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Durchflusssensor

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Durchflusssensor in einer Rohrleitung

Durchflusssensor (auch Flowmeter) ist ein Sammelbegriff für alle Sensoren, die den Durchfluss messen.

In der Industrie ist die Durchflussmessung eine wichtige Aufgabe in der Prozessmesstechnik. Typische Anwendungen sind die Volumen- und Massenstrommessung für die Abrechnung und Bilanzierung, sowie für die Dosierung in Chargenprozessen. Von großer Bedeutung ist die Steuerung und Regelung von Fließprozessen in technischen Anlagen. Industrielle Anwendung findet die Durchflussmesstechnik vor allen Dingen in den Bereichen chemische Industrie, Energietechnik, Wasserwirtschaft, Bergbau, Nahrungsmittelindustrie und Landtechnik.

Der Durchfluss wird üblicherweise in m³/h angegeben, die SI-Einheit ist m³/s. Häufig verwendete Ausgangssignale von in der Industrie eingesetzten Sensoren sind Ströme von null bis zwanzig Milliampère bzw. vier bis zwanzig Milliampere oder Spannungen von null bis zehn Volt. Es sind aber auch alle anderen Konstellationen denkbar.

Inhaltsverzeichnis

Bauarten von Durchflusssensoren

Im Wesentlichen wird zwischen zwei Arten von Durchflusssensoren unterschieden:

  1. Massendurchfluss
  2. 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.

Wichtige Kennwerte für Durchflusssensoren

1. Messbereich:

  • untere Messgrenze z.B. 1 l/min
  • obere Messgrenze z.B. 100 l/min
  • Messspanne oder Dynamik: 1:100

2. Messgenauigkeit:
Die Messgenauigkeit der Durchflusssensoren wird meist als relativer Fehler angegeben (z.B. 1% des aktuellen Messwertes).

3. Druckverlust:
Der Druckverlust ist eine wichtige Kenngröße, da Druckverlust immer Energieverlust im Leitungssystem bedeutet.

  • 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
  • MID (Magneto Induktiver Durchflusssensor): fast kein Druckverlust

Ungefähre Messgenauigkeiten und Messspannen verschiedener Sensoren

Ultraschalldurchflusssensor nach dem Laufzeitprinzip

  • 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.

Durchflussmessung nach dem Differenzdruckverfahren

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Durchflusssensoren die nach dem Differenzdruckverfahren arbeiten. Man teilt eine Differenzdruckmessung in drei Teile auf, das Primärelement, die Sensorik und die Auswertung.

Messprinzip

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).

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.

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.

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%

Messbereich

Je nach Primärelement und Qualität der verwendeten Sensorik und Auswertung: 1:3 bis 1:20

Literatur

Luftmassensensor in Automobilen

  • Genauigkeit ca. 3 % relativer Fehler
  • Messspanne ca. 1:100

MID ( Magnetisch Induktiver Durchflussensor )

  • Genauigkeit ca. 0,1 % relativer Fehler
  • Messspanne bis 1:1000

Meßprinzip: In einem Magnetfeld werden bewegte Ladungsträger (z.B. Ionen in Flüssigkeiten = elektrisch leitende Medien) voneinander getrennt.

Arten von Durchflusssensoren

Bild:Durchflussmesser-Fluegelrad.jpg
KOBOLD-Durchflussmesser mit Flügelrad

Unterschieden wird zwischen folgenden Durchflusssensoren:

  • Unmittelbare Volumenzähler
    • Zähler mit konstantem Messkammervolumen (z.B. Trommelmesser)
    • Zähler mit variablem Messkammervolumen (z.B. Gaszähler)
  • Mittelbare Volumenzähler
  • Schwebekörper-Durchflussmesser
  • Magnetisch Induktiver Durchflussmesser(MIDs)
  • Ultraschalldurchflusssensor ( USD )
  • Coriolis-Massendurchflussmesser
  • 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 Strömungsmessonden
    • 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
  • 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. D 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.

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