Wirbel- und Drall-Durchflussmessung Die Durchflussmesser mit dem Extra-Dreh

Es gibt eine Vielzahl von Methoden zur Durchfluss- und Mengenmessung. Zwei der verbreitetsten Verfahren sind die Wirbel- und Drall-Durchflussmessung, die vor allem wegen der Exaktheit und Verlässlichkeit der Messung und (vor allem im Drall) wegen der Einfachheit der Installation und Wartung geschätzt werden.

Warum flattert eine Fahne im Wind? Und weshalb „singt“ ein gespannter Draht bei Wind? Es gibt eine Vielzahl von Beispielen für die Effekte der Wirbelbildung an umströmten Körpern. Grundsätzlich verursacht jedes Strömungshindernis Wirbel. Eine Fahne, um in dem Beispiel zu bleiben, zeichnet den Verlauf der Wirbelstraße, der gespannte Draht schwingt mit der Wirbelfrequenz. Die optimale Form für den Störkörper hat man berechnet: ABB setzt eine Deltaform ein.

Die Wirbel erzeugen periodische Druck- und Geschwindigkeitsänderungen – Begleiteffekte, die eine Erfassung ermöglichen. Konkret wandeln bei ABB Piezoaufnehmer im Inneren des Sensors die entstehende Pressung in elektrische Größen um, die als Zählimpulse verstärkt werden. So lassen sich einerseits die Messsignale erfassen, andererseits möglicherweise auftretende Rohrvibrationen, mit denen das Messsignal kompensiert wird. Die Verteilung von vier Piezoaufnehmern ist dabei so gewählt, dass sich Vibrationen der Rohrleitung im Sensor eliminieren. Per Wirbel-Durchflussmesser lassen sich Durchflüsse von Dampf, Gasen und Flüssigkeiten bestimmen. ABB bietet hier Nennweiten DN 15 bis DN 300.

Viel Wirbel um ein Strömungshindernis

Im Gegensatz dazu ist die Drall-Durchflussmessung geprägt von einem feststehenden Leitkörper, der den Messstoff in eine Rotation zwingt. In einer Art Schraubenbewegung fließt das Medium durch das Messrohr. Im zylindrischen Abschnitt des Messrohres stabilisiert sich der Drall. Dabei ist die Rotationsgeschwindigkeit an der Rohrwand relativ klein, nimmt aber zur Mitte hin zu, wo sich der Wirbelkern ausbildet. Beim Übergang der Strömung in den sich erweiternden Teil des Rohres wird der Wirbelkern ausgelenkt, und zwar dadurch, dass es im erweiterten Bereich zur Rückströmung kommt.

Der Wirbelkern führt eine schraubenförmige Sekundärrotation aus, deren Umlauffrequenz dem Durchfluss in weiten Grenzen linear proportional ist. Diese Sekundärrotation wird mit einem Piezofühler erfasst. Dieser nutzt die beim Umlauf entstehenden Druckunterschiede zur Impulserfassung. Beim Drall-Durchflussmesser werden die gleichen Messumformer wie beim Wirbel-Durchflussmesser verwendet. Die Wirbelfrequenz liegt zwischen 10 und 1500 Hz – je höher, desto größer ist der Durchfluss. Die Messumformer wandeln das Sensorsignal in weiterzuverarbeitende Signale um.

Alleinstellungsmerkmal Drall-Durchfluss

Auf seine Drall-Durchflussmesser ist ABB zu Recht stolz, immerhin hat das Unternehmen mit dem Produkt ein Alleinstellungsmerkmal. Die Methode geht nämlich zurück auf die Apollo-13-Mission der Sechzigerjahre. „Die NASA hatte das Problem, dass ihnen entweder die Raketen zu schwer werden oder nicht genug Treibstoff drin war, sodass man die Atmosphäre nicht hätte erreichen können“, berichtet Carsten Habersetzer, globaler Produktmanager für die Vortex- und Swirl-Produkte bei ABB. Er hat noch bei Fischer & Porter angefangen, dem Unternehmen, dessen Aufgabe es war, für die NASA die akkurate Treibstoffmenge zu berechnen und das mittlerweile in der ABB aufgagangen ist.

Noch heute sind die Drall-Durchflussmesser etwas Besonderes im Markt, weil man so gut wie keine Vor- und Nachflussstrecke braucht. „Beim Wirbel-Durchflussmesser möchte ich ja nur die Verwirbelung messen, die mein Störkörper erzeugt und da können jeglichen Einbauten in den Rohleistungen das Ergebnis verfälschen“, erklärt Habersetzer. „Wenn ich mehrere Krümmer oder Abzweigungen in Kombination habe, dann habe ich oft ein derart gestörtes Strömungsverhältnis, dass ich mit Wirbel-Durchflussmessern gar kein sinnvolles Ergebnis erzielen kann.“ Der Drall-Durchflussmesser sei da ideal, da man mit der Schaufel das Messinstrument in Rotation versetzt und deren Frequenz misst. Das macht das Gerät weitgehend unabhängig von den Vorlaufstrecken und verbessert die Genauigkeit.

Technik aus der Raumfahrt

ABB verfügt bereits seit vielen Jahren über ein entsprechendes Geräteportfolio zur Durchflussmessung. Eine neue Geräteserie wurde im Frühjahr vorgestellt und ersetzt die bisherigen TRIO-WIRL-Geräte. „Die Nachfrage ist sehr gut. Die neuen Features wie Dampfenergiemessung und Dampfmassemessung auch bei überhitztem Dampf werden sehr gut von den Kunden angenommen“, erklärt Habersetzer. Der Drall-Durchflussmesser SwirlMaster ist als Standard-Version (FSS430) oder als erweiterte Version (FSS450) erhältlich. Das Standard-Modell verfügt über einen Analogeingang mit Hart-Kommunikation. Optional lassen sich ein grafisches Display (HMI), digitale Ausgänge sowie ein integrierter Temperatursensor hinzufügen. Zudem kann man das Gerät als Puls-, Kontakt- und Frequenzausgang konfigurieren lassen. Dadurch wird das Einstiegsgerät kostengünstiger. Der besser ausgestattete FSS450 ermöglicht zudem, Signale von anderen Messumformern wie Dichte, Temperatur oder Druck auf analogem Weg über eine 4…20mA-Schnittstelle einzulesen und zu verarbeiten. Außerdem bietet das Modell Funktionen zur Masse- und Energieberechnung, die sonst in Durchflussrechnern zu finden sind. „Dadurch wird ein externer Flow-Computer überflüssig, was wiederum dabei hilft, Kosten in der Anlage zu sparen und Fehlerquellen zu eliminieren“, erklärt Carsten Habersetzer. Dasselbe gibt’s in der Vortex-Variante, also als Wirbel-Durchflussmesser. Hier heißt das Einstiegsmodell FSV430, die Version mit erweitertem Funktionsumfang FSV450. Beide Varianten sind auch in einer abgesetzten Bauform mit einer Kabellänge von bis zu 30 m verfügbar.

Viel getan hat sich unter der Haube: „Die neuen Geräte weisen eine deutlich verbesserte Sensor-Reaktionszeit auf“, weiß Habersetzer. „Die Ansprechzeit bei einer Änderung des Durchflusses reduziert sich von etwa drei bis sechs Sekunden auf rund eine Sekunde.“ Gleichzeitig wurden die Messbereiche in Abhängigkeit vom Durchmesser zum Teil deutlich erhöht.

Wartung und Diagnose kommt online

Zugelegt haben die Geräte auch in Sachen Selbstdiagnose- und Verifikationsfunktionen. So führt die eingebaute Online-Systemüberwachung regelmäßige Selbstkontrollen am Durchfluss- und Temperatursensor durch und checkt auf diese Weise den Datenspeicher und die Elektronik. Wird das Gerät außerhalb der vorgegebenen Spezifikationen betrieben, prüft die Systemüberwachung die Temperatur im Gehäuseinneren und warnt vor Überhitzung. Sämtliche Diagnose-Statusmeldungen orientieren sich an der Namur-Richtlinie 107.

„Ich bekomme ja grundsätzlich kein Signal, wenn nichts fließt, weiß aber nicht, ob das daran liegt, dass wirklich nichts fließt oder aber der Sensor feucht geworden ist“, erklärt Habersetzer. In der Regel entstünden Probleme nämlich durch thermischen Stress. Der An- und Abfahrprozess ist meist kritischer als der eigentliche Betrieb. Der Messumformer sendet dafür ein Testsignal zum Sensor, ohne die Messwerterfassung zu unterbrechen. Alle erkannten Fehler sammelt das System im Sensor-Memory und stellt sie in Relation zum Soll-Wert auf dem Display dar. Der Anwender kann zudem sämtliche Werte (Diagnoseparameter, Kalibrierparameter und Anlagenparameter im Sensor-Memory) von außen abgreifen und mit den Monitoring-Tools von ABB auswerten. Das spart nicht nur Kosten, weil Stillstand verhindert wird, sondern erlaubt jederzeit eine klare Aussage über den Gerätezustand.

Insbesondere die Drall-Durchflussmesser stellen nur geringste Anforderungen an die Vor- und Rücklaufstrecken. Dadurch lassen sich – je nach Anlage – ein dreifacher Rohrdurchmesser in der Einlaufstrecke und ein einfacher Rohrdurchmesser im Auslauf kombinieren, ohne dass es eines Strömungsgleichrichters bedarf.

Umrüstung auch für ältere ABB-Geräte

Die Geräte, die ohne bewegte mechanische Teile auskommen, lassen sich mit anderen Messinstrumenten (Messung von Druck, Temperatur, Dichte) kombinieren. Die Geräte sind für Ex-Schutz-Räume erhältlich – rund 30 bis 35 Prozent der Geräte würden für den Ex-Schutz-Bereich angeschafft – und kommen im robusten Alu-Druckguss oder Edelstahlgehäuse.

Doch nicht nur, wer eine Neuanlage einrichtet, profitiert von den neuen Features. Auch Bestandskunden können vorhandene Vorgängergeräte durch Wechseln der Elektronikeinheit upgraden. Dafür stehen Umbaukits für sämtliche Gerätevarianten zur Verfügung. „Wenn ein Kunde etwa eine Anwendung mit leicht überhitztem Sattdampf hat und es darauf ankommt, dass der exakt gemessen wird, etwa damit man sauber abrechnen kann, dann kann ein solches neues Messinstrument sich schnell bezahlt machen“, erklärt Habersetzer.