Bidirektionale thermische Gasdurchflussmessung

Thermische Massedurchflussmessgeräte sind bereits seit über 40 Jahren vor allem in Druckluft und vergleichbaren Gasmessungen im Einsatz. Sie arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem durch eine Masseströmung ein bestimmter Wärmeabtrag erfolgt. Daraus lässt sich der Durchfluss in einer Rohrleitung bestimmen. Die Vorteile dieser Geräte machen sie dort zum idealen Messgerät. So ist der Druckverlust vernachlässigbar gering und die Messdynamik hoch. Damit lassen sich auch sehr geringe Mengen messen und Leckagen im Rohrleitungsnetz erkennen.

Auch in anderen industriellen Gasen als Druckluft, zum Beispiel Erdgas, Stickstoff, Kohlendioxid und Argon, gewinnen thermische Durchflussmessgeräte immer mehr an Bedeutung. Bei Endress+Hauser gehört die Baureihe t-mass seit bereits 25 Jahren zum Portfolio für die Durchflussmessung von Gasen. Mit der jüngsten Proline-3-Generation ist das Durchflussmessgerät
t-mass 300/500 „fit für die Zukunft“. Zu den Neuerungen zählen die Möglichkeit zur bidirektionalen Messung, die Feuchteerkennung am Sensor mit der Heartbeat-Monitoring-Funktion sowie eine SIL2-Zertifizierung für die wichtigsten Gase.

Herzstück einer guten Messperformance ist die Sensorik. Sie besteht bei thermischen Durchflussmessgeräten in der Regel aus PT100-Widerstandselementen. Die drahtgewickelten oder Dünnfilm-Bauteile, die in Metallhülsen eingelassen werden, sind im Prozessbetrieb thermischen Einflüssen, Anlagevibrationen und Alterung ausgesetzt. Dies führt auf Dauer zu einer Sensordrift und damit nichtlinearen Messung. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, hat der Hersteller ein neues Sensor­design entwickelt, das den Widerstand fest mit der Sensorspitze verbindet. Dadurch bilden die beiden Bestandteile quasi ein einziges Bauteil. Das Ergebnis ist eine hohe erreichbare Messgenauigkeit von < 1 % des Messwerts sowie eine hohe Langzeitstabilität von mindestens zehn Jahren innerhalb der spezifizierten Genauigkeit. Dies erfüllt eine Voraussetzung für den industriellen Einsatz, wo die Standzeit eines Messgeräts heute mit durchschnittlich 15 Jahren anzusetzen ist.

Der Sensor des Messgeräts besteht aus drei Temperaturfühlern und einem Strömungshindernis. Die drei Fühler arbeiten in einem ausgeklügelten Regelkreis mit Hilfe des Strömungshindernisses zusammen und erlauben dadurch die Richtungserkennung der Strömung sowie daraus abgeleitet die bidirektionale Durchflussmessung. Das ist in dieser kompakten Form einzigartig – herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte erkennen die Richtung nicht und zeigen in beide Richtungen zwar einen Messwert an, jedoch ohne Bezugsmöglichkeit zur Strömungsrichtung. Bei solchen Geräten ist der Messwert in Gegenströmungsrichtung typisch mit einem zusätzlichen Messfehler von > 30 % des Messwerts behaftet.

Ein Anwendungsfall für die bidirektionale Gasmessung ist beispielsweise die Druckluftringleitung. Darin kann sich je nach Abnahmeverhalten die Durchflussrichtung immer wieder umkehren. Das bidirektionale Messgerät ermöglicht hier eine sichere Mengenerfassung bei gleichbleibender Genauigkeit in beide Richtungen. Ein weiteres Beispiel ist die Gebäudebelüftung, bei der die Einsteckvariante des Geräts in einen rechteckigen Kanal eingebaut wird. Im Normalbetrieb wird die Luftmenge der Belüftung gemessen, und im Sonderfall eines Brandes lässt sich in Gegenrichtung die abgesaugte Luftmenge erfassen. Für solche Anforderungen sind bisher zwei Geräte nötig. Oft kommen zur zusätzlichen Richtungserkennung auch mechanische Lösungen zum Einsatz, die regelmäßig auf Funktion und Verschleiß zu prüfen sind. Für solche Messaufgaben ist t-mass 300/500 als Flanschgerät oder als Einsteckvariante eine kompakte „All-in-One“-Lösung.

Neben der Luft- und Druckluftmessung ermöglicht das Gerät die Messung vieler weiterer Gase und Gasgemische. Möglich ist dies durch die Gas-Engine des Anbieters. Dieser integrierte Gasrechner beinhaltet international anerkannte Eigenschaften der Gase und erlaubt die flexible Einstellung des Gerätes auf unterschiedliche Messanforderungen – mit dem großen Vorteil, dass keine Kalibrierung mit Echtgas notwendig ist. Stattdessen wird das Messgerät immer mit Luft auf einer akkreditierten Kalibrieranlage kalibriert. In der Anwendung lassen sich dann reine Gase oder Gasgemische mit bis zu acht Bestandteilen einstellen. Hierzu stehen Daten über 21 Industriegase sowie Wasserdampf als zusätzliche Gaseigenschaft zur Verfügung. Weiterhin ist es möglich, zwei Gasgruppen zu definieren und diese über eine Eingangsfunktion umzuschalten, etwa wenn nach dem eigentlichen Messen mit einem anderen Gas die Leitung gespült werden soll. Bei veränderlichen Gemischen kann die Hauptkomponente über einen Stromeingang eingelesen werden. Damit wird das Verhältnis zu den anderen Bestandteilen kontinuierlich angepasst.

Neben seiner dadurch erreichten hohen Flexibilität ist das Messgerät einfach zu bedienen. Es basiert auf der aktuellen Gerätelinie Proline 300/500 des Herstellers. Das einheitliche Konzept bietet nützliche Funktionalitäten wie die Heartbeat Technology, den Histo-ROM Datenspeicher oder das SIL-Gerätekonzept, um den Praxiseinsatz einfach und sicher zu gestalten. Die Bedienung ist einheitlich zu allen übrigen Durchflussmessgeräten der Serie wie Promass, Promag, Prosonic Flow oder Prowirl. Hervorzuheben ist an dieser Stelle auch der integrierte Webserver, der eine einfache Bedienung ohne eine separate Software oder Treiberinstallation ermöglicht. Als Ergänzung erlaubt die WLAN-Schnittstelle einen problemlosen Zugriff auf das Gerät, auch wenn es an schwer zugänglichen Stellen eingebaut ist.

Mit dem flexiblen Ein- und Ausgangskonzept ist die Messung einfach an die Anforderungen einer Messstelle anpassbar. Darüber hinaus ist t-mass 300/500 das weltweit erste thermische Durchflussmessgerät, dass nach DIN EN 61508 entwickelt und für den Einsatz in Sicherheitseinrichtungen gemäß SIL2/3 zertifiziert ist. Gerade im Einsatz in PLT-Sicherheitseinrichtungen sind eine einfache Geräteprüfung und eine hohe Diagnoseabdeckung von besonderer Bedeutung. Die hohe Diagnoseabdeckung (DC-Diagnostic Coverage) der Heartbeat-Gerätediagnose macht seinen Einsatz in PLT-Sicherheitseinrichtungen besonders sicher. Mit entsprechender Verifikation ist eine umfangreiche und kostengünstige Geräteprüfung mit Prüfprotokoll im eingebauten Zustand und ohne Prozessunterbrechung möglich.