Durchflusssensor
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Durchflusssensor (auch Flowmeter) ist ein Sammelbegriff für alle Sensoren, die den Durchfluss messen.
Eine Durchflussmessung erfolgt im Wesentlichen aus drei Gründen. Zum einen sind dies kaufmännische Gründe. Die Durchflussmenge ist dann Teil eines Vertrages oder Basis für die Besteuerung. Dann wird der Durchfluss über die Zeit integriert und man erhält die Gesamtmenge. Zweitens gibt es Rezepturen, wo in Chargenprozessen mehrere Stoffmengen zu einem Ansatz vermischt werden müssen. Drittens können Stoffströme auch ohne Chargenprozess direkt in einem vorgegeben Verhältnis gemischt werden.
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Der Durchfluss wird üblicherweise in m³/h oder l/min angegeben, die SI-Einheit ist m³/s. Häufig verwendete Ausgangssignale von in der Industrie eingesetzten Sensoren sind Ströme von 0 bis 20 Milliampère bzw. 4 bis 20 Milliampere oder Spannungen von 0 bis 10 Volt. Es sind aber auch alle anderen Konstellationen denkbar.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Bauarten von Durchflusssensoren
Im Wesentlichen wird zwischen zwei Arten von Durchflusssensoren unterschieden:
- Massendurchfluss
- Volumendurchfluss
Für die Bestimmung des Volumendurchflusses wird meist die Fließgeschwindigkeit des Mediums gemessen und dann der Durchfluss über die Formel Volumendurchfluss = Rohrquerschnittsfläche * Geschwindigkeit bestimmt.
Sensoren, die den Massendurchfluss bestimmen, sind zur Messung von Brennstoffen wichtig. Als Beispiel sei ein Luftmassensensor genannt, wie er sich in Automobilen befindet. Hier wird der Messwert vorwiegend in Kilogramm pro Stunde (kg/h) Luft angegeben. Durch den Luftmassensensor wird der Luftanteil, der in den Motor strömt, bestimmt und die entsprechende Kraftstoffmenge durch die Motorsteuerung geregelt. Die Messung des Volumenflusses wäre für diese Anwendung nicht ausreichend, da die Dichte der Luft stark druckabhängig und temperaturabhängig ist. Würde nur der Luftvolumendurchfluss gemessen, könnte die Motorsteuerung das exakte Mischungsverhältnis, das für die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes notwendig ist, nicht garantieren.
[Bearbeiten] Wichtige Kennwerte für Durchflusssensoren
Der Messbereich kann spezifiert werden durch:
- untere Messgrenze z. B. 1 l/min
- obere Messgrenze z. B. 100 l/min
- Messspanne oder Dynamik: 1:100
Die Messgenauigkeit von Durchflusssensoren wird meist als relativer Fehler angegeben, z. B. 1 % des aktuellen Messwertes.
Der Druckverlust ist eine wichtige Kenngröße, da er immer einen Energieverlust im Leitungssystem bedeutet. Verschiedene Typen unterscheiden sich charakteristisch in ihrem Druckverlust:
- Ultraschalldurchflusssensor nach dem Laufzeitprinzip ohne Strömungsgleichrichter: fast kein Druckverlust
- Differenzdruckblendenmessung: hoher, mit der Strömungsgeschwindigkeit stark ansteigender Druckverlust
- Thermischer Luftmassensensor in Automobilen: geringer Druckverlust, da Messelemente in den Strömungskanal ragen
- Magneto-Induktiver-Durchflusssensor (MID): fast kein Druckverlust
[Bearbeiten] Messgenauigkeiten und Messspannen einiger Sensoren
[Bearbeiten] Ultraschalldurchflusssensor
Der berührungsfreie Ultraschallströmungsmesser durch Ermittlung der Laufzeit ist ein non-invasiver Strömungsmesser, der in zwei Formaten vorhanden ist: Durchfahrtzeit und -doppler.
- Genauigkeit ca. 0.1 bis 2 % relativer Fehler
- Messspanne ca. 1:100
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Clamp-On (d. h. die Sensoren werden auf die Rohrleitung von außen aufgeschnallt) und In-Line Geräten.
[Bearbeiten] Differenzdruckverfahren
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Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Durchflusssensoren die nach dem Differenzdruckverfahren arbeiten, z. B. Pitot-Rohr oder Venturi-Rohr. Man teilt eine Differenzdruckmessung in drei Teile auf, das Primärelement, die Sensorik und die Auswertung.
Die Durchflussmessung nach dem Differenzdruckverfahren arbeitet nach dem Energieerhaltungsgesetz (Bernoulli). Die kinetische Energie eines Fluids (z. B. strömendes Wasser in einer Rohrleitung) wird umgewandelt in potentielle Energie Druck. Das bekannteste Primärelement, die Blende, ist nichts anderes als eine Lochscheibe zur Verengung der Rohrleitung, die das Fluid zu einer Geschwindigkeitserhöhung zwingt (Erhöhung der kinetischen Energie). Dadurch wird der Druck nach der Blende niedriger (Verringerung der potentiellen Energie).
[Bearbeiten] Wirkdruckverfahren
Bei diesem Verfahren wird in das vom Messmedium durchströmte Rohr eine Querschnittsverengung eingebaut. Die Strömungs-geschwindigkeit erhöht sich auf Kosten der Druckenergie. Es entsteht eine Druckdifferenz, der sog. Wirkdruck. Dieser ist ein Maß für die durchströmende Stoffmenge pro Zeiteinheit, den Durchfluss. Die Messung des Wirkdruckes ermöglicht also die Ermittlung des Durchflusses. Dabei ist es prinzipiell gleichgültig, wie die enge Rohrstelle geformt ist. Es haben sich jedoch drei Standardformen herausgebildet: Die Messblende, die (Norm)düse und die Venturidüse (lang oder kurz). Das Wirkdruckverfahren beruht auf zwei Gesetzmäßigkeiten über strömende Flüssigkeiten und Gase : dem Kontinuitätsgesetz und dem Gesetz des Bernoulli. Darauf soll hier nicht eingegangen werden. Wichtig ist, dass der Volumen- bzw. Massendurchfluss proportional der Quadratwurzel des Wirkdruckes ist. Um die Endformel für den Betreiber handhabbar zu machen, fasst man alle Werte, die bedingt durch die Messeinrichtung (Rohr- und Drosselquerschnitte) oder das Messmedium (Dichte, Expansion ...) konstant bleiben, als Konstante c zusammen: 
Quellen:
- G. Strohrmann, Messtechnik im Chemiebetrieb, München 2004
- O. Fiedler, Strömungs- und Durchflussmesstechnik,, München 1992
[Bearbeiten] Anordnung
Diese Druckdifferenz wird mit einem Sensor gemessen und in einer Auswertung in den korrespondierende Durchfluss umgerechnet. Es gibt heute Sensoren, die die Auswertung integriert haben, den Durchfluss also direkt errechnen können.
Bedingungen für die Anwendung: Für normale Messstellen können genaue Durchflusswerte auch ohne Kalibrierung an Ort und Stelle im Betriebszustand erzielt werden, wenn folgende Bedingungen eingehalten werden:
- In der Nähe des Drosselgeräts muss der strömende Messstoff alle Querschnitte der Rohrleitung vollkommen ausfüllen.
- Die Strömung muss stationär oder mindestens quasistationär sein, d. h. der Durchfluss darf sich an der Messstelle nur langsam ändern. Schwingungen der Strömung beeinträchtigen die Messgenauigkeit und sind möglichst zu vermeiden.
- Der Stoff muss sich in reiner Phase befinden; feste Körper in Gasen und Flüssigkeiten, grobe Feuchtigkeit in Gasen und Dampf usw. erschweren die Messung und machen Sondermaßnahmen notwendig. Ebenso erfordern Messungen eines Stoffes, dessen Zustand nahe bei einem Umwandlungspunkt liegt, besondere Aufmerksamkeit, da infolge der Druckänderung am Drosselgerät Störungen durch Übergang in eine andere Phase stattfinden können (Flüssigkeiten nahe dem Siedepunkt, Sattdampf usw.).
- Die Dichte des Messstoffes und dessen Zusammensetzung, sowie Druck, Temperatur und Feuchte müssen bei der Berechnung des Drosselgerätes bekannt sein.
[Bearbeiten] Primärelemente
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Primärelemente. Die klassischen Primärelemente (Blende, Venturi, Düsen…) sind in den Normen der Reihe EN ISO 5167 detailliert beschrieben. Neben den exakten Bauformen finden sich hier auch Angaben zur Durchflussberechnung und zur Genauigkeit. Neben den klassischen Primärelementen gibt es auch noch weitere Bauformen, die gegenüber den klassischen Primärelementen verschieden Vorteile für sich reklamieren wie z. B. höhere Genauigkeit, geringere Druckverluste oder einfacherer Einbau. Ein Beispiel ist die integrierende Staudrucksonde.
[Bearbeiten] Genauigkeit
Die Gesamtunsicherheit einer Durchflussmessung nach dem Differenzdruckverfahren ergibt sich aus der Unsicherheit des Primärelementes, der Sensorik und der Auswertung. Typische Werte für industriell eingesetzte Messtechnik:
- Unsicherheit des Primärelementes: 0,5-2%
- Unsicherheit der Sensorik: 0,05-0,2%
- Unsicherheit der Auswertung: 0,05-0,2%
[Bearbeiten] Messbereich
Je nach Primärelement und Qualität der verwendeten Sensorik und Auswertung: 1:3 bis 1:20
[Bearbeiten] Literatur
- DIN EN ISO 5167 1-4, Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten, 2004, Beuth-Verlag
- Berechnungsgrundlagen der deltaflow, 2003, systec Controls GmbH
- G. Strohrmann, Messtechnik im Chemiebetrieb, München 2004, Oldenbourg Industrieverlag
- O. Fiedler, Strömungs- und Durchflussmesstechnik, München 1992, Oldenbourg Industrieverlag
[Bearbeiten] Luftmassensensor in Automobilen
- Genauigkeit ca. 3 % relativer Fehler
- Messspanne ca. 1:100
[Bearbeiten] Magnetisch Induktiver Durchflussensor (MID)
- Genauigkeit ca. 0,1 % relativer Fehler
- Messspanne bis 1:1000
- Siehe auch: Magnetisch_Induktive_Durchflussmesser
Messprinzip: In einem Magnetfeld werden bewegte Ladungsträger (z. B. Ionen in Flüssigkeiten = elektrisch leitende Medien) voneinander getrennt.
[Bearbeiten] Arten von Durchflusssensoren
Unterschieden wird zwischen folgenden Durchflusssensoren:
- Unmittelbare Volumenzähler
- Zähler mit konstantem Messkammervolumen (z. B. Trommelmesser)
- Zähler mit variablem Messkammervolumen (z. B. Gaszähler)
- Mittelbare Volumenzähler
- z. B. Flügelradanemometer, Woltmannzähler
- Ovalradzähler, (Wälz-)Kolbenzähler
- Schwebekörper-Durchflussmesser
- Magnetisch Induktiver Durchflussmesser(MIDs)
- Induktive Durchflussmesser (IDMs)
- Ultraschalldurchflusssensor ( USD )
- Coriolis-Massendurchflussmesser
- Massendurchflussmessverfahren nach dem Coriolis-Prinzip
- Wirbeldurchflussmesser
- Messverfahren, dass die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Frequenz der Kármánschen Wirbelstraße ermittelt
- Korrelationsdurchflussmesser
- Mittels 2 beliebiger, geeigneter Sensoren in einem bestimmten Abstand werden mit der Strömung mitgetragene Schwankungen gemessen. (z. B. Dichte, Permeabilität) Aus der Laufzeit und dem Abstand der Sensoren lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Durchfluss bestimmen
- Laminardurchflussmesser
- nach Hagen/Poiseuilleschen Gesetz ist der Volumenstrom in einem Rohr proportional dem Druckabfall über eine Rohrlänge l. Sind Zähigkeit, Druckabfall und Temperatur lässt sich der Volumenstrom berechnen
- Durchflussmesser mit Strömungsmesssonden
- Durchflussbestimmung über Ermittelung des Strömungsprofils (siehe Strömungsmessung)
- Durchflussmessung mit Drosselgeräten
- Messverfahren für offene Anlagen
- Wehrmessung, bei der mittels der Überfallhöhe und der Wehrbreite b der Volumenstrom ermittelt wird.
- Thermische Massendurchflussmessung (Massendurchflussregler, Mass Flow Controller, MFC)
- Wirkdruck-Durchflussmessung
- Luftmassensensor
Ein verwandter Sensor ist die Lambdasonde. Sie dient dazu, im Abgas einer Verbrennung das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff bestimmen zu können.
Nicht alle Messverfahren sind gängig bzw. finden in der Industrie eine regelmäßige Anwendung. Im Vergleich zu anderen Sensoren, die in der Automatisierung eingesetzt werden, ist ein Durchflusssensor relativ teuer. So können Durchflusssensoren ohne weiteres das zwanzigfache eines Temperatursensors kosten.
