Wie funktionieren Durchflusssensoren und wofür werden sie benötigt?

Durchflusssensoren sind in den Verfahren der Prozesschemie allgegenwärtig. Doch auf welcher Funktionsweise basieren die Volumenstrom-Messgeräte, welche Bauarten gibt es und wo werden sie eingesetzt? Diese Informationen sowie die wichtigsten Faktoren für die richtige Auswahl der Flowmeter und einen Ausblick auf weitere Trends in der Durchflussmessung soll dieser Artikel aufzeigen.

Grundlagen der Durchflussmessung

Die Messtechnik der Durchflussmessung gibt es in verschiedenen Ausführungen, die je nach dem zu messenden Fluid, der erforderlichen Genauigkeit und den Umgebungsbedingungen auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind.

So mannigfaltig das marktgängige Sortiment der Durchflussmesser, so vielseitig sind auch die verwendeten Werkstoffe: Je nach Einsatzbereich und geforderter chemischer Beständigkeit sind Flowmeter zumeist aus technischem Kunststoff, Messing oder Edelstahl gefertigt.

Über die Funktionsweise und den Einsatz von Flowmetern

Durchflusssensoren basieren auf verschiedenen physikalischen Prinzipien wie Fluiddynamik, thermischen, akustischen oder elektromagnetischen Eigenschaften. Die Durchflussraten werden dabei entweder direkt gemessen oder indirekt aus anderen Messgrößen abgeleitet.

Durchflusssensoren – oft auch Flowmeter genannt – bestehen im Wesentlichen aus dem eigentlichen Messwertaufnehmer oder Sensor sowie dem Auswerte- und Speiseteil, auch Transmitter genannt. Der Sensor misst je nach Bauart eine bestimmte physikalische Größe wie Temperatur oder Druck. Der Transmitter wandelt die vom Sensor gelieferten Daten in weiter verarbeitbare Größen um und stellt sie mittels analoger oder digitaler Anzeigen dar oder gibt sie in Form elektrischer Signale weiter.

Um den Durchfluss nicht nur zu messen, sondern auch zu regulieren, werden häufig Durchflussschalter, auch Durchflusswächter genannt, eingesetzt. Mit deren Hilfe lassen sich Betriebsprozesse bei höheren Temperaturen und größeren Druckanforderungen überwachen.

Wie jedes andere Messgerät müssen auch Durchflusssensoren kalibriert werden, um sicherzustellen, dass sie genaue Ergebnisse liefern. Die Wahl des richtigen Verfahrens und die erforderlichen Intervalle hängen dabei von der Art des Durchflussmessgeräts und den Anforderungen an die Genauigkeit ab.

Arten von Durchflusssensoren

Je nach Anwendungsanforderungen wird zwischen Volumen- oder Massenstrommesstechnik unterschieden.

Bei der Volumendurchflussmessung wird die Menge der Flüssigkeit oder des Gases, die pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Querschnitt fließt, gemessen. Es handelt sich dabei um eine einfache und kostengünstige Methode. Bei der Massendurchflussmessung hingegen wird die Masse der Flüssigkeit oder des Gases, die pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Querschnitt fließt, gemessen. Die Massendurchflussmessung ist genauer als die Volumendurchflussmessung, aber auch teurer.

Je nach Verwendungszweck gibt es verschiedene Messverfahren, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen.

Mechanische Durchflussmesser

Mechanische Durchflusssensoren funktionieren auf dem Prinzip der direkten Messung des Volumenstroms. Dabei wird das Fluid in ein Messrohr geleitet und die Bewegung des Fluids in eine mechanische Bewegung umgewandelt. Diese wird dann entweder direkt angezeigt oder in elektrische beziehungsweise digitale Signale umgewandelt, etwa bei elektronischen Durchflusssensoren.

Turbinen-Durchflusssensoren gehören zu den bekanntesten Ausführungen und basieren auf einem relativ einfachen Arbeitsprinzip. Sie bestehen aus einem Rotor mit Schaufeln, der auf einem Lager montiert ist und im Inneren des Zählers von einer zentralen Welle getragen wird. Sobald in der Rohrleitung eine Strömung fließt, bringt die kinetische Energie des Fluids den Rotor zum Drehen. Diese Bewegung wird von einem Bewegungssensor erfasst, der elektronische Impulse erzeugt, die der Volumenmenge entsprechen. Der Volumenstrom ist somit proportional zur Impulsfrequenz. Turbinen-Durchflusssensoren können für die Durchflussmessungen von Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt werden und bieten eine gute Option für nicht leitfähige Flüssigkeiten wie Öle.

Schwebekörper-Durchflusssensoren

Die Durchflussmessung bei Schwebekörper-Durchflusssensoren erfolgt mit Hilfe eines Schwebekörpers, der sich in einem senkrecht angebrachten Schaurohr mit Skalierung befindet.

Schwebekörper-Messgeräte werden in unterschiedlichen Ausführungen und Werkstoffen angeboten, etwa aus metallischen Legierungen oder technischen Polymeren. Das Messrohr besteht zumeist aus Borosilikatglas, Acrylglas oder transparenten technischen Kunststoffen.

Auch der Schwebekörper selbst wird in unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt und sollte je nach Medium, Volumenstrom und Betriebsbedingungen gewählt werden. Üblich sind beispielsweise Glas, Edelstahl, Titan oder fluorierte Kunststoffe, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF).

Um den Durchfluss nicht nur messen sondern auch regulieren zu können, sind viele dieser Durchflussmessgeräte mit einem eingangsseitig verbauten Nadelventil ausgestattet.

Differenzdruck-Messgeräte

Differenzdruck-Flowmeter basieren auf Grundlage der Bernoulli-Gleichung, wonach in einem strömenden Fluid die Summe aus potenzieller, kinetischer und Druckenergie konstant ist. Sie werden für die volumetrische Durchflussmessung von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf eingesetzt.

Dazu wird das Fluid durch eine Verengung in der Rohrleitung geleitet. Diese Verengung führt zu einem Druckabfall, der proportional zum Volumenstrom ist. Durch Messung des Drucks vor und nach dem eingebrachten Element wird der Volumenstrom bestimmt. Es gibt verschiedene Formen und Typen von drosselnden Primärelementen. Der gebräuchlichste Typ ist die Messblende, die ebenfalls eine Vielzahl von Formen und Ausführungen aufweisen kann. Differenzdruck-Flowmeter sind eine der am häufigsten verwendeten und vielseitigsten Durchflussmesstechniken.

Thermische Massendurchflusssensoren

Thermische Massendurchflusssensoren funktionieren nach dem Prinzip der Wärmeübertragung. Strömen ein Gas oder eine Flüssigkeit an einer erhitzten Oberfläche vorbei, entzieht sie dieser Oberfläche Wärme und nimmt diese ins Medium auf.

Sie bestehen in der Regel aus einem Rohr mit zwei hineinragenden Temperatursensoren: Einem Referenzsensor, der die Flüssigkeitstemperatur unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit misst. Der zweite Sensor wird durch elektrischen Strom konstant beheizt, und zwar derart, dass sich zwischen den beiden Sensoren eine vordefinierte Temperaturdifferenz von beispielsweise 10 °C einstellt. Sobald eine Strömung im Rohr vorliegt, wird dem beheizten Sensor Wärme entzogen und durch das Fluid abgeführt. Die entstandene Abkühlung wird gemessen, und die Elektronik muss mehr Strom an den beheizten Sensor liefern, um die Temperaturdifferenz konstant aufrechterhalten zu können. Die dafür erforderliche Stromaufnahme ist dann ein Maß für den Massendurchfluss. Diese Art von Durchflusssensoren wird häufig als Druckluftzähler und auch für verschiedene Gase verwendet, da es sich um eine zuverlässige und dennoch kostengünstige Technologie handelt.

Weitere Verfahren sind magnetisch-induktive, elektromagnetische, Ultraschall-, Coriolis- und Vortex-Flowmeter.

Auswahl und Anwendung des richtigen Durchfluss-Messgeräts

Die korrekte Auswahl und Anwendung von Durchflusssensoren im industriellen oder analytischen Kontext sind entscheidend für eine genaue und zuverlässige Messung. Die Anzahl der Bauformen und Technologien sowie die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten können die Auswahl eines Durchflusssensors allerdings kompliziert machen, da die Auswahl von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird:

• Die voraussichtliche Durchflussrate ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Auswahl eines Durchflusssensors.
• Der Durchflusssensor muss für das Medium geeignet sein, das gemessen werden soll. Einige Flowmeter sind für bestimmte Medien besser geeignet als für andere. Beispielsweise sind Differenzdruck-Durchflusssensoren für abrasive oder hochviskose Medien nicht geeignet.
• Der Durchflusssensor muss den Betriebsbedingungen standhalten, unter denen er eingesetzt werden soll. Dazu gehören Temperatur, Druck und Vibration, aber auch die Dichte und Viskosität des Fluids und ein eventuell durch die Messung herbeigeführter Druckverlust.
• Die Messgenauigkeit bzw. Toleranz ist ein wichtiger Faktor für viele Anwendungen.
• In vielen Fällen muss die Messeinheit kalibrierbar und von einer anerkannten Zertifizierungsstelle zertifiziert sein.

Grundsätzlich ist die Auswahl des richtigen Durchflusssensors wichtig, um genaue Ergebnisse zu erhalten und eine ordnungsgemäße Funktion der Anlage zu gewährleisten.

Wie werden Durchflusssensoren angeschlossen?

Für die Wahl des richtigen Durchflusssensors sollte auch der Anschluss an vorliegende Schlauchleitungen oder Rohrsysteme in Betracht gezogen werden. Üblicherweise werden Durchflussmessgeräte mit Innen- oder Außengewinde-Anschlüssen gefertigt. An diese lassen sich entsprechende Schlauchverbinder und Rohrverbinder adaptieren.

Alternativ kann auf Durchflussmesser zurückgegriffen werden, die bereits Klemmringverschraubungen für Kunststoffschläuche oder Klebe- und Schweißmuffen für Rohrsysteme als Anschlüsse enthalten.

Herausforderungen und weitere Entwicklungen

Durchflusssensoren sind unverzichtbare Hilfsmittel, um einen reibungslosen Betrieb von Messungen und Prozessen zu gewährleisten. Wie bei jeder Technologie gibt es auch bei der Durchflussmessung Herausforderungen und Überlegungen, um Effizienz und Genauigkeit zu maximieren.

Faktoren wie Flüssigkeitseigenschaften, Durchflussbedingungen und Gerätetyp beeinflussen die Genauigkeit ebenso wie Umweltbedingungen. Kalibrieren, regelmäßiges Warten und ordnungsgemäßes Installieren sind ebenfalls entscheidend, um die langfristige Genauigkeit zu gewährleisten und Messfehler zu minimieren.

Die Technik der Durchflussmesssensoren ist dabei ein sich stetig weiterentwickelndes Feld. In den letzten Jahren gab es eine Reihe neuer Entwicklungen, die die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz dieser vielseitig einsetzbaren Tausendsassas verbessern. Diese Entwicklungen werden dazu beitragen, die Durchflussmesstechnik weiter zu verbessern und neue Anwendungen zu ermöglichen:

• Intelligente Sensoren und Prozessoren können die Daten von Flowmetern in Echtzeit analysieren und auswerten. Dies ermöglicht es, Prozesse besser zu überwachen und zu kontrollieren.
• Miniaturisierte Durchflusssensoren eignen sich für den Einsatz in kleinen Rohren und Leitungen oder auch in mobilen Anwendungen.
• Durchflusssensoren werden zunehmend für die Messung von neuen Medien, wie etwa flüssigen Kristallen oder Nanopartikeln, eingesetzt.
• KI-Algorithmen können verwendet werden, um die Daten von Durchflusssensoren zu analysieren und auszuwerten. Dies kann dazu beitragen, Fehler zu reduzieren und die Genauigkeit der Messungen zu verbessern.
• Die Entwicklung von Durchflusssensoren auf Basis von optischen Technologien eignet sich für die Messung von nichtleitenden Medien.

Durchflusssensoren werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt und spielen eine entscheidende Rolle bei der effizienten Überwachung und Steuerung von Flüssigkeits- oder Gasströmen in industriellen Prozessen. Die verschiedenen Arten von Flowmetern, wie etwa magnetisch-induktive Durchflusssensoren, Ultraschall-Durchflusssensor, Schwebekörper-Flowmeter, Wirbelzähler und viele andere, bieten Lösungen für verschiedene Anforderungen und Medien.

Der Einsatz von Durchflusssensoren wird auch in den nächsten Jahren weiter zunehmen, da die Industrie zunehmend auf präzise Messungen und Daten angewiesen ist, um ihre Prozesse zu optimieren und um Umweltstandards einzuhalten. Fortschritte in der Technologie werden zu verbesserten Flowmetern führen, die genauer, zuverlässiger und effizienter sind. Zudem wird die Integration von IoT (Internet of Things) und Datenanalytik die Möglichkeit bieten, Echtzeitdaten zu sammeln und zu analysieren, um Prozesse in Echtzeit anzupassen und zu optimieren. Dies wird zu einer besseren Ressourcennutzung und nachhaltigeren Produktionsmethoden beitragen.

Bild-Quellen: 
Beitragsbild | © Surasak – stock.adobe.com 
Schwebekörper-Durchflussmesser aus Kunststoff mit Muffen-Anschluss | © Surasak – stock.adobe.com
Schwebekörper-Flowmeter mit Messrohr aus Glas und Regelventil aus Edelstahl | © Tricky Shark – stock.adobe.com