Thermische Massedurchfluss-Grenzschalter im Pumpenschutz

Werden Pumpen ohne Fördermedium betrieben, können dadurch Teile beschädigt werden – in Kreiselpumpen kann es zur Kavitation kommen. Und obwohl schon der Schaden an der Pumpe teuer werden kann, sind die Kosten für einen ineffizienten Pumpenbetrieb oder Produktionsausfälle in der Regel noch deutlich höher. Um Pumpen vor Trockenlauf zu schützen, können verschiedene Technologien eingesetzt werden. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Durchflussmessgeräten. Dabei ist nicht unbedingt eine kontinuierliche Durchflussmessung erforderlich – Durchflussgrenzschalter reichen in der Regel aus.

Bei mechanischen Durchflussgrenzschaltern wird ein Relais mechanisch angesteuert. Dazu befindet sich im Durchflussstrom ein Paddel, das mit der Strömung schwingt. Bewegt sich das Paddel über eine bestimmte Distanz, wird der Grenzschalter von einem magnetischen Anziehungskörper betätigt. Der Nachteil solcher Systeme besteht darin, dass bewegliche Teile verschleißen können, und im Laufe der Zeit immer häufiger gewartet werden müssen. Bei viskosen Flüssigkeiten oder Ansatzbildung kann die Zuverlässigkeit des Schalters nachlassen. Mechanische Durchflussgrenzschalter sind dann sinnvoll, wenn die Stromversorgung vor Ort begrenzt ist. Allerdings können Paddelschalter nur in horizontal

Die thermischen Massedurchfluss-Grenzschalter gibt es in verschiedenen Ausführungen. Besonders beliebt ist die kompakte CIP-Sensor (Mitte, Thermatel Modell TD2). Links daneben: Standardsonde beim Thermatel TD1.Bild: Magnetrol

verlegten Rohrleitungen installiert werden.
Schwinggabel- und Ultraschallgrenzschalter sind weitere Technologien, die zum Pumpenschutz eingesetzt werden. Diese schalten, sobald der Füllstand in einem Behälter oder einer Rohrleitung unter die Gabel bzw. den Spalt fällt. Zu- oder abnehmende Fließgeschwindigkeiten können diese Geräte jedoch nicht detektieren. Daher sollten sie nur zur Füllstandüberwachung eingesetzt werden.

Robustes und flexibles Messprinzip

Thermische Massedurchfluss-Grenzschalter zeichnen sich durch ihr robustes Design und ihre hohe Flexibilität aus. Im Gegensatz zu Füllstand-Grenzschaltern sprechen die Geräte bereits dann an, wenn der Durchfluss einen definierten Wert unterschreitet. Thermische Massedurchfluss-Grenzschalter arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie thermische Massedurchfluss-Messumformer. Flüssigkeit leitet die Wärme von der Sensorspitze ab und verringert dadurch den Temperaturunterschied zwischen einem beheizten Widerstandsthermometer (Resistance Temperature Detector, RTD) und einem Referenz-RTD. Mit sinkender Strömungsgeschwindigkeit nimmt der Temperaturunterschied zu, bis schließlich der voreingestellte Schaltpunkt erreicht wird.

Thermische Massedurchfluss-Grenzschalter können sowohl bei hohem als auch bei niedrigem Durchfluss von Flüssigkeiten oder Gasen schalten. Über den Stromausgang lassen sich außerdem Trends und Fehler ermitteln. Thermische Massedurchfluss-Grenzschalter arbeiten ohne bewegliche Teile und können in horizontal und vertikal verlegten Leitungen installiert werden. Die Geräte sind mit verschiedenen Sensortypen für Wasser oder viskose Flüssigkeiten verfügbar.

Bei der Installation an einer Pumpe sollte genügend Abstand zum Pumpengehäuse eingehalten werden, um Fehlsignale durch Turbulenzen zu vermeiden. Bild: Magnetrol

Der Standardsensor besteht aus einem Rohr an dem am Ende zwei Sensoren angeschweißt sind und die sich in der Prozessflüssigkeit befinden. Standardsonden sind für einen sehr hohen Nenndruck ausgelegt und in zahlreichen unterschiedlichen Werkstoffen erhältlich. Dieser Sensortyp eignet sich zwar auch für Flüssigkeitsanwendungen, wird in der Regel jedoch für Gasanwendungen empfohlen. Bei Flüssigkeitsanwendungen wird meist der CIP-Sensor bevorzugt, der ohne Stifte am Sondenende auskommt. Dadurch wird vermieden, dass es bei viskosen Medien zu Verstopfungen kommt. Zudem ermöglicht die dünne Sensorwand ein schnelleres Ansprechverhalten. Bei einem Nenndruck bis 41 bar und in der Ausführung aus Edelstahl 316 eignen sich CIP-Sensoren für die meisten Pumpenanwendungen.

Elektronik ermöglicht Diagnose von Turbulenzen

Die Elektronik zur Sonde wird in einer Kompakt- bzw. Getrenntausführung angeboten und ist in einem explosionsgeschützten Gehäuse untergebracht. Die Geräte sind einfach zu installieren und verfügen über zahlreiche Diagnosefunktionen. Der Stromausgang fungiert im Gegensatz zu einem linearen Ausgang eines Durchfluss-Messumformers als aktives Signal, das entsprechend der Wärmeübertragung des Mediums variiert. Bei einem niedrigen Durchfluss kann der Strom z. B. 8 mA betragen, bei einem normalen Durchfluss dagegen 12 mA. Der Strom ist für einen bestimmten Schaltpunkt bei niedrigem Durchfluss wiederholbar. Gibt es Turbulenzen in der Leitung, weil möglicherweise bei noch laufender Pumpe ein Ventil geschlossen ist, sieht der Sensor diese Turbulenzen als Durchflussrate, die höher ist als die tatsächliche Rate. Ist dieses aktive Signal bekannt, kann darüber der Prozesszustand ermittelt werden.

Mit dem Stromausgang können Trends erfasst werden. Zudem kann er auch niedrige bzw. hohe Werte anzeigen, wenn eine Störung gemäß Namur NE 43 eintritt. Bei Pumpenanwendungen, bei denen ein Tief­alarm gewünscht wird, sinkt der Strom während der Störung auf 3,6 mA oder darunter. Die mikroprozessorgestützte Elektronik ermöglicht es, Störgeräusche und Abweichungen auszublenden und häufige Kalibrierungen zu vermeiden. Normalbetrieb (Relais aktiviert), Alarm/Schaltpunkt (Relais deaktiviert) sowie Störungen (Relais deaktiviert) lassen sich über LED im Sichtfenster des Elektronik-Gehäuses erkennen. Um Schaltpunkt-Abweichungen aufgrund unterschiedlicher Betriebstemperaturen zu vermeiden, sollte der thermische Massedurchfluss-Grenzschalter über einen Temperaturausgleich verfügen.

Optimalen Betriebspunkt überwachen

Sowohl Verdränger- als auch Kreiselpumpen weisen in einem bestimmten Bereich ihrer Kennlinie die größte Effizienz auf. Das Optimum wird bei einer idealen Kombination aus Förderhöhe und Durchflussrate erreicht. Wird die Förderhöhe überwacht, kann ein thermischer Massedurchflussgrenzschalter installiert werden, um die Pumpe dann abzuschalten, wenn sie unterhalb der idealen Durchflussraten arbeitet. Zusätzlich verhindert der thermische Massedurchfluss-Grenzschalter den Trockenlauf der Pumpe und die entsprechenden Folgekosten.

Der thermische Massedurchflussgrenzschalter kann in der Saug- oder Druckleitung installiert werden – bei teilgefüllten Leitungen ist eine Position zu wählen, bei der der Sensor die Bewegung der Flüssigkeit erkennt. Da thermische Massedurchfluss-Grenzschalter meist vor Ort kalibriert werden, muss dieser nicht bis in die Rohrmitte ragen – ein Wert zwischen 10 und 50 % des Rohrdurchmessers genügt.

Der Schalter sollte weit genug von der Pumpe entfernt angebracht werden, um Einflüsse durch Turbulenzen zu vermeiden. Diese können theoretisch eine so starke Wärmeübertragung hervorrufen wie der Flüssigkeitsdurchfluss selbst. Insbesondere bei schwierigen Installationen ermöglicht der Stromausgang die Diagnose von Turbulenzen.

Fazit: Thermische Massedurchfluss-Grenzschalter werden zum Schutz von Pumpen eingesetzt. Je nach Anwendung sind spezielle Sensorausführungen verfügbar, so etwa die beliebten CIP-Sonden, Low-Flow-Kompaktsensoren und Hochtemperatur- bzw. Hochdrucksonden. Thermische Massedurchfluss-Grenzschalter ermöglichen so eine kostengünstige Lösung zum Schutz von Pumpen.

Prinzip der thermischen Massedurchflussmessung. Bild: Magnetrol

Zum Messprinzip: Thermische Massedurchflussmessung

Wie der Name sagt, zeichnen sich thermische bzw. kalorimetrische Durchflussmessgeräte dadurch aus, dass sie direkt den Massedurchfluss messen. Das Prinzip basiert auf zwei Temperatursensoren, von denen einer konstant beheizt wird. Fließt Gas oder Flüssigkeit am Sensor vorbei, wird die in dem Sensor erzeugte Wärme abgeführt, der Sensor kühlt ab. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren ist linear proportional zum Massendurchfluss.

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