Vortex-Durchflussmesser

Der Vortex-Durchflussmesser (VDM) ist ein Durchflussmessgerät zur Bestimmung von Volumen- oder Massenströmen auf Basis der Kármánschen Wirbelstraße^[1].

Vortex-Durchflussmesser gehören heute zu den Standard-Messgeräten für die Ermittlung des Volumen-Durchflusses von Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen. Typische Applikationen sind wie zum Beispiel der Einsatz in Sattdampf, überhitztem Dampf, flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen, demineralisiertem Wasser, flüssigem und gasförmigem Ammoniak und in Gasen wie Stickstoff, Sauerstoff, Chlor, Luft usw. Vortex-Durchflussmesser können auch in nicht leitfähigen Medien eingesetzt werden und stellen eine Ergänzung der magnetisch-induktiven Durchflussmesser (MID) dar.

Mittels der Wirbeldurchflussmessung (auch Vortex-Messung) können Volumenströme von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten ermittelt werden. Zur Ermittlung von Massenströmen ist eine temperatur- und druckabhängige Korrektur notwendig, wobei viele Gerätetypen eine integrierte Temperaturmessung mitbringen.

Geschichte

Leonardo da Vinci (*1452; †1519), vor allem als Maler berühmt, befasste sich in seiner Zeit nicht nur mit der Kunst. Als verantwortlicher Ingenieur für die Wasserstraßen der Poebene interessierten ihn besonders die Erosionen im Flussbett und deren Vermeidung. Er beobachtete auch Umströmungen verschiedener Hindernisse, wie Brückenpfeiler und die sich dabei ausbildenden Wirbelsysteme verschiedenster Art. So versuchte er, wie im Codex Leicester, das Verhalten von Wasser zu analysieren und erforschte die Strömungen in Flüssen, wie auch die Entstehung von Wirbeln. Im Jahre 1513 zeichnete er das Wirbelverhalten erstmals auf. Sein Ziel war es, die verschiedenen Strömungsformen zu beschreiben und vor allem zu systematisieren.

Seine Aufzeichnung trägt am Rande den Vermerk: (Zitat) "Beobachte die Bewegung an der Oberfläche des Wassers, die der von Haaren gleicht, welches zwei Bewegungsarten hat; eine hängt vom Gewicht des Haares ab, die andere von der Richtung der Locken; so bildet das Wasser strudelnde Wirbel, von denen ein Teil durch die Hauptströmung verursacht wird, und der andere durch die Nebenströmung und den Rückfluss." (Mit Rückfluss bezeichnet Leonardo damals die Strömung entgegen der Hauptströmung)

Durch seine Beobachtungen, Detailstudien und Zeichnungen hat Leonardo da Vinci eine Möglichkeit gefunden, so komplexe Naturphänomene wie turbulente Strömungen in seinen Manuskripten anschaulich zu beschreiben und für die Nachwelt festzuhalten.

Die so genannten Wirbelstraßen wurden dann im Jahre 1912 von Theodore von Kármán erstmals berechnet und bildete die Basis für die heutige Messtechnik.

1970 kamen die ersten industriell einsetzbaren Wirbelzähler als Messaufnehmer auf den Markt mit einer Einlaufstrecke von 5 bis 10 mal dem Rohrdurchmesser entsprechender Länge, diese erforderten jedoch Einlaufstrecken um eine brauchbare Genauigkeit zu erreichen.

Bedingt durch die ab 1983 verwendeten Piezo-Keramik-Sensoren, konnte der Vortex Schwingkörper keinen Stößen ausgesetzt werden. ^[2]

1986 brachte Endress+Hauser das erste Vortex-Gerät mit kapazitivem Sensor und Vibrationskompensation auf den Markt.

Messprinzip

Das Messprinzip beruht auf der Kármánschen Wirbelstraße, wobei hinter einem umströmten Körper gegenläufige Wirbel auftreten. Dieser Sachverhalt wird bei der Wirbeldurchflussmessung ausgenutzt, indem man in einer mediendurchflossenen Rohrleitung, meist in einem speziellen Messrohr, einen Störkörper einbringt, hinter dem sich die benannte Wirbelstraße ausbildet. Da die Wirbel gegenläufig und versetzt zueinander verlaufen, bilden sich lokale Druckdifferenzen, die über einen entsprechenden Sensor erfasst werden können. Der Sensor ermittelt über eine Zählung der auftretenden Druckimpulse pro Zeiteinheit die so genannte Wirbelfrequenz,

$ f={\frac {v}{d}}\ Sr $

wobei $ v $ die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch die Rohrleitung, $ d $ die charakteristische Abmessung des Störkörpers und $ Sr $ die Strouhalzahl ist. Die Stouhalzahl ist unter anderem abhängig von der Geometrie des Störkörpers und der Reynoldszahl des strömenden Mediums. Über die Strömungsgeschwindigkeit

$ v={\frac {f\cdot d}{Sr}}\ $

lässt sich auf den Volumenstrom

$ {\dot {V}}={\frac {\pi \cdot D^{2}\cdot f\cdot d}{4\cdot Sr}} $

oder temperatur- und druckabhängig auf den Massestrom

$ {\dot {m}}=\rho (T;p){\frac {\pi \cdot D^{2}\cdot f\cdot d}{4\cdot Sr}} $

schließen. Werden alle Konstanten zu einer Proportionalitätskonstante $ K $ zusammengefasst, wird der lineare Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Wirbelfrequenz ersichtlich.^[3]

$ {\dot {V}}=K\cdot f $

Sensoren

Die auf dem Markt angebotenen Vortex-Durchflussmesser unterscheiden sich stark in Bezug auf den Sensor, der die Frequenz der Wirbelabrisse aufnimmt. Im Wesentlichen ist hier zu unterscheiden zwischen dem Einsatz von Drucksensoren, die die Frequenz direkt anhand der Druckschwankungen erfassen (umgesetzt z.B. mit kapazitiven Sensoren, Membranen oder Piezo-Elementen), Dehnmessstreifen, die durch die Wirbel in eine Schwingung versetzt werden, die der Wirbelfrequenz entspricht) oder auch Thermistoren, die durch die Wirbel periodisch unterschiedlich stark abgekühlt werden (die Auswertung erfolgt dann normalerweise in einer Brückenschaltung).

Kapazitiver Sensor

Der patentierte Differential-Switched-Capacitator-Sensor (DSC)^[4] mit primärer Vibrations-Kompensation ist ein mechanisch ausbalanciertes System und hat sich seit Jahren in der betrieblichen Praxis gegenüber den anderen Sensorarten bewährt. Er ist unempfindlich gegenüber Anlagenvibrationen, Wasserschlägen, Temperaturschocks und Druckstößen. Der Sensor ist direkt im Staukörper positioniert, welcher zur Erfassung der Wirbel beidseitig kleine Bohrungen aufweist. Auf diese Weise ist der Sensor weitgehend vor äußeren Einflüssen geschützt. Weiterhin zeichnet sich dieses Sensorprinzip durch einen besonders großen Messbereich aus.

Anwendungen

Die Wirbeldurchflussmessung hat ein weit verbreitetes Einsatzgebiet in vielen Branchen, wozu unter anderem die Petrochemie, Energietechnik, Wärmeversorgung, Pharmazie, Farbenherstellung, Agrochemie und Kosmetika/Health Care sowie der Nahrungsmittelindustrie zählen.

Eines der Hauptanwendungen des Vortex-Durchflussmesser ist die Dampfmessung (Massedurchfluss)^[5]. Aufgrund steigender Energiekosten ist die Erfassung des Dampfverbrauchs sinnvoll geworden. Sattdampfanwendungen erfordern oft Durchflussmessgeräte mit breitem Messbereich, präziser Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit.

Vorteile

Gegenüber Messgeräte wie Turbinen, Blenden oder Staurohre bestehen die Vorteile :

• niedrigere Installationskosten,
• geringer Druckverlust,
• große Messbereichsdynamik bis 45:1,
• sehr schnelle Messwertwiedergabe (nach weniger als einer halben Sekunde)
• kleine Fehler (0,75 % vom Messwert für Flüssigkeiten und 1,00 % v.M. für Gase)
• Mediumseigenschaften wie Dichte und Viskosität haben bei Reynoldzahl: Re >20000 keinerlei Einfluss auf die Messgenauigkeit.
• in einem sehr großen Temperaturbereich, der von -200 °C bis +400 °C reicht, einsetzbar.
• Ex-Ausführungen

Anwendungsgrenzen

Bei Vortex-Durchflussmessern sind im Wesentlichen folgende Problempunkte zu benennen, welche die Einsatzmöglichkeiten der Vortex-Geräte einschränken. Der erste Problempunkt betrifft die relativ hohe Verschmutzungsanfälligkeit der Geräte. In Abhängigkeit vom Funktionsprinzip des Sensors beeinflussen schmutzbeladene oder zur Kristallisation neigende Medien das Messergebnis in unterschiedlicher Weise. Speziell bei den kapazitiven Sensoren können an den Bohrungen im Staukörper Verstopfungen auftreten. Ferner können Stöße der Partikel gegen den Staukörper das Messergebnis verfälschen.

Der zweite Problempunkt bezieht sich auf die Empfindlichkeit der Vortex-Durchflussmessgeräte gegenüber Vibrationen in der Anlage, die instabile Messergebnisse zur Folge haben. Vibrationen können beispielsweise durch Pumpen verursacht werden, die vor oder nach dem Durchflussmesser eingebaut sind.

Eine weitere Anwendungsgrenze resultiert aus der erforderlichen Mindest-Strömungsgeschwindigkeit zur Ausbildung messbarer Wirbel. Daraus ergibt sich ein Messbereich der immer größer als Null ist. Das heißt, um ein stehendes oder sehr langsam fließendes Medium detektieren zu können, sind weitere gesonderte Maßnahmen erforderlich.

Eine weitere Einschränkung, die jedoch auf den größten Teil aller Durchflussmessungen zutrifft, ist, dass die Messung auf eine Durchflussrichtung beschränkt ist. Um die entgegengesetzte Durchflussrichtung messen zu können, wird ein weiteres Gerät benötigt.

Einzelnachweise

Quellen

• Herbert Oertel, Martin Böhle, Ulrich Dohrmann; Strömungsmechanik; Grundlagen,Grundgleichungen+Lösungsmethoden; 4. Auflage von 2006, Vieweg+Teubner Verlag | ISBN 3-8348-0206-9

Weblinks

• 3D-Animation des Wirbelzähler-Durchfluss-Messprinzips
• Durchflussmessung in Kläranlagen
• Siemens Industry Automation
• ACS-Control-System (PDF; 916 kB)