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      • Veröffentlicht am 6. März 2023
      • Zuletzt bearbeitet am 29. Aug. 2023
    • 10 min

    Der richtige Durchflussmesser für jedes Medium

    Durchflussmesser bzw. -sensoren sorgen nicht nur im Wasser- und Abwassermanagement, sondern auch in der Chemie-, Pharma, Nahrungsmittelindustrie & im Maschinenbau für fehlerfreie Prozessabläufe. Sie messen Materialfluss von Flüssigkeiten und Gasen.

    Durchflussmesser

    Was ist ein Durchflussmesser?

    Durchflussmesser bestimmen, welche Menge an Flüssigkeit oder Gas durch ein geschlossenes Rohr oder offene Gerinne und Freispiegelleitungen fließt. Dabei kann die Durchflussmenge sowohl linear oder nicht linear sein und in Form von Volumen oder Masse gemessen werden. Durchflussmesser bestehen aus zwei wesentlichen Bestandteilen: Durchflusssensor und Transmitter. Der Durchflusssensor erfasst physikalische oder chemische Eigenschaften wie Temperatur, Druck und Drehzahl. Mit diesen berechnet man dann den Masse- oder Volumenstrom. Der Transmitter verarbeitet die gemessenen Werte und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Dieses überträgt er entweder an einen Computer oder ein Bauteil, das den Durchfluss stoppt oder reguliert. Das Messprinzip und der verwendete Sensor sind je nach Typ unterschiedlich.

    Anwendungsmöglichkeiten von Durchflussmessern

    Durchflussmesser und Durchflusssensoren kommen in erster Linie im Wassermanagement zum Einsatz, doch sie können noch viel mehr. Mit ihnen lassen sich viele Prozessen in der Industrie optimieren und automatisieren. So verhindern Durchflussmesser beispielsweise, dass Tanks beim Befüllen mit Heizöl oder Benzin überlaufen oder überwachen das korrekte Mengenverhältnis bei chemischen Reaktionen.

    Obwohl man umgangssprachlich immer von Durchflussmessern spricht, unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei Typen: Mengenmessern und Durchflussmessern. Mengenmesser, auch Volumenzähler genannt, messen die Menge des durchfließenden Materials mittels physikalischer Verfahren. Sie erfassen Teilmengen des Masse- oder Volumenstroms und summieren diese zu einer Gesamtmenge auf. Im Gegensatz dazu bestimmen Durchflussmesser die Menge des durchfließenden Materials mittels physikalischer Hilfsgrößen wie Fließgeschwindigkeit, Spannung oder Schallwellen. Daraus berechnet sich dann der Materialstrom. Oftmals kommen dafür Sensoren zum Einsatz.

    • Bei mittelbaren Mengenmessern grenzen Messkammern das Materialvolumen ab. Hierzu gehören Ovalradzähler, Balgenzähler und Ringkolbenzähler, die sich durch ihre besonders genaue Ergebnisse auszeichnen. Man findet sie in der Chemie und Petrochemie, in der Mineralölindustrie sowie in der Nahrungsmittelindustrie, wo sie Gase oder Flüssigkeiten sehr exakt messen und dosieren.
    • Mittelbare Volumenzähler haben keine Messkammern. Sie zählen den Materialdurchfluss über Impulse oder Strömungsveränderungen, zum Beispiel mit Messflügeln. Zu ihnen zählen Turbinen- oder Flügelradzählern, Wirbel-Durchflussmesser und Drall-Durchflussmesser. Da die je nach Feinheit der Intervalle Messinformationen verloren gehen, setzt man die Geräte meist dort ein, wo es nicht auf höchste Genauigkeit ankommt. Flügelradzähler nutzt man oft als Hauswasserzähler.
    • Bei den Durchflussmessern kommen verschiedenste Verfahren zum Einsatz, die jeweils für andere Zwecke vorteilhaft sind. Grundsätzlich unterteilt man hier zwischen Masse- oder Volumendurchflussmessern. Coriolis Massedurchflussmesser bestimmen Flüssigkeiten und Gase, beispielsweise an Zapfsäulen und in Dosieranlagen. Thermische Massendurchflussmesser findet man in der Industrie, da sie sich besonders gut für das Messen von Gasströmen eignen. Durchflussmesser nach dem Wirkdruckverfahren sowie Schwebekörper-, magnetisch-induktive und Ultraschall-Durchflussmesser erfassen den Volumenstrom, zum Beispiel in Abwasseranlagen, Chemiebetrieben und auch in der Nahrungsmittelproduktion.

    Welcher Durchflusssensor passt zu welchem Medium?


    Medium

    Durchflussmesser-Typ

    Gas

    Ultraschall-, Turbinen-, Differenzdruck-, Rotordurchflussmesser, Verdrängungszähler, thermische und Coriolis-Durchflussmesser

    Flüssigkeiten

    Ultraschall-, Turbinen-, Differenzdruck-, Rotordurchflussmesser, Verdrängungszähler, thermische und Coriolis-Durchflussmesser, sowie elektromagnetische Durchflussmesser

    Dampf

    Ultraschall-, Schwebekörper- und Vortex-Durchflussmesser

    Suspension / Dispersion

    Ultraschall-, elektromagnetische und Coriolis-Durchflussmesser

    Vor- und Nachteile von verschiedenen Bauformen

    Ein Problem, verschiedene Lösungen: Je nach Einsatzzwecke eignen sich manche Durchflussmesser besser als andere. Im Folgenden werfen wir daher einen Blick auf die gängigsten Typen von Durchflusssensoren und deren Unterschiede:

    Turbinendurchflussmesser

    Turbinendurchflussmesser, auch Flügelrad- oder Woltmannzähler genannt, messen den Durchfluss über die Drehzahl, die sich linear zur Strömungsgeschwindigkeit verhält. Ein Rotor mit mehreren Flügeln ist entweder parallel oder quer zur Strömung angebracht und bewegt sich dementsprechend. Das Verfahren eignet sich für klare und viskose Flüssigkeiten bis 100 cSt. Es gilt in einem begrenzten Messbereich als besonders genau. Lagerreibung, Strömungsprofil, Viskosität und Verwirbelungen beeinflussen das Messergebnis. Flügelradzähler setzt man häufig als Hauswasserzähler ein, oder sie übernehmen beispielsweise in der Solartechnik aufgrund ihrer Messgenauigkeit Kontrollaufgaben.

    Turbinendurchflussmesser

    Vor- und Nachteile:

    • Ermöglichen präzise Messungen
    • Sind einfach zu installieren
    • Die Bauteile sind kompakt und robust
    • Verfügen nur über einen eingeschränkten Messbereich
    • Erfordern regelmäßige Kalibrierung

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    Ovalradzähler

    Ovalradzähler gehören zu den unmittelbaren Mengenmessern. In einer Messkammer befinden sich zwei ovale Zahnräder. Werden sie befüllt, setzen sie sich mit Flüssigkeit in Bewegung. Jede Umdrehung des Ovalradpaares transportiert ein definiertes Flüssigkeitsvolumen, ein Messumformer rechnet daraus die Gesamtmenge des durchfließenden Materials aus. Ovalradzähler können auf relativ kleinem Raum einen hohen Durchfluss messen. Ihre Genauigkeit hängt jedoch stark von der Qualität der Messräder ab, schon bei geringstem Spiel verändert sich das Flüssigkeitsmaß der Messkammern. Ovalradzähler eignen sich somit zum Messen von Flüssigkeiten sowie als Signalgeber in Steuer- und Regelungssystemen.

    Ovalradzähler

    Vor- und Nachteile:

    • Geeignet für hohe Durchflussbereiche
    • Geringe Druckverluste und lange Lebensdauer sparen Energie und Kosten
    • Funktionieren nahezu unabhängig von der Materialviskosität
    • Sind konstruktionsbedingt lauter als andere Typen
    • Sind anfällig für Verschmutzungen

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    Ultraschall-Durchflussmesser

    Ultraschallmessgeräte erfassen die Durchflussgeschwindigkeit mithilfe von Schallwellen. Man unterscheidet zwischen dem Laufzeitverfahren und Doppler-Verfahren. Beim Laufzeitverfahren werden Schallwellen zwischen zwei Sensoren hin- und her gesendet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist entgegen der Durchflussrichtung langsamer mit dem Strom: dadurch entsteht die zur Durchflussgeschwindigkeit proportionale Laufzeitdifferenz. Dieses Verfahren eignet sich für möglichst homogene Flüssigkeiten ohne Partikel. Beim Doppler-Verfahren reflektieren schwimmende Partikel wie Luftblasen oder Schwebeteilchen die Schallwelle. Anhand der empfangenen Schallfrequenz berechnet sich dann die Fließgeschwindigkeit. Das Doppler-Verfahren eignet sich so besonders gut für verunreinigte Flüssigkeiten wie Abwässer oder Industrieschlämme. Herkömmliche Sensoren schaffen hier keine Messung und werden beschädigt.

    Ultraschall-Durchflussmesser

    Vor- und Nachteile:

    • Berührungslose Messung
    • Installation bei laufendem Anlagenbetrieb möglich
    • Eignen sich auch für den Einsatz bei extremen Temperaturen
    • Doppler-Verfahren für verschmutzte Flüssigkeiten
    • Eignen sich nicht für Stoffe mit sehr hohem Anteil an Gasblasen und Feststoffen
    • Hohe Viskosität des Mediums kann zu Messausfällen führen

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    Magnetisch-induktive Durchflussmesser

    Magnetisch-induktive Durchflussmesser bestimmen den Durchfluss über ein Magnetfeld, das sich im Rohrinnern aufbaut. Dabei macht man sich das Faraday‘sche Induktionsgesetz zunutze. Nach diesem entsteht eine Spannung, wenn sich ein elektrischer Leiter durch ein Magnetfeld bewegt. Die Spannungshöhe ist direkt abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Magnetisch-induktive Durchflusssensoren eignen sich deswegen für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten wie Abwässer. Man unterscheidet zwischen In-Line- und Eintauchgeräten.

    Magnetisch-induktiver Durchflussmesser

    Vor- und Nachteile:

    • Unabhängig von Dichte, Druck, Temperatur und Viskosität einsetzbar und eignen sich auch für aggressive oder korrosive Medien
    • Da keine beweglichen Teile verwendet werden, ist diese Bauform äußerst verschleißarm und verursacht keinen Druckabfall bei der Messung
    • Bieten sowohl hohe Genauigkeit als auch einen großen Messbereich
    • Eignen sich nur für leitfähige Flüssigkeiten
    • Sind anfällig für Ablagerungen am Rohr und den Sensoren
    • Problematisch bei hohen Gasanteilen und Verwirbelungen

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    Schwebekörper-Durchflussmesser

    Schwebekörper-Durchflussmesser für variable Bereiche sind eine einfache und dennoch recht genaue Möglichkeit, den Durchfluss von Flüssigkeiten und Gasen zu bestimmen. Sie bestehen aus einem kegelförmigen Rohr, das von unten nach oben durchströmt wird. Ein nach oben und unten frei beweglicher Schwebekörper zeigt den Durchfluss auf einer Skala an, der sich aus der Auftriebskraft ergibt. Oft erfassen Magnetfeldsensoren das Ergebnis und verarbeiten es elektronisch weiter.

    Schwebekörper-Durchflussmesser

    Vor- und Nachteile:

    • Einfache Montage
    • Exzellentes Preis-Leistungs-Verhältnis
    • Einfache und genaue Messung
    • Ermöglichen auch die Messung von Gasen
    • Erfordern eine genaue Kalibrierung für das zu messende Medium
    • Die Bauform lässt ausschließlich einen senkrechten Einbau zu

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    Masse oder Volumen messen – was ist besser?

    Wie jeder weiß, wiegt ein Kilogramm Gold genauso viel wie ein Kilogramm Federn. Doch im Gegensatz zur Masse weicht das Volumen aufgrund der Dichte extrem ab.

    Man sollte also genau wissen, welche der beiden physikalischen Größen man messen möchte. Das hängt von den zu messenden Medien und dem Zweck der Messung ab. Zum Beispiel bringt es bei komprimierbaren Stoffen nichts, den Volumendurchfluss zu messen, da dieser je nach Zustand unterschiedlich ausfällt. Auch Blasen in einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit beeinflussen das Volumen. In beiden Fällen ist es sinnvoller, den Massedurchfluss zu bestimmen.

    Beim Verpacken von Produkten, die nach Gewicht verkauft werden, kommt es auf die Masse an. Die Flaschenbefüllung in der Getränkeindustrie hingegen misst den Volumenzufluss. Auch wenn man Tanks mit Flüssigkeiten befüllt, kommen Volumenmesser zum Einsatz, – denn ein Tank ist voll, wenn ein bestimmtes Volumen erreicht ist. Für den korrekten Ablauf chemischer Reaktionen ist wiederum die Molekülanzahl, also ihre Masse, ausschlaggebend. Welche Messmethode die richtige ist, ist also von Fall zu Fall unterschiedlich.

    6 Dinge, auf die Sie beim Kauf achten sollten

    Es gibt eine Vielzahl von Durchflussmessern, die sich für unterschiedliche Aufgaben eignen. Die richtige Auswahl des Messgeräts vermeidet nicht nur kostspielige Produktionsausfälle, sondern trägt auch zu einer langen Lebensdauer von Rohren und Gefäßen sowie einem geringeren Wartungsaufwand bei. Folgenden Faktoren sollten Sie beim Kauf berücksichtigen:

    Art des zu messenden Mediums

    Definieren Sie genau, welche Merkmale der Stoff hat, dessen Durchflussmenge Sie messen wollen. Handelt es sich um eine Flüssigkeit, ein Gas, Suspensionen oder Dampf? Ist er verunreinigt, enthält er viele Blasen und Schwebstoffe? Welche physikalischen Eigenschaften (Viskosität, Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, Dichte) weist der Stoff auf. Sind diese unter verschiedenen Bedingungen konstant oder beeinflussen sie sich gegenseitig?

    Betriebseigenschaften, Druck, Flussrate und Temperaturspannen

    Verschiedene Durchflussmesser sind für jeweils andere Materialeigenschaften geeignet. Achten Sie darauf, dass sie die Kriterien für ihre Anwendung im Hinblick auf Dichte, Viskosität, Konsistenz des Durchflusses und Korrosivität erfüllen. Je nach Ausführung und Preis können Durchflusssensoren verschiedene Höchst- und Tiefstwerte für Druck, Temperatur und Durchflussbereich aufweisen.

    Messbereich

    Der Bereich, in dem der Durchflussmesser genau messen kann, sollte mindestens der geplanten Anwendung entsprechen. Besser ist es, den maximal großen Anwendungsbereich zu wählen, um die Fehlerquote kleinzuhalten.

    Messgenauigkeit

    Eine der wichtigsten Aspekte für die Funktion von Durchflusssensoren ist ihre Genauigkeit. Sie wird als +/- Spanne in Prozent angegeben. Am besten ist es, wenn der effektive Messwert als Basis dafür dient, denn dann bleibt die Fehlerrate auch bei Änderungen des Durchflusses konstant. Manchmal ist sie auch als Prozentabweichung von der kalibrierten Spanne oder des Endwerts angegeben. Die Messgenauigkeit sollte nicht nur bei normalem, sondern auch bei minimalem oder maximalem Durchfluss gewährleistet sein. Für diese drei Fälle muss sie vom Hersteller entsprechend angegeben werden.

    Wiederholbarkeit

    Manche Anwendungen erfordern weniger Präzision, sondern eine hohe Wiederholgenauigkeit. Sie gibt an, wie viele Male man dasselbe Ergebnis erhält, wenn man eine Messung unter denselben Bedingungen mehrmals durchführt.

    Bewegliche Teile

    Bewegliche Teile in Durchflussmessern können zu Fehlern sowie erhöhtem Verschleiß und Wartungsaufwand führen. Außerdem verliert die Messung durch deren Bewegung an Genauigkeit. Bevorzugen Sie deswegen Durchflussmesser ohne bewegliche Teile, wie zum Beispiel magnetisch-induktive Durchflusssensoren.

    Die richtige Installation

    Der korrekte Einbau von Durchflussmessern bestimmt die Genauigkeit des Gerätes. Die meisten Durchflusssensoren werden horizontal montiert. Beachten Sie aber unbedingt die Installationshinweise des Herstellers: Einige Modelle wie Rotazähler erfordern eine bestimmte Einbaulage.

    Auch der Durchmesser der verwendeten Rohre beeinflusst je nach Gerät die Leistung des Durchflussmessers. Vermeiden Sie bei kleinen Durchmessern hohe Durchflussraten, sie können zu Beschädigungen infolge von Druckabfällen führen.

    Wichtig ist auch, dass Sensoren in Durchflussmessern empfindlich auf elektrostatische Aufladung (ESD) reagieren. Benutzen Sie deswegen beim Einbau am besten ESD-Schutzkleidung. Und unbedingt vor der ersten Benutzung das Gerät 30 Minuten mit Strom versorgen, damit es sich aufheizt und stabilisiert.