Eine Durchflussmessung ist eine Messung des Volumenstromes, also der transportierten Menge pro Zeiteinheit, in Gasen oder Flüssigkeiten. Sie 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.
Durchflussmessungen (und damit die Durchflussmessgeräte) unterscheiden sich:
- bezogen auf die geometrischen Verhältnisse des zugehörigen Strömungsfaden
- durch die Wahl der Hauptmessgröße (Geschwingkeit, Druckdifferenz einer Drosselstelle, Trägheitskräfte, Auswirkung von gezielten Störungen der Strömung)
- durch die Eigenschaften des zu messenden Mediums
- durch die Anforderungen an den Werkstoff der benetzten Fläche
- durch die Formulierung des Einsatzzweckes.
Durch die Kombination dieser Unterscheidungsmerkmale ergibt sich eine große Typenvielfalt.
Scheinbar komplizierte Methoden liefrn durch den Fortschritt in der Elektronik vergleichsweise kostengünstige Lösungen und verdrängen zunehmend althergebrachte Methoden.
Der zugrunde liegende Strömungsfaden Bearbeiten
Der Transport von Flüssigkeiten oder Gasen erfolgt typischerweise in Rohrleitungen. Diese haben in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt. Aus dem Innendurchmesser und der Geschwindigkeit der Strömung kann der Volumendurchfluss errechnet werden. Ist zusätzlich auch die Dichte des transportierten Mediums bekannt, kann daraus der Massendurchfluss berechnet werden.
Das gilt ähnlich auch für nicht kreisförmige Leitungen, sofern man die Innenquerschnittsfläche kennt.
Hierbei werden drei Voraussetzungen gemacht:
- kennt man die Geschwindigkeit eines Teilchens, dann haben alle anderen Teilchen im Bezugsquerschnitt die gleiche Geschwindigkeit,
- das Innere der Rohrleitung immer vollständig gefüllt mit dem Medium,
- das Medium ist homogen.
Das Bild zeigt, dass die erste Voraussetzung fast nie erfüllt ist. An der Innenwand gibt es Reibung und in der unmittelbaren Nähe ist die Geschwindigkeit kleiner. Ferner kann die Strömung laminar oder turbulent sein. Das Bild 1 gilt für turbulente und Bild 2 für laminare Srömung.
In Strömungslaboratorien wurden diese Profile detailiert untersucht. So kann man den damit verbundenen Fehler gut einschätzen und korrigieren. Im Zweifel erfolgt eine Kalibrierung.
Die zweite Voraussetzung gilt nicht für Freispiegelleitungen, offene Gerinne, Kanäle und ähnliches. Solche Transportsysteme müssen mit Gefälle installiert sein. Es gibt keinen konstanten Querschnitt des Strömungsfadens.
Ist die dritte Voraussetzung nicht erfüllt, kann man nur die bewegte Masse betrachten und entweder kontinuierlich wiegen oder Trägheitskräfte messen. Ist die Dichte bekannt, kann man den Volumendurchfluss berechnen. Selbstberständlich kann man den Weg über Trägheitskräfte auch generell wählen.
Die Eigenschaften des zu messenden Mediums Bearbeiten
Das Hauptmerkmal ist: kompressibel oder nicht kompressibel. Alle Flüssigkeiten darf man für die üblichen Betriebsbedingungen als nicht kompressibel ansehen. Bei Gasen muss die Kompressibilität berücksichtigt werden (außer bei extrem niedrigen Drücken).
Bei Medien mit beiden Phasen (z.B. schäumend oder ausperlend) muss man untersuchen, ob ein homogenes (gleichmäßig verteiltes) Gemisch vorliegt. Ähnliches gilt auch für Medien mit Feststoffpartikeln.
Größere Teilchen (Steine, Sand oder Klumpen) verursachen einen Messfehler, der vielleicht akzeptabel ist. Eine große Anzahl von Durchflusssensoren ist aber hierfür generell nicht geeignet. Selbst wenn sie nicht zerstört werden, dann ist die mögliche Blockierung der Strömung nicht akzeptabel.
Das Medium kann chemisch so aggressiv sein, dass Korrosion berücksichtigt werden muss.
Beimengungen im Medium können abrasiv wirken. Die mögliche Standzeit muss hier betrachtet werden. Harte Werkstoffe (z.B. Keramik) kommen hier zum Einsatz.
Lebensmittel (Milch, Bier usw.) verlangen sterile Verhältnisse. In Ecken und Nischen dürfen sich keine Keime oder Bakterien verstecken können.
Hauptmessgröße Geschwindigkeit Bearbeiten
Die Strömungsgeschwindigkeit wird ermittelt durch:
- ein Flügelrad (proportional),
- die Flügelradschaufeln werden impulsmässig abgetastet. Siehe Flügelrad-Durchflussmesser.
- das Medium transportiert Wärme von einem definiert beheizten Fühler,
- die Abhängigkeitsfunktion ist numerisch im Labor ermittelt worden. Siehe Kalorimetrischer Durchflussmesser.
- gezielte Erzeugung von Wirbeln, deren Abstand gemessen wird,
- die Veränderung der Schallgeschwindigkeit,
- die Veränderung der magnetischen Induktion,
Messung von Kräften Bearbeiten
Strömungsbedingte Kräfte werden gemessen durch:
- die Anwendung des Coriolisprinzips
- das Messrohr wird in Schwingungen versetzt. Die strömende Masse reagiert. Die Ermittlung der Kraft erfolgt indirekt durch den Phasenvergleich der Schwingungen des leeren und des gefüllten Messrohrs.
Portionierung des Volumenstroms Bearbeiten
Inkompressible Medien (Flüssigkeiten) kann man in kleine Volumina zerlegen. Eventuelle Gasblasen (Luft) müssen hierbei ausgeschlossen sein. So wird beispielsweise der Kraftstoff in Zapfsäulen durch magnetisch-induktive Durchflussmesser gemessen, die einem Gasblasenabscheider nachgeschaltet sind.