Strömung auf den Punkt gebracht

Einfach zu installierender thermischer Massemesser

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05.03.2018 Kalorimetrische Strömungsmessungen haben es in sich: Einerseits liefern sie ein zur Masse proportionales Signal, andererseits muss die Sensorik für genaue Messungen richtig installiert und angewandt werden. Ein neuer Sensor bringt Heizelement und Temperatursensor auf einen Punkt und ist deshalb besonders einfach zu installieren.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei der Installation von kalorimetrischen Strömungssensoren müssen einige Punkte beachtet werden.
  • Um die Anwendung zu vereinfachen, kommt bei dem kalorimetrischen Flüssigkeits-Strömungssensor Flexflow lediglich ein einziges Pt100-Sensorelement zum Einsatz, und dieses ist zudem in den Heizwiderstand integriert.
  • Der punktförmige Strömungssensor misst nahezu unabhängig von der Einbaulage und erfordert für die Montage keine besonderen Kenntnisse.

Messprinzip des kalorimetrischen Strömungssensors - Wechsel zwischen Heiz- und Abkühlzyklus

Die zur Messung benötigte strömungsabhängige Temperaturdifferenz wird durch periodisches Ein- und Ausschalten des Heizwiderstands erzeugt. Die Strömung ist proportional zur Temperaturdifferenz.

Baumer

Bilder: Baumer und royyimzy – adobe.stock

Eine alte Erkenntnis aus der Prozessautomatisierung lautet, dass nur das geregelt werden kann, was zuvor gemessen wurde. Die praktische Konsequenz daraus bedeutet, dass in den Betrieben immer mehr Sensoren zum Einsatz kommen. Dabei folgt im Prinzip jede Entscheidung für eine neue Messstelle einer zuvor angestellten Kosten-Nutzen-Betrachtung. Bei der Messung von Durchflüssen oder Strömungen ist das nicht anders. Aber auch hier haben die Fortschritte bei der Sensorentwicklung dazu geführt, dass die Geräte heute nicht nur zu deutlich niedrigeren Kosten angeboten werden, sondern auch deutlich einfacher zu installieren und zu bedienen sind.

Zur Strömungsmessung von Gasen und seltener auch Flüssigkeiten werden seit Langem kalorimetrische Strömungssensoren – sogenannte thermische Massemesser – eingesetzt. Das Messprinzip beruht auf einer Temperaturmessung: Die klassische Anordnung beruht auf zwei Temperatursensoren, von denen einer gleichmäßig beheizt wird. Ohne Strömung stellt sich zwischen den beiden Sensoren eine konstante Temperaturdifferenz ein. Sobald das Fluid fließt, wird Wärme vom beheizten Sensor abgeführt und die Temperaturdifferenz sinkt. Die Temperaturdifferenz ist dabei direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit und hängt direkt vom Massenstrom ab.

Klassische Strömungssensoren sind anfällig gegenüber Montagefehlern

Bei der Installation von kalorimetrischen Strömungssensoren müssen allerdings einige Punkte beachtet werden: Der thermische Kontakt zwischen zu messendem Fluid und den Sensoren bzw. dem Heizelement erfordert eine ausreichende Wärmeleitung, diese wiederum hängt von der Einbausituation und der Anordnung der Sensoren zur Strömung (Einlaufstrecke) ab. Bewegungen im Fluid oder die Wärmeableitung entlang des Sensors können die Messgenauigkeit beeinträchtigen.

Um die Anwendung zu vereinfachen, wurde der kalorimetrische Flüssigkeits-Strömungssensor Flexflow von Baumer anders konstruiert: Hier kommt lediglich ein einziges temperaturabhängiges Sensorelement zum Einsatz, und dieses ist zudem neben dem Heizwiderstand integriert. Die zur Messung benötigte strömungsabhängige Temperaturdifferenz wird durch periodisches Ein- und Ausschalten des Heizwiderstands erzeugt: Für einen Messzyklus wird der Sensor beispielsweise anderthalb Sekunden beheizt, wobei sich die maximale Temperatur einstellt. Danach wird die Heizung ausgeschaltet – die Sensorspitze kühlt sich ab und der Temperaturverlauf wird gemessen. Nach einer festgelegten Abkühlzeit wird die Heizung wieder angeschaltet. Die Temperaturdifferenz zwischen Maximaltemperatur und dem Tiefstwert ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund der kompakten Bauweise sind die Latenz- bzw. Ansprechzeiten des Sensors vergleichsweise niedrig.

Sensor misst unabhängig von der Einbaulage

Die Besonderheit des punktförmigen kalorimetrischen Strömungssensors besteht darin, dass die Messung im Gegensatz zu Zweipunkt-Sensoren nahezu unabhängig von der Einbaulage ist und keine besonderen Kenntnisse für die Montage erfordert. Neben der Strömung wird gleichzeitig auch die Prozesstemperatur gemessen. Das Messverfahren eignet sich laut Hersteller für alle Medien und ist unabhängig von der Viskosität und der elektrischen Leitfähigkeit. Aktuell ist es für Wasseranwendungen vorgesehen und ausgelegt.

Die Strömungssensoren werden in zwei Varianten angeboten: PF20H für hygienische Prozesse und PF20S für allgemeine Industrieanwendungen. Der Messbereich deckt Fließgeschwindigkeiten zwischen 10 und 400 cm/s ab, die Sensoren sind für Betriebstemperaturen zwischen -25 und 150 °C spezifiziert – eine Besonderheit für kalorimetrische Sensoren, die auch den Einsatz in CIP- und SIP-Reinigungsprozessen erlaubt. CIP-Prozesse können somit einfach überwacht und dokumentiert werden: Dort hängt die Reinigungsleistung sowohl von der Strömung als auch von der Temperatur ab.

Ähnlich verhält es sich bei Membranfiltrationsprozessen: Die Strömungsverhältnisse geben Auskunft darüber, wie effizient die Filteranlage arbeitet. Hier wird ein Optimum zwischen Förderleistung und Strömungsgeschwindigkeit an der Membran (Permeatleistung) angestrebt. Die Sensoren werden dabei zur Optimierung eingesetzt. Daneben lassen sich in der Gebäudetechnik Heizkreisläufe mit dem Sensor relativ einfach überwachen und optimieren. Aber auch Kühlkreisläufe in Industrieanlagen lassen sich auf diese Weise monitoren.

Die Sensoren gibt es wahlweise mit zwei analogen Stromausgängen oder mit einer IO-Link-Schnittstelle, die es erlaubt, die Ausgänge frei einzustellen. So können Schaltpunkte einfach für unterschiedliche Prozesschritte angepasst werden. Das Gehäuse besteht aus Edelstahl 1.4404 und erfüllt die Schutzklasse IP67 bzw. IP69K.

Fazit: Der neue Strömungssensor kann vergleichsweise einfach in Rohrleitungen integriert werden und eröffnet interessante Anwendungen zur Optimierung von Prozessen in industriellen Anwendungen.

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Heftausgabe: März/2018
Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK

Über den Autor

Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
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