Erdungsringe installiert, die mit dem Messstoff in leitendem Kontakt stehen.
Um die damit verbundenen Nachteile wie die elektrolytische Zerstörung der Erdungselektroden oder zusätzliche Kosten für Erdungsringe zu beseitigen, wurde von Krohne die „Virtuelle Referenz“ entwickelt. Dabei erfasst der Eingangsverstärker des MID-Messumformers die Potenziale der Messelektroden und erzeugt daraus eine Spannung, die dem Potenzial der ungeerdeten Flüssigkeit entspricht. Diese Spannung wird als Referenzpotenzial für die Signalverarbeitung genutzt.
Dieses Verfahren ermöglicht es außerdem, MID-Geräte auch dann ungeerdet einzusetzen, wenn in einer Anlage Spannungen und Ströme auf der Rohrleitung liegen, wie dies bei Elektrolyse- und Galvanik-Anlagen der Fall ist.Da die virtuelle Referenz allein im Messumformer erzeugt wird, eignet sich die Technik auch zum Nachrüsten vorhandener oder bereits installierter Geräte. Voraussetzung für das Verfahren ist ist allerdings, dass die zu messende Flüssigkeit eine Leitfähigkeit von mindestens 200 µS/cm hat.

Enorme Fortschritte bei der Geräte- und Applikationsdiagnose

Ein interessantes und im Hinblick auf den Prozessnutzen noch wenig erschlossenes Feld für Weiterentwicklungen ist die Diagnose. Dass sich MID-Geräte selbst überwachen, ist inzwischen für viele Hersteller selbstverständlich. Das wirkliche Potenzial liegt jedoch darin, aus den vom Durchflussmessgerät gelieferten Informationen Rückschlüsse auf den Prozess selbst zu ziehen. Steckt hinter einer erkannten Elektrodenkorrosion vielleicht die Tatsache, dass sich die Zusammensetzung der zu messenden Flüssigkeit geändert hat? Lassen die in der Leitung erkannten Gasblasen auf eine kavitierende Pumpe schließen? Sind Abrasionen in der Auskleidung ein Indiz dafür, dass in der Flüssigkeit Feststoffe vorhanden sind, obwohl da eigentlich keine sein sollten? Solche und andere Phänomene können bei sorgfältiger Berücksichtigung der Einbausituation und der Rahmenbedingungen der Applikation heute auch über MID-Geräte diagnostiziert werden.

„Wir wollen von der reaktiven hin zur proaktiven Wartung und einen Ausfall möglichst schon Wochen vorher erkennen“, verdeutlicht Gerard van Boven, Produktmanager magnetisch-induktive Geräte, bei Krohne Altometer die Zielsetzung. Mit der vor drei Jahren für die Optiflux-Baureihe vorgestellten 3 x 100%-Diagnose (Bericht in CT 1/2005, abrufbar unter www.chemietechnik.de, Such-Stichwort „Krohne“) hat der Anbieter bereits einen deutlichen Schritt in Richtung Zustandserkenung gemacht. Um Funktionen mit einem höheren Mehrwert für den Prozess realisieren zu können, sind die Gerätelieferanten mehr denn je gefordert, eigenes Prozess-Know-how zu erwerben. Günter Pinkowski, Leiter strategisches Marketing bei Krohne, sieht deshalb einen klaren Trend hin zu einem erweiterten Angebot: „In Zukunft werden verstärkt Dienstleistungen um den Durchflussmesser herum gefragt sein.“
Fazit: Die Entwicklungen der vergangenen Jahre zeigen, dass der Klassiker „MID“ immer noch Potenzial hat. Dort, wo leitfähige Flüssigkeiten gemessen werden sollen, behaupten sich magnetisch-induktiv arbeitende Geräte aufgrund ihres vergleichsweise niedrigen Preises gegenüber Coriolis- oder Ultraschallgeräten.

Heftausgabe: Januar-Februar 2008
Armin Scheuermann , Redaktion

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Armin Scheuermann , Redaktion

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