Virtuelle Referenz für magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte (MIDs) sind seit vielen Jahren beliebte und bewährte Messgeräte zur Erfassung des Volumendurchflusses von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten. Dies gilt für viele Branchen wie z.B. die Chemie-, Pharmazie-, Wasser/Abwasser- oder die Lebensmittel-Industrie. Die Grundlage des Messprinzips der MIDs ist das Faraday’sche Induktionsgesetz. Dies setzt eine elektrisch isolierende Innenwand des Messrohrs voraus. Bei den meisten MIDs werden die Messrohre daher mit Kunststoff wie z.B. PTFE, PFA oder Polypropylen ausgekleidet oder sind vollständig aus Keramik hergestellt.

MIDs müssen wie alle elektrischen Betriebsmittel entsprechend den geforderten Sicherheits-Regeln geerdet sein, z.B. durch Schutzerdung oder Potenzialausgleich. Die Erdung bei MIDs stellt zum einen sicher, dass ein Berührungsschutz für Personen besteht, damit im Fehlerfall keine gefährlichen Spannungen an leitfähigen Geräteteilen auftreten können. Zum anderen dient diese Erdung dazu, der Signalspannung des MID ein festes Bezugspotenzial zu geben.
Diese Signalspannung liegt typisch bei einigen Millivolt. Der Messumformer kann solch kleine Signale nur dann störungsfrei und mit höchster Auflösung verarbeiten, wenn die Potenzialdifferenz zwischen Messstoffs und Referenz im Messumformer möglichst gering ist. Es gibt mehrere Methoden, dies sicherzustellen. Neben den drei klassischen Methoden

• Erdung des Messstoffs in innen elektrisch leitfähigen Rohrleitungen,
• Erdung in innen elektrisch isolierenden Rohrleitungen,
• Erdung durch Erdungselektrode

gibt es die Methode der virtuellen Erdung, die ohne separate Erdung des Messstoffs auskommt.
Die Erdung des Messstoffs in innen elektrisch leitfähigen Rohrleitungen ist der einfachste Fall: Hier hat die Flüssigkeit im Rohr das gleiche Potenzial wie die geerdete Rohrleitung. Die Signalspannung an den Elektroden hat dadurch ein festes Bezugspotenzial.
Bei Kunststoff- und Beton-Rohrleitungen sowie bei Leitungen, die innen isolierend ausgekleidet oder beschichtet sind, wird der Messstoff durch zusätzliche Maßnahmen auf ein bekanntes festes Potenzial gebracht. Dabei kommen meist Metall-Erdungsringe (Erdungsscheiben) zum Einsatz, deren Innenseiten mit dem Messstoff in leitendem Kontakt stehen. Die Erdungsringe sind meist gemeinsam mit dem Messwertaufnehmer geerdet.
Bei der Montage zwischen den Rohrleitungs- und MID-Flanschen sind meist zwei zusätzliche Dichtungen erforderlich. Weder Erdungsringe noch Dichtungen dürfen den freien Strömungsquerschnitt an der Messstelle einschränken. Sorgfältige Montage und Werkstoff-Auswahl von Erdungsringen und Dichtungen tragen dazu bei, Leckagen zu verhindern. Diese Methode ist technisch zuverlässig und seit Jahrzehnten bewährt. Von Nachteil sind die höheren Kosten, wenn Sondermaterialien für aggressive Messstoffe oder Erdungsringe für sehr große Nennweiten erforderlich sind. Außerdem können bei Potenzialdifferenzen in der Anlage zwischen Messstoff und Erde Ausgleichsströme über die Erdungsringe und die Erdungsleitung fließen, wodurch die Erdungsringe aufgrund chemischer Reaktionen mit dem Messstoff zerstört werden können.
Bei der Erdung durch eine Erdungselektrode ist diese in der Rohrsohle platziert und steht in direktem Kontakt mit dem auf Funktionserde (FE) geerdeten Gehäuse des MID-Messwertaufnehmers. Die Kosten für diese zusätzliche Erdungselektrode sind oft geringer als die Kosten für eine Erdung mit Erdungsringen. Bei Potenzialdifferenzen in der Anlage können diese Erdungselektroden elektrolytisch zerstört werden. Die Folge ist eventuell der Totalschaden des MID, unter Umständen verbunden mit einem Austreten des Messstoffs. Auch abrasive Feststoffe können in horizontalen Rohrleitungen diese Erdungselektrode schnell zerstören. Es können sich auch elektrisch isolierende Ablagerungen an der Erdungselektrode bilden, die unter Umständen die einwandfreie Funktion der Messstoff-Erdung und damit auch korrekte Messergebnisse verhindern.

Alternative zur klassischen Erdung

In bestimmten Applikationen kann die herkömmliche Erdung von MIDs Probleme bereiten: Beispielsweise entsteht bei Leitungen mit kathodischem Korrosionsschutz oder in Galvanisierungsanlagen eine Spannung zwischen Elektroden und Erde. Wenn aggressive Medien gemessen werden, müssen die Erdungsringe bei konventioneller Vorgehensweise meist aus teuren Sondermaterialien hergestellt werden, was bei großen Nennweiten sehr hohe Kosten bedeutet.

Die Lösung für diese Probleme heißt „virtuelle Referenz“ oder „virtuelle Erdung“: Bei der virtuellen Erdung wird der MID-Messwertaufnehmer ohne Erdungsringe oder Erdungselektroden eingebaut. Der Eingangsverstärker des MID-Messumformers erfasst die Potenziale der Messelektroden und erzeugt daraus eine Spannung, die dem Potenzial der ungeerdeten Flüssigkeit entspricht. Diese Spannung wird als Referenzpotenzial für die Signalverarbeitung verwendet. Damit tritt für die Signalverarbeitung keine störende Potenzialdifferenz zwischen dem Referenzpotenzial und der Spannung an den Messelektroden auf.
Die virtuelle Erdung hat mehrere Vorteile: Zunächst sind keine zusätzlichen, messstoffberührenden Erdungsmittel mehr nötig, die immer vorhandenen zwei Messelektroden reichen aus. Durch den Wegfall der Erdungsringe und den einfacheren Einbau des MIDs sinken die Kosten. Dieser Vorteil ist nicht zu unterschätzen, da eine fehlerhafte Erdung die häufigste Fehlerursache bei der Inbetriebnahme eines MIDs ist. Auch bei Potenzialunterschieden in der Anlage besteht kein Risiko der elektrolytischen Zerstörung wie beim Einsatz von geerdeten Erdungselektroden. Es fließen keine Ausgleichsströme über Messstoff und Erdungsleitungen. Ein ungeerdeter Einsatz ist auch in Anlagen möglich, bei denen Spannungen und Ströme auf der Rohrleitung liegen, wie es z.B. bei Elektrolyse- und Galvanik-Anlagen der Fall ist. Die virtuelle Referenz ist grundsätzlich ab der Nennweite DN 10 und ab einer Leitfähigkeit von 200 µS/cm möglich.

Virtuelle Referenz in der Praxis

In der Praxis haben sich virtuell geerdete MIDs bereits bewährt. So zum Beispiel bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse nach dem Membranverfahren. Dort ist die Durchflussmessung der hochaggressiven Medien besonders anspruchsvoll. Das Dortmunder Anlagenbau-Unternehmen Uhde setzt für diese Aufgabe MIDs der Optiflux-Baureihe mit virtueller Erdung ein. Die Geräte messen den Durchfluss von Salzsole, Katholyt (NaOH 32%) und reiner Salzsäure (30%). Da diese Chemikalien allesamt sehr korrosiv sind, werden die Messrohre der MIDs mit PFA ausgekleidet. Bei dieser Applikation müssen bei einer klassischen Erdung Erdungsringe in Sondermetallen wie z.B. Tantal, Nickel oder Titan verwendet werden. Bei einer Nennweite von DN 100 bedeutet dies eine beträchtliche Investition. Ein vollständiger Verzicht auf die Erdungsringe ist in diesem Fall die wirtschaftlichste Lösung.

Peter Nowakowski, Senior Instrumentation Engineer bei Uhde, bestätigt diese Annahme: „Durch den Einsatz der MIDs mit virtueller Erdung schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe: Einerseits messen die Geräte stabil und völlig unbeeindruckt von starken Magnetfeldern und vagabundierenden elektrischen Strömen, andererseits bringen sie durch den Wegfall der Erdungsringe eine signifikante Kostenersparnis und eine Verringerung des Montageaufwandes.“ MIDs mit virtueller Erdung sind mittlerweile zum Standard in Uhde Chlor-Alkali-Elektrolyse-Anlagen geworden.

Fazit: Wie das Beispiel zeigt, messen die Krohne-MIDs mit virtueller Erdung zuverlässig auch unter erschwerten Bedingungen. Sind die beiden genannten Bedingungen hinsichtlich Durchmesser und Leitfähigkeit des Mediums erfüllt, können die MIDs in allen Anlagen eingesetzt werden, in denen eine klassische Erdung aus den genannten Gründen problematisch ist.