Ultraschall-Durchflussmesser für Flüssigkeiten, Gase und Dampf

Ein Außenseiter-Verfahren ist die eingriffsfreie Durchflussmessung mit Ultraschall schon lange nur noch im technischen Sinn: Clamp-on-Ultraschallsensoren werden einfach auf der Außenseite des Rohrs montiert, üblicherweise bei laufendem Betrieb. Gerade in der Chemie mit ihren oft aggressiven und toxischen Medien schätzt man die Vorteile der eingriffsfreien Messtechnik. Denn Durchflussmessung von der Rohraußenseite bedeutet messen von der sicheren Seite – ohne jeden Verschleiß durch das Medium, ohne Leckage­risiko, ohne Druckverlust und ohne jede Beeinträchtigung der Anlagenverfügbarkeit.

Eine Herausforderung ist es jedoch, diese Vorteile auch in explosionsgefährdete Bereiche zu transportieren – und zwar ohne Kompromisse hinsichtlich der Messgröße und folglich in puncto Messgenauigkeit machen zu müssen. Um genau dies zu erreichen, hat Flexim den Durchflussmesser Fluxus F/G831 entwickelt. Das Ultraschallsystem misst den Durchfluss nach dem Laufzeitdifferenzverfahren. Aus der Differenz der Laufzeit von Ultraschallsignalen, die mit und gegen die Strömungsrichtung in das Rohr eingestrahlt werden, errechnet der Messumformer die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und daraus den Volumenstrom. „Gerade in der chemischen Industrie, wo es oft um stöchiometrische Verhältnisse geht, interessiert jedoch der Volumenstrom eigentlich nicht, sondern vielmehr der Massen- beziehungsweise bei Gasen der Normvolumenstrom“, erklärt Dr. Ingo Nickel, der als Marktmanager für den Messtechnik-Hersteller das Industriesegment Chemie betreut. „Diesen Massen- oder Normvolumenstrom können wir nun auch im explosionsgefährdeten Bereich hochgenau messen.“

Der Durchflussmesser wurde speziell für anspruchsvolle Messaufgaben im Gefahrenbereich entwickelt. Tatsächlich handelt es sich bei dem neuen Ultraschallsystem nicht um ein Gerät, sondern eigentlich um drei beziehungsweise sogar vier: Als Modell Fluxus F831 dient es zur eingriffsfreien Durchflussmessung von Flüssigkeiten, der äußerlich baugleiche G831 misst den Durchfluss von Gasen. Die Serie G831 ST wiederum bringt nun die eingriffsfreie Dampfmessung in den Ex-Bereich: G831 ST-LT eignet sich zur Mengenmessung von Satt- und überhitztem Dampf bei Temperaturen bis 180 °C, bei höheren Temperaturen bis 600 °C kommt das Messsystem G831 ST-HT in Kombination mit dem patentierten Wave Injector zum Einsatz. Im Unterschied zu den Geschwistergeräten misst das Hochtemperatur-Dampfsystem nach dem Kreuzkorrelationsverfahren.

Der entscheidende Fortschritt zeigt sich bei sämtlichen Ausführungen der neuen explosionsgeschützten Geräteserie in zwei Kabelverschraubungen am Messumformer. Hier lassen sich externe Druck- und Temperatursensoren anschließen. Aus den Messdaten errechnet der Umformer den Massen- beziehungsweise den Normvolumenstrom. Weil die Prozesseingänge eigensicher (Ex ia) ausgeführt sind, kann das Messsystem im explosionsgefährdeten Bereich der Atex-Zone 1 betrieben werden. Im Inneren des druckfest gekapselten Gehäuses sorgt ein leistungsfähiger Prozessor für die nötige Mess­performance. Die schnelle Messwertausgabe erlaubt die Erfassung hochdynamischer Prozesse in Echtzeit. Messumformer und Sensoren werden in einem patentierten Verfahren unabhängig voneinander und ohne den Einfluss applikativer Störgrößen kalibriert. Dadurch ist im Feld jederzeit eine hohe Messgenauigkeit sichergestellt, egal, in welcher Kombination das Messsystem eingesetzt wird.

Zwei weitere Kabelverschraubungen weisen darauf hin, dass der Durchflussmesser mit zwei Durchfluss-Messkanälen betrieben werden kann. Diese können wahlweise als ökonomische Lösung zur simultanen Durchflussmessung an zwei verschiedenen Rohrleitungen oder zur besonders genauen Durchflussmessung an einem Rohr genutzt werden.

Die neue Geräteserie verfügt über die Möglichkeit zur automatischen Korrektur gestörter Strömungsprofile, die im Rahmen einer Forschungskooperation gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelt wurde. Bei stärkeren Verzerrungen des Strömungsprofils empfiehlt sich die Instrumentierung der Durchflussmessstelle als Zweikanalmessung mit über den Rohrquerschnitt versetzten Signalpfaden. Dabei kommt es, insbesondere bei dynamischen Prozessen, entscheidend auf die Geschwindigkeit der Kanal­umschaltung und -verrechnung an. Der Hochleistungsprozessor ermöglicht die synchrone Mehrkanalmessung. Durch die praktisch simultane Erfassung und Verarbeitung von Messdaten der beiden unabhängigen Messkanäle und die Ausgabe eines Mittelwerts werden Querströmungseinflüsse effektiv reduziert und die tatsächlichen Strömungsprofile besser abgebildet.

Das Gerät ist auch ein echter „Digital Native“. Als solcher unterstützt er nicht nur diverse Protokolle zur bidirektionalen Kommunikation, sondern bietet auch die Möglichkeit zur Parametrierung sowie kabellosen Übermittlung von Messwerten und interner Diagnosedaten via WLAN. Mit der Software Fluxdiag lassen sich die Daten komfortabel auf dem Notebook oder am PC visualisieren und auswerten.

Die hohe Flexibilität der Ultraschall-Durchflussmesser hinsichtlich Medien, Aggregatzustand, Rohrmaterial und -dimension, Druck und Temperatur eröffnet einen großen Anwendungsbereich. Das Gerät misst praktisch alles, was fließt. Konkret heißt dies: Die Flüssigkeitsgeräte eignen sich zur eingriffsfreien Durchflussmessung von praktisch allen flüssigen Medien, von der dünnsten Leitung bis zum größten Rohr, unabhängig vom innen herrschenden Druck und über einen großen Temperaturbereich. In Verbindung mit einer patentierten Sensor­anbringung für Extremtemperaturen kann der Durchfluss von Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich von -190 °C (zum Beispiel im Falle von LNG) bis über 600 °C eingriffsfrei gemessen werden. Die Technologie der Flüssigkeitsgeräte ermöglicht die zuverlässige eingriffsfreie Durchflussmessung auch von Flüssigkeiten mit erhöhtem Feststoff- beziehungsweise Gasanteil. Darüber hinaus zeichnet sich das akustische Messverfahren durch seine Empfindlichkeit und Dynamik aus: Selbst Durchflüsse von wenigen l/h können präzise erfasst werden.

Die leistungsfähige Signalverarbeitung des Prozessors spielt ihre Vorzüge erst recht bei der eingriffsfreien Durchflussmessung von Gasen aus. Hier liefert die synchronisierte Mehrkanalmessung gute Messergebnisse selbst unter besonders dynamischen Bedingungen. Durch die Verarbeitung von Messdaten für Druck und Temperatur kann unmittelbar der Normvolumenstrom ausgegeben werden. „Eine Zeitlang sah es fast danach aus, als würde sich in der Chemie zur Durchflussmessung das Coriolis-Verfahren als Standardmesstechnik durchsetzen“, erinnert sich Ingo Nickel: „Coriolis-Durchflussmesser haben den unbestreitbaren Vorteil, dass sie als primäre Messgröße direkt den Massestrom ausgeben. Zugleich haben sie den ebenso unbestreitbaren Nachteil, dass sie Verschleiß durch das Medium und die Prozessbedingungen ausgesetzt sind. Daher erweist sich unsere eingriffsfreie Messtechnik in vielen Anwendungen als überlegene Lösung.“