Arten von Durchflussmessern

Jul 10, 2023

Die Kenntnis der Durchflussrate innerhalb eines Flüssigkeitsrohrsystems ist eine der nützlichsten Messungen zum Verständnis des Systembetriebs.

Die zur Messung der Durchflussraten verwendeten Geräte werden in der Regel von den Instrumentierungs- und Kontrollgruppen der Anlage gewartet und kalibriert. Durchflussmesser in Anlagen überwachen typischerweise den eichpflichtigen Verkehr oder werden als Hauptelemente des Durchflussregelkreises verwendet.

Messgeräte für den eichpflichtigen Verkehr sind darauf ausgelegt, beim Verkauf oder Kauf von Produkten genaue und wiederholbare Werte für die Durchflussraten zu liefern. Diese Arten von Durchflussmessern messen häufig ein positives Volumen, wenn es um kleine Quantile geht, oder das Volumen kann bei der Messung großer Quantile über die Zeit summiert werden. Der für den eichpflichtigen Verkehr verwendete Durchflusswert hilft auch beim Betrieb und der Wartung anderer Anlagengeräte.

Wenn das Entwurfsziel eines Rohrleitungssystems darin besteht, eine festgelegte Durchflussrate einer Prozessflüssigkeit festzulegen, wird ein Durchflussregelkreis verwendet (siehe Abbildung 1). Die Steuerelemente des Systems arbeiten zusammen, um die richtige Durchflussrate zu erreichen.

Der Durchflussmesser misst einen Wert, der von der Durchflussrate durch den Zähler abhängt. Anschließend übermittelt das Messgerät einen Messwert an die Steuerung. Am Regler wird der gewünschte Wert für die Durchflussmenge eingegeben.

Der Controller vergleicht dann den Messwert des Messgeräts mit dem eingestellten Wert und sendet ein Ausgangssignal an den Aktor. Der Aktor verstellt dann das letzte Element (ein Regelventil oder einen Frequenzumrichter [VFD]), um die überschüssige Energie zu eliminieren, die zum Ausgleichen der Durchflussrate auf den eingestellten Wert erforderlich ist. Der Controller stellt dem Bediener die tatsächlich gemessene Durchflussrate zur Verfügung.

Die Anschaffungskosten der Ausrüstung und der Aufwand für die Kalibrierung und Wartung dieser Art von Durchflussmessern können für den breiten Einsatz in einer Anlage unerschwinglich sein. In dieser Kolumne befassen wir uns mit Möglichkeiten, die Durchflussrate innerhalb eines Rohrleitungssystems zu messen, ohne dass die Kosten für Messgeräte für den eichamtlichen Verkehr oder die Komplexität eines Durchflussregelkreises anfallen.

Durchflussmesser lassen sich in zwei allgemeine Kategorien einteilen: solche, die den Durchfluss auf der Grundlage des Druckabfalls über den Zähler bestimmen, und solche, die einen Wert messen, der in einer linearen Beziehung zur Durchflussrate durch den Zähler steht.

Differenzdruck-Durchflussmesser bestehen aus einer Durchflussbegrenzung innerhalb des Durchflussstroms, die einen Differenzdruck über dem Messgerät verursacht. Basierend auf dem Bernoulli-Prinzip ist die Durchflussrate durch das Messgerät eine Funktion der Quadratwurzel des Differenzdrucks über der Durchflussdrossel. Das Messgerät zieht die Quadratwurzel des Differenzdrucks und zeigt die Ergebnisse auf einer kalibrierten Skala mit der Durchflussrate an.

Ein linearer Durchflussmesser besteht aus einem gemessenen Signal, das in direktem Zusammenhang mit der Durchflussrate durch den Zähler steht.

Der gebräuchlichste Durchflussmesser ist ein Differenzdruckmesser, der aus einer Blende mit einem konzentrischen runden Loch besteht, das auf einen bestimmten Wert eingearbeitet ist.

Die Blende sorgt für die Drosselung des Durchflusses, während Druckanschlüsse vor und hinter der Drosselung für den erforderlichen Differenzdruck sorgen.

Wenn die Prozessflüssigkeit von der vorgeschalteten Rohrleitung in das Messgerät gelangt, führt die Verengung in der Öffnung zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit, wenn sie durch die Verengung strömt. Innerhalb der Einschränkung wird ein Teil der Druckhöhe in Geschwindigkeitshöhe umgewandelt.

Nach dem Passieren der Verengung verlangsamt sich die Strömung aufgrund der Umwandlung der Geschwindigkeitshöhe zurück in die Druckhöhe. Wenn wir die physikalischen Gesetze hinter diesem Zusammenhang kennen, können wir die Durchflussmenge anhand der Druckdifferenz bestimmen. Das Durcharbeiten der Gleichungen zeigt, dass die Quadratwurzel des Differenzdrucks an der Blende eine Funktion der Durchflussrate durch die Blende ist.

Der Grund für die breite Akzeptanz von Blenden liegt in ihrer einfachen Bedienung. Sie können mit handelsüblichen Instrumenten zum Ablesen von Differenzdrücken eingebaut werden und lassen sich leicht herstellen, um den Design-Durchflussanforderungen gerecht zu werden. In Nordamerika können Öffnungen anhand von Standards dimensioniert werden, die von der Norm der American Society of Mechanical Engineers (ASME-MFC-3M) oder der Norm 2530 des American Petroleum Institute (API) entwickelt wurden. Die Norm enthält Anforderungen für die Position der Differenzdruckanschlüsse und das Verfahren zur Dimensionierung des Durchmessers des Hohlraums in der Lochplatte.

Da die Funktionsweise und Genauigkeit der Messblende gut bekannt ist und die Messblende und die Druckanschlüsse an Flanschflächen innerhalb eines Rohrleitungssystems angebracht werden können, kann diese Art von Durchflussmesser vor Ort hergestellt und bei Bedarf in die Rohrleitung eingesetzt werden.

Ein Annubar ist eine andere Art von Messgerät, das zur genauen Messung der Durchflussrate in eine Rohrleitung eingesetzt werden kann. Das Messgerät misst die Differenz zwischen dem gesamten Flüssigkeitsdruck und dem statischen Druck über einen großen Querschnittsbereich der Rohrleitung. Das Design des Annubar ermöglicht es, ihn bei Bedarf einfach in den Strömungsstrom einzuführen. Dieser Zählertyp wird von den Produktherstellern vor der Installation entwickelt und getestet.

Als nächstes betrachten wir Messgeräte, bei denen der Messwert im Messgerät eine direkte Funktion der Durchflussrate durch das Messgerät ist.

Ein Wirbelmesser verwendet einen speziell entwickelten Stab, der in den Strömungsstrom eingeführt wird, um Flüssigkeitswirbel innerhalb des Strömungsstroms zu erzeugen. Das Messgerät zählt die Anzahl der im Laufe der Zeit erzeugten Wirbel, die eine lineare Funktion der Durchflussrate durch das Messgerät ist.

Wirbelzähler sind als Gesamteinheit von verschiedenen Geräteherstellern erhältlich. Der in den Strömungsstrom eingeführte Stab verursacht einen Druckverlust, der jedoch viel geringer ist als der Druckabfall, der durch eine Blende verursacht wird.

Ultraschall-Durchflussmesser messen die Frequenzänderung einer Schallwelle, die sich durch die Prozessflüssigkeit ausbreitet. Ultraschall-Durchflussmesser können auf der Grundlage der Flugzeit der Schallwelle durch die Prozessflüssigkeit oder der durch den Doppler-Effekt verursachten Frequenzänderung messen.

Bei einem Flugzeit-Durchflussmesser projiziert ein Wandler eine Schallwelle in das Rohr. Die Schallwelle breitet sich durch die Prozessflüssigkeit aus und wird von der gegenüberliegenden Rohrwand reflektiert. Dann wandert es zu einem zweiten Wandler, der dem ersten nachgeschaltet ist.

Eine zweite Schallwelle verlässt den nachgeschalteten Wandler und wandert in die entgegengesetzte Richtung. Durch die Kenntnis der Entfernung und der Zeit, die für den Hin- und Rückweg benötigt wird, erhält das Messgerät die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr und stellt so einen linearen Zusammenhang mit der Durchflussrate durch das Rohr her.

Bei einem Doppler-Messgerät sendet ein Wandler eine Schallwelle mit einer bestimmten Frequenz in den Durchfluss.

Wenn die Schallwelle von einem kleinen Partikel oder einer Blase im Strömungsstrom reflektiert wird, ändert sich die Frequenz der reflektierten Schallwelle. Mithilfe des Doppler-Prinzips misst das Messgerät die Frequenzänderung der Schallwelle, um die Geschwindigkeit der Prozessflüssigkeit zu bestimmen. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit stellt eine lineare Beziehung zwischen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und der Durchflussrate dar.

Die Installation eines Durchflussmessers in einem Rohrleitungssystem ist ein kostspieliger Prozess. Daher werden die meisten Durchflussmesser für Anwendungen im eichpflichtigen Verkehr verwendet oder wenn die Durchflussrate eines Prozesses erforderlich ist, um die Anforderungen des Systemdesigns zu erfüllen.

Wie wir in früheren Kolumnen besprochen haben, kann die Kenntnis der Durchflussrate durch eine Pumpe, Rohrleitung, Heizung oder ein Regelventil hilfreich sein, um festzustellen, ob das Gerät ordnungsgemäß funktioniert oder gewartet werden muss. Alle in dieser Spalte vorgestellten Beispiele können bei Bedarf zur Verwendung im Rohrleitungssystem installiert werden. Beispielsweise kann eine Blende zwischen vorhandenen Flanschflächen, die Rohrsegmente verbinden, installiert werden. Annubars können bei Stillstand der Anlage schnell in eine Rohrleitung eingesetzt werden und sorgen bei Bedarf für eine Durchflussmenge.

Ein Wirbelzähler muss in einer Rohrleitung installiert werden, aber die Kalibrierung und Wartung dieses Zählertyps ist geringer als bei einem typischen Differenzdruckmesser.

Schließlich können tragbare Ultraschall-Durchflussmesser außerhalb eines Rohrs installiert werden, ohne den Systembetrieb zu beeinträchtigen. Das Messgerät kann am Rohr befestigt werden und bei Bedarf die Durchflussmessung durchführen und anschließend an einen anderen Ort verlegt werden.

Jeder dieser Arten von Durchflussmessern liefert bei ordnungsgemäßer Verwendung hervorragende Ergebnisse und hilft Endbenutzern, sich ein klares Bild vom Betrieb des gesamten Rohrleitungssystems zu machen.

Ray Hardee ist einer der Hauptgründer von Engineered Software und Entwickler der PIPE-FLO- und PUMP-FLO-Software. Bei Engineered Software war er an der Entwicklung zweier Schulungskurse beteiligt und unterrichtet diese Kurse international. Er ist unter [email protected] erreichbar.