Eine Frage des Messprinzips

CT-Produktfokus Durchflussmessgeräte

29.11.2018 Eine ganze Armada von Modellen und Mess­prinzipien stellen den Anwender von Durchflussmessern vor die Qual der Wahl. Darf es der Coriolis-Allrounder sein oder ist der Griff zum bewährten MID doch sinnvoller? Unsere Auswahl gibt einen Überblick über die jüngsten Entwicklungen für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten, Gasen und Schüttgütern.

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1: Flüssigkeiten – einfach montiertes Messgerät

Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät Flowtrans MAG I02 von Jumo misst leitfähige Flüssigkeiten in Rohrleitungen mit Nennweiten von DN 15 bis DN 400. Das Gerät ist mit zwei Zählern ausgestattet, auf dem hintergrundbeleuchteten Display lassen sich wahlweise die Durchflussmenge oder das Volumen anzeigen.

Die Mindestleitfähigkeit des Messmediums muss größer als 20 µS/cm sein, die Maximaltemperatur liegt bei 110 °C. Die Strömungsgeschwindigkeit muss im Messbereich zwischen 0,2 und 10 m/s liegen. Das Gerät verfügt über einen Analogausgang, einen Transistorausgang und zwei Relaisausgänge sowie über einen digitalen Eingang. Über die integrierte Status-LED lässt sich jederzeit der Zustand der Ausgänge erkennen. Der Analogausgang kann im Fehlerfall einen Alarmstrom von 22 mA ausgeben, um die automatische Fehlererkennung angeschlossener Systeme wie etwa einer SPS zu aktivieren. Die Montage des Geräts ist horizontal oder vertikal möglich. Die Kombination aus Elektronik und Sensorelement wird direkt in das Fitting eingeschraubt, ein Austausch der gesamten Messeinheit kann so unabhängig von der Rohrleitung erfolgen. Die verwendeten Werkstoffe sind CIP- und FDA-konform.

2: Durchflussmesser im Taschenformat

Ebenfalls das magnetisch-induktive Mess­prinzip nutzt der Durchflussmesser Picomag von Endress+Hauser. Dieser ist besonders kompakt und ermöglicht eine einfache und zuverlässige Durchflussmessung. Das Gerät erfasst den Durchfluss von elektrisch leitfähigen Medien und gleichzeitig auch deren Prozesstemperatur. Der Durchflussmesser wird zur Mengenmessung oder für die Überwachung von Kühl-, Warm- und Hilfswasserkreisläufen eingesetzt. Der kompakte Durchflussmesser kann via Bluetooth und einer kostenlosen App (Smartblue) in Betrieb genommen und mittels IO-Link-Technologie integriert werden.

Der Einbau ist in Rohrleitungen bis 50 Millimeter (2 Zoll) Durchmesser möglich. Dafür stehen verschiedene Prozessanschlussadapter zur Verfügung wie NPT-Gewinde, R-Gewinde, Innengewinde, Tri-Clamp- oder Victaulic. Die Wiederholbarkeit wird mit ±0,2 % v. E. angegeben, das Gerät kann bei Prozesstemperaturen zwischen -10 bis 70 °C und Prozessdrücken bis 16 bar eingesetzt werden. Es verfügt über eine große Anzeige, auf der Durchfluss, Temperatur und Summenzähler sowie auftretende Fehler, zum Beispiel eine Teilrohrfüllung oder Temperaturüberschreitung, durch Diagnosesymbole gemäß Namur-Empfehlung NE 107 angezeigt werden. Je nach Einbaulage (horizontal, vertikal) dreht sich das Anzeigenfeld zudem automatisch.

3: Medienresistente Messung

Die Durchflussmesser von EM-Technik nutzen das Schwebekörper-Prinzip und sind langlebig sowie frei von Verschleißteilen. Die nahtfrei gefertigten Gewinde und dichtenden Flächen sorgen für eine hohe Betriebssicherheit. Der Hersteller bietet die Durchflussmesser sowohl für Standardmessbereiche als auch für individuelle Sondermessbereiche an. Die Materialien PVDF und PTFE sowie das Messrohr aus Duran­glas sind besonders medienresistent und daher für den Einsatz bei aggressiven Chemikalien, wie z. B. Reinigungsmitteln, oder im CIP-/SIP-Bereich geeignet.

Die Messung ergibt sich beim verwendeten Prinzip aus der Relation zwischen Schwebekraft des Schwebekörpers und der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums innerhalb des Messrohres. Bei einer konstanten Durchflussgeschwindigkeit stabilisiert sich der Schwebekörper in einer bestimmten Höhe innerhalb des konischen Messzylinders. In dieser Lage sind die auf ihn wirkenden Kräfte im Gleichgewicht. Ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit durch Druckänderung, so steigt oder fällt der Schwebekörper im Messzylinder in ein größeres oder kleineres Gleichgewicht, das der veränderten Strömungskraft entspricht. Die jeweilige Stellung des Schwebekörpers entspricht einem bestimmten Volumenstrom und lässt sich auf der Skala des Messrohres als Durchflussmenge ablesen. Der Volumenstrom ist ständig sichtbar, und eine Auswertung ist über einen Ringinitiator oder Reedschalter möglich.

4: Ultraschall für aggressive Flüssigkeiten

Für chemisch aggressive Flüssigkeiten eignet sich auch der Durchflussmesser USF von Stübbe. Er arbeitet mit dem Ultraschall-Laufzeit-Verfahren und ist einfach und robust aufgebaut. Das Medium kommt nur mit den Elastomer- oder anderen Kunststoffmaterialien in Berührung, der eigentliche Schallwandler sitzt gut geschützt im Inneren der Konstruktion. Das Verfahren bietet darüber hinaus unabhängig vom Medium eine hohe Grundgenauigkeit. Es nutzt die Eigenschaft, dass die Ultraschallschwingungen mit der Fließgeschwindigkeit der zu messenden Flüssigkeit „mitgetragen“ werden. Das bedeutet, dass ein Ultraschallimpuls in Fließrichtung schneller am gegenüberliegenden Empfänger ankommt als gegen die Fließrichtung. Durch periodisches Wechseln von Sender und Empfänger ist das Ergebnis eine Zeitdifferenz, die direkt von der Durchflussgeschwindigkeit abhängt. Über den Abstand und das Volumen der Messstrecke lässt sich damit auch der Volumenstrom berechnen.

Der Aufbau des Geräts verhindert zuverlässig laminare Strömungen, bei denen die Fließgeschwindigkeit an den Rohrwänden geringer ist als in der Rohrmitte und die zu Abweichungen im Ergebnis führen. Die direkt gegenüberliegende Position der Sensoren bietet Vorteile im Signal/Rausch-Verhältnis. Erhältlich ist das Gerät in den Baugrößen DN 25 und DN 50 und mit verschiedenen Werkstoffen, nämlich Elastomeren (EPDM und FKM) oder anderen Kunstoffen (PVC-U, PP, PVDF). Die Ausgabe erfolgt über ein Uni-Display oder die analoge und digitale Anbindung an die Leitwarte.

5: Keine Bewegung, keine Wartung

Die Ultraschall-Durchflussmessgeräte von Bürkert bieten Messbereiche von 0,3 bis 75 l/min bzw. 0,05 bis 10,5 l/min. Sie eignen sich bei einer Messdynamik von 1:250 für kleine wie große Durchflussmengen. Da die Ultraschalltechnologie nach dem Laufzeit-Differenzverfahren ohne bewegte Teile auskommt, sind die Durchflussmesser unempfindlich gegen Verschmutzungen und praktisch wartungsfrei. Ein Temperatursensor ist bereits integriert. Durch den modularen Aufbau lassen sich die Ultraschall-Durchflussmesser schnell und einfach montieren, sowohl in senkrechten als auch waagrechten Rohrleitungen.

Die Durchflussmessgeräte bestehen aus einem Elektronikmodul, dem Messelement und einem Messing- oder Edelstahl-Fitting zur Verbindung mit der Rohrleitung. In der Cartridge- oder Patronen-Variante kann das Messmodul bei Bedarf einfach aus dem Fitting herausgenommen werden. Das erleichtert in vielen Fällen die Montage und erlaubt außerdem eine Reinigung des Messelements. Ohne Fitting lässt sich das Messelement aber auch in Blocklösungen einschweißen. Auf Wunsch kombiniert der Hersteller die Ultraschall-Durchflussmesser zu anwendungsspezifischen Komplettsystemen, validiert und zertifiziert entsprechend der jeweiligen Anforderungen.

6: Gase – Clamp-on arbeitet jetzt bis 200 °C

Ebenfalls mit Ultraschall arbeiten die Clamp-on-Systeme der Serie Fluxus G von Flexim. Diese messen allerdings den Durchfluss von Gasen. Dies ist jetzt für Medientemperaturen bis 200 °C möglich. Bisher beschränkte sich der Anwendungsbereich der eingriffsfreien Messtechnik auf maximal 100 °C. Die Durchflussmesser kommen in der chemischen Industrie vor allem dann zum Einsatz, wenn aufgrund des Mediums das Rohr nicht geöffnet werden sollte – etwa bei korrosiven oder aber toxischen Prozessgasen wie Ammoniak. Die Weiterentwicklung macht nun den Einsatz der Gasdurchflussmesser auch in Bereichen möglich, wo hohe Drücke mit hohen Temperaturen einhergehen wie in der Polyethylenproduktion oder in der Stickstoff- und Düngemittelindustrie.

Darüber hinaus sind auch Anwendungen für die eingriffsfreie Durchflussmessung von Dampf möglich. Eine hochentwickelte Signalverarbeitung und effektive Störschall-Unterdrückung machen es möglich, den Durchfluss von Gasen auch bei niedrigen Drücken zu messen, zum Beispiel Druckluft oder Stickstoff.

7: Thermischer Massemesser volldigital

Mit Sensymaster hat ABB seine thermischen Massedurchflussmesser zur Messung von Gasen weiterentwickelt. Die Gerätefamilie ist nach den Coriolis-Durchflussmessern die zweite des Herstellers, die auf der volldigitalen Elektronik-Plattform basiert. Die direkte Massemessung erfordert keine zusätzliche Druck- oder Temperaturkompensation in der Messung und bietet einen großen Arbeitsbereich von 1:150, der bei nahezu Null beginnt. Durch die sehr kleinen, in den Gasstrom hineinragenden Messelemente entsteht nur ein minimaler Druckverlust, und die Ansprechzeit von 0,5 s erlaubt eine dynamische Messung. Die Genauigkeit der Messung von 0,6 % vom Messwert bei gleichzeitig hoher Wiederholgenauigkeit ermöglicht den Einsatz in verschiedenen anspruchsvollen Anwendungen bei Einsatztemperaturen bis 300 °C.

Das „Sensor Application Memory“ erlaubt eine redundante Datenspeicherung zur Erhöhung der Datensicherheit. Die Geräte bieten eine Inbetriebnahmezeit von nur wenigen Minuten, hohe Verfügbarkeit bei geringem Wartungsaufwand sowie eine integrierte Datenbank, die es ermöglicht, eine Anzahl unterschiedlicher Prozessgase frei auszuwählen. Die „Sensor Check“-Funktion dient zur Überprüfung der thermischen Messelemente. Bei einem „Plug&Play“-Tausch der kompletten Elektronik bleibt die Konfiguration vollständig erhalten, eine Neukalibrierung des Messgeräts ist nicht nötig. Die Gerätefamilie ist in zwei Baureihen verfügbar: Die Geräte der FMT200-Reihe sind speziell für die einfache Systemintegration geeignet, wohingegen die Geräte der FMT400-Reihe in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen.

8: Druckschwankungen automatisch kompensiert

Massedurchflussmesser und -regler kombiniert Bronkhorst mit der Serie Prestige. Die Geräte werden für Gase eingesetzt und können mit einem integrierten Drucksensor ausgerüstet werden. Dadurch lassen sich Druckschwankungen automatisch kompensieren. Der Massedurchflussmesser kompensiert Druckschwankungen beim Eingangsdruck automatisch, indem er eine spezielle Sensortechnik für den Differenztemperaturausgleich mit einer integrierten Datenbank für Gase mit physikalischen Eigenschaften kombiniert. Die Genauigkeit und Regelstabilität bleibt trotz Schwankungen im Vordruck immer erhalten. Der Massedurchflussmesser ermöglicht es, jede beliebige vorhandene Gasart auszuwählen und den Messbereich innerhalb der Mess­bereichs­endwerte des Instruments anzupassen.

Daneben kann das dynamische Verhalten des Massedurchflussreglers durch eine Angleichung der Parameter für die Regelgeschwindigkeit auf einfache Weise vor Ort angepasst werden. Die Einstellungen lassen sich mithilfe des kostenlosen Software-Tools Flowtune und Flowplot ändern. Letzteres dient daneben auch für die Gerätediagnose oder die Einstellung der Alarm- und Zählfunktion.

9: Überwachter Gasverbrauch

Zur automatisierten Gasversorgung von Gleitringdichtungen bietet Festo den Einsatz von Proportionaldruckregelventilen verbunden mit einem Durchflussmesser an. Das Druckregelventil passt den Druck in der Dichtung schnell und exakt jeder Druckänderung im Behälter an. Dadurch liegt der Gasdruck in der Dichtung immer innerhalb des vom Betreiber definierten Bereichs. Dies hält die Leckagerate sowie die Betriebskosten durch den Gasverbrauch im Optimum.

Der Durchflussmesser überwacht den Gasverbrauch der Dichtung. Mit zunehmendem Verschleiß der Dichtung steigt in der Regel die Leckagerate und damit der Gasverbrauch an. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf den Verschleißzustand der Dichtung ziehen. Durch die Überwachung mit Sensoren reduziert der Betreiber den Aufwand für die Inspektion. Nach einer gewissen Lernkurve kann er die Alarmwerte anpassen, die Wartungszyklen verlängern und die Kosten weiter reduzieren.

10: Flüssigkeiten und Gase: Coriolis-Messgerät mit Ethernet-Anschluss

Den Messumformer MFC 400 von Krohne gibt es jetzt auch mit der Option Profinet I/O. Damit lassen sich alle Optimass x400 Coriolis-Massedurchflussmessgeräte mit Industrial-Ethernet-Kommunikation ausstatten. Mit Profinet I/O werden alle Mess-, Prozess- und Diagnosedaten des Messgeräts in Echtzeit über einen einzigen Kommunikationskanal bereitgestellt, sodass die Integration neuer Geräte ohne viel Aufwand möglich ist: Der Messumformer unterstützt Netzwerkfunktionen, wie Auto-Negotiation, Auto-Crossover, Auto-Polarity und Netzwerk-Diagnose, und wird beim Verbinden mit einem Netzwerk automatisch in die Kommunikationspfad-Topologie eingefügt. Er unterstützt außerdem das Media Redundancy Protocol: bei einem Leitungs- oder Geräteausfall schaltet der MFC 400 sofort auf einen alternativen Kommunikationspfad um, wenn er in einer Topologie installiert ist, die dies unterstützt. Ein Web-Server wird nicht benötigt, Standardfunktionen, wie Nullpunktkalibrierung oder Zählerrücksetzung, können direkt ausgeführt werden.

Das Gerät erreicht Datenübertragungsraten bis 100 MB/s. Ein zusätzlicher externer Switch wird nicht benötigt, da bereits ein integrierter gemanagter Ethernet-Switch enthalten ist. Dieser bietet zusätzliche Funktionen, beispielsweise zur Diagnose entsprechend der Namur-Empfehlung NE 107 für Status- und Fehlerverarbeitung; dazu die Eigendiagnose interner Schaltungen und Informationen zu den aktuellen Prozessbedingungen, z. B. Anzeige von 2-Phasen-Durchflüssen, Dichte oder Temperatur.

11: Feststoffe – Messgerät nutzt Mikrowellen

Für die Online-Durchflussmessung von Feststoffmengen in metallischen Rohrleitungen ist der MF 3000 von Mütec mit neuer Mikrowellentechnologie ausgestattet. Mit dem Gerät lassen sich Pulver, Stäube, Pellets und Granulate im Durchsatzbereich von wenigen kg/h bis zu vielen t/h reproduzierbar messen.

Der Durchflussmesser eignet sich für Online-Messungen in pneumatischen Förderungen oder im Freifall und ist eine Alternative zu Wiegesystemen. Das Messverfahren beruht auf dem physikalischen Prinzip des Doppler-Effektes. Dabei baut der Sensor in der Rohrleitung ein homogenes Mikrowellenfeld auf. Die durch die Rohrleitung geförderten Feststoffteilchen reflektieren die Mikrowellen, die wiederum der Sensor empfängt. Das System wertet die Frequenz- und Amplitudenänderungen während des Messvorgangs aus und bestimmt so den Massedurchfluss. Ruhende Partikel, wie z. B. Ablagerungen, oder auch statische Aufladungen gehen in die Messung nicht mit ein. Da die Messung sehr schnell erfolgt, werden auch kurzfristige bzw. geringe Mengenschwankungen erfasst.

Die Prozessankopplung erfolgt über einen Anschweißstutzen, in den der Sensor innenbündig mit der Rohrinnenwand eingebaut wird. Es befinden sich keine Teile im Produktstrom, wodurch der Sensor abrasions- und wartungsfrei ist. Eine einstellbare Empfindlichkeit des Sensors ermöglicht die Anpassung an Messungen in sehr kleinen oder sehr großen Rohrdurchmessern. Die Bauform des Sensors ist kompakt und robust. Er ist mit einem DIN-Schienen-Transmitter verbunden, der einen RS232- und einen galvanisch getrennten RS485-Anschluss sowie ein galvanisch getrenntes 4…20-mA-Signal für die PLS-Anbindung zur Verfügung stellt. Die Kalibrierung ist einfach mit einer Software anhand einer oder mehrerer Referenzmengen. Für Ex-Anwendungen steht eine Atex-Version zur Verfügung.

12: Zubehör – Bedienung aus sicherer Entfernung

Bei den externen Durchflussanzeigen der Serie PFG300 hat Anbieter SMC die Anzeige und Sensorik komplett voneinander getrennt. Sie lassen sich damit unabhängig an verschiedenen Einbaupositionen eines Anlagesystems anbringen.

So lassen sich zum Beispiel die Anzeigegeräte der PFG300-Serie zentral in einem Schaltschrank und die Sensorik dezentral im Feld anbringen. Die Bedienung ist so bequem von einer prozessunabhängigen Stelle aus möglich. Das zweizeilige Design des LCD ermöglicht es, parallel zum aktuellen Messwert noch einen weiteren Parameter in der unteren Hälfte anzuzeigen. Als Anzeigewert kann hier zwischen dem kumulierten Volumenstrom, dem Hysteresewert, dem Höchst- oder Tiefstwert sowie dem Schaltpunkt gewechselt werden. Die Durchflussanzeigen sind für Volumenströme bis 12.000 l/h geeignet. Die Anzeigegenauigkeit liegt bei 0,5 %. Kompatibel sind die Geräte mit den Sensoren der Serien PF3A7, PFMB und PFMC. Am Schaltausgang ist die Polarität zwischen NPN und PNP frei wählbar.

Die Abmessungen betragen 30 x 30 x 25 mm bei einem Gewicht von 25 g. Über eine Kopierfunktion lassen sich alle Einstellungen vom Master an weitere Einheiten im System einfach und schnell übertragen, ein PIN-Code verhindert unerlaubten Zugriff. Eine Energiesparfunktion reduziert die Stromaufnahme auf maximal 25 mA. Die Messwertanzeige wechselt in den Ruhemodus, und die Anzeige erlischt. Abfrage und Einstellung verschiedenster Parameter sind via Fernzugriff möglich.

13: Messung auch bei Gaseintrag

Die neue Software „Advanced Phase Measurement“ in der Micro Motion Coriolis-Auswerteelektronik 5700 von Emerson ermöglicht die genaue Messung von Konzentrations- und Massedurchflusswerten sowie die Überwachung von Gaseinträgen im Prozess.

Mit der neuen Software für die Emerson-Geräte kann zudem die Zusammensetzung von Flüssigprodukten und Durchflussraten bei Gaseinträgen im Prozess überwacht werden. Coriolis-Messgeräte sind in der Lage, präzise und unabhängige Messungen von Massedurchfluss- und Dichtewerten durchzuführen. In Kombination mit Kenntnissen der Dichte eines Produkts bei einer Reihe von Temperaturen und Konzentrationen ermöglicht dies die genaue Messung der Konzentrations- und Durchflusswerte einer Einzelkomponente eines Zweikomponentengemischs. In der Vergangenheit war dies auf einphasige Flüssigkeitsprozesse beschränkt, da sich anwesendes Gas stark auf die Prozessdichte auswirkt und kleine Dichteänderungen, die durch Änderungen der Konzentration entstehen, verdecken würde. Eine sinnvolle Konzentrationsmessung war so unmöglich.

„Advanced Phase Measurement“ ist ein Algorithmus, der die Auswirkungen intermittierender Gasblasen auf die Dichte- und Durchflussmessungen im Rahmen eines Flüssigkeits- oder Schlammprozesses ignoriert. Die in der Coriolis-Auswerteelektronik 5700 enthaltenen Diagnosevariablen, wie beispielsweise die Antriebsverstärkung, unterscheiden zwischen einem reinen Flüssigkeitsprozess und einem Prozess mit Gas­einträgen. Wird ein Gaseintrag erkannt, wird der Dichteabfall zwischen dem reinen Flüssigkeitsprozess und dem Flüssigkeitsprozess mit Gaseintrag verwendet, um die im Prozess enthaltene Gasmenge zu bestimmen. Zusätzlich wird die vorherige Dichtemessung im reinen Flüssigkeitsprozess für die Bestimmung der Konzentration herangezogen. Mit dieser Methode können sowohl kleine Gasmengen als auch große Gasblasen erkannt und bei der Korrektur berücksichtigt werden.

Die Software bietet ein robustes Verfahren für die Messung von Flüssigkeitskonzentrationen, eine stabile Möglichkeit der Rückmeldung für Steuerungen, die auf Konzentrations- oder Durchflusswerten basieren, sowie eine Anzeige der im Prozess enthaltenen Gasmenge.

 

Heftausgabe: Dezember/2018
Jona Göbelbecker, Redaktion

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