Das Prinzip der magnetisch-induktiven Durchflussmessung

Tagtäglich werden höchst unterschiedliche Stoffe in Rohrleitungssystemen transportiert und verteilt. Sie reichen von Trinkwasser und Fruchtsäften über Chemikalien bis hin zu Schlämmen, in denen Steine mitgeführt werden.
Die durch die Rohre strömenden Medien haben oft völlig unterschiedliche Eigenschaften. Folglich müssen für ihre Messung unterschiedliche Prinzipien angewendet werden.
Ein Verfahren ist die Durchflussmessung nach dem magnetisch-induktiven Prinzip.
Die physikalischen Grundlagen dieses Prinzips gehen auf den englischen Physiker Michael Faraday zurück, der 1831 entdeckte, dass elektrischer Strom mit einem Magnetfeld erzeugt werden kann.
Ungefähr 100 Jahre später wandte der Schweizer Erfinder und Priester Pater Bonaventura Thürlemann dieses Wissen auf elektrisch leitfähige Flüssigkeiten an, die durch Rohre strömen. Er baute das erste magnetisch-induktive Durchflussmessgerät der Welt.

Sehen wir uns genauer an, wie dieses Messverfahren funktioniert!
In einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät sind zwei Feldspulen angeordnet. Mit Hilfe der sogenannten Polschuhe erzeugen diese Spulen über den gesamten Querschnitt des Messrohrs ein konstantes Magnetfeld.
Zwei Elektroden, die elektrische Spannungen abgreifen können, sind in einem rechten Winkel in die Wand des Rohrs eingebaut.
Die Auskleidung an der Innenwand verhindert elektrische Kurzschlüsse zwischen der leitfähigen Flüssigkeit und dem Metallrohr.
Erfolgt kein Durchfluss, wird zwischen den zwei Elektroden zunächst keine induzierte elektrische Spannung gemessen.

Die elektrisch geladenen Teilchen der leitfähigen Flüssigkeit sind gleichmäßig verteilt – hier in Trinkwasser als rote und blaue Teilchen dargestellt.
Sobald jedoch die Flüssigkeit im Messrohr zu fließen beginnt, übt das Magnetfeld eine Kraft auf die geladenen Teilchen aus.
Dadurch werden die positiv und negativ geladenen Teilchen in der Flüssigkeit getrennt und sammeln sich auf den gegenüberliegenden Seiten der Rohrwand.
Nun baut sich eine elektrische Spannung auf, die von den zwei Elektroden erkannt und gemessen wird.
Diese Spannung ist direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit in der Rohrleitung.
Zusammen mit dem bekannten Rohrquerschnitt kann so der Istwert des Durchflussvolumens berechnet werden.
Je größer die Durchflussgeschwindigkeit – und somit die Trennung der geladenen Teilchen –, desto größer ist die elektrische Spannung zwischen den Elektroden.

Die Elektroden erkennen auch die sogenannte „Störspannung“, die vom eigentlichen Messsignal getrennt werden muss.
Bei einem Verfahren, das sich hierfür erfolgreich bewährt hat, wird ein Magnetfeld mit einem getakteten Gleichstrom.
Dazu wird die Polarität des Magnetfeldes abwechselnd umgekehrt – wie hier in Zeitlupe dargestellt.
Die an den Messelektroden abgegriffene Spannung ändert nun ständig ihre Polarität.
Dadurch können alle konstanten Störspannungen eliminiert werden –beispielsweise durch elektrochemische Effekte in der Flüssigkeit oder äußere Magnetfelder.
Die Größe solcher Störspannungen hat folglich keine Auswirkungen auf das eigentliche Messsignal. Dies bietet folgende Vorteile: eine stabile Messung und einen stabilen Nullpunkt des Systems.

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