Das Wirbelzähler-Durchflussmessprinzip

Das Messprinzip basiert auf der Tatsache, dass sich in einem Fluidstrom, entweder in einem geschlossenen Rohr oder in einem offenen Kanal, stromabwärts nach einem Hindernis Wirbel bilden. Dieses Phänomen kann anhand der Wirbel („Wirbelstraße“) beobachtet werden, die sich beispielsweise stromabwärts nach einem Brückenpfeiler bilden (Abbildung 1). Die Häufigkeit der Wirbelablösung an jeder Seite der Säule (Staukörper) ist proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit und damit zum Volumenstrom. Bereits im Jahr 1513 hat Leonardo da Vinci stationäre Wirbel stromabwärts von Hindernissen skizziert, die den Durchfluss verlangsamten.

1878 versuchte Strouhal die Wirbel, die sich hinter Staukörpern bilden, in wissenschaftlicher Form zu beschreiben. Seine Studien ergaben, dass ein Draht schwingt, der in einem Luftstrom gespannt wird. Er fand heraus, dass die Frequenz dieser Schwingung proportional zur Geschwindigkeit des Luftstroms ist. Dieses Phänomen kann man in einem Auto oder Haus beobachten: Der Pfeifton des Luftstroms, der auf das Auto oder Haus trifft, wird durch Wirbelablösung verursacht und steigt oder fällt, wenn sich die Geschwindigkeit ändert. Dies wird als „äolische Töne“ bezeichnet.

Die in diesem Zusammenhang verwendete Strouhal-Zahl beschreibt die Beziehung zwischen der Wirbelablösefrequenz, der Strömungsgeschwindigkeit und dem Durchmesser des Staukörpers (siehe Abbildung 2):

Der Physiker Theodore von Kármán schuf 1912 mit seiner Beschreibung der sogenannten „Wirbelstraße“ weitere theoretische Grundlagen für die Durchflussmessung mit Wirbelzählern. Seine Analyse der doppelten Wirbelreihe hinter einem Staukörper in einer Fluidströmung ergab ein festes Verhältnis zwischen seiner Querabmessung (d) und seiner Längsabmessung (L). Bei zylindrischem Staukörper beträgt das Verhältnis beispielsweise 0,281. Bei einem gleichbleibenden Rohrdurchmesser ist das Volumen der einzelnen Wirbel daher konstant. Unter der Annahme, dass die Wirbel trotz unterschiedlicher Betriebsbedingungen gleich groß sind, kann der Durchfluss daher direkt aus der Anzahl der Wirbel pro Zeiteinheit abgeleitet werden.

Der Durchfluss erreicht seine maximale Geschwindigkeit an der breitesten Stelle des Staukörpers und verliert anschließend einen Teil dieser Geschwindigkeit. Abbildung 3 zeigt, dass die Strömung versucht, sich (a) von der Kontur des Staukörpers zu lösen, anstatt ihr weiter zu folgen. Dies führt zu einem lokalen Unterdruck, der Rückströmungen und schließlich Wirbel erzeugt (b). Diese Wirbel lösen sich abwechselnd an jeder Seite des Staukörpers ab und werden von der Flüssigkeit weggetragen.

Staukörper unterscheiden sich in ihrer Form von Hersteller zu Hersteller. Sie können rechteckig, dreieckig, rund, deltaförmig oder in einem von mehreren geschützten und patentierten Designs gestaltet sein. Das Design muss so beschaffen sein, dass die Strouhal-Zahl über den gesamten Messbereich konstant bleibt. Damit ist die Wirbelfrequenz unabhängig von Druck, Temperatur und Dichte. Dieser konstante Bereich (Re > 10.000) wird zur Messung des Volumenstroms mit Wirbelzählern genutzt (siehe Abbildung 4). Deltaförmige Staukörper weisen eine nahezu ideale Linearität auf und haben sich als besonders zuverlässig erwiesen. NASA-Ingenieure haben die Formen von Staukörpern umfassenden Studien unterzogen. Die Messgenauigkeit kann ±0,75 % o.r. erreichen, und die Reproduzierbarkeit liegt bei etwa 0,1 %.

Die Eigenschaften von Wirbelzähler-Durchflussmessgeräten werden üblicherweise anhand des „K-Faktors“ definiert. Dieser Faktor stellt die Anzahl der Wirbel in Zeiteinheiten dar (Impulse pro Volumeneinheit). Der Hersteller ermittelt diesen K-Faktor durch Kalibrierung und gibt diese Information auf dem Typenschild des Geräts an. Er hängt von der Form des Staukörpers und dem Rohrdurchmesser ab.

Ein Wirbelzähler-Durchflussmessgerät (DN 50/2") hat einen K-Faktor von 10 Impulsen pro Liter, sodass jeder erzeugte Wirbelimpuls einem Volumen von 0,1 Liter entspricht, unabhängig davon, ob es sich bei der gemessenen Flüssigkeit um Wasser, Dampf oder ein anderes Medium handelt.

Wirbelzähler-Durchflussmessgeräte werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, um den Volumenstrom von Dampf, Flüssigkeiten und Gasen zu messen. Wirbelzähler werden immer häufiger in Anwendungen eingesetzt, die früher den Differenzdruck-Durchflussmessgeräten beispielsweise mit Messblenden vorbehalten waren. Dieser Trend hält an, da Wirbelzähler einfacher zu installieren sind und einen größeren Messbereich haben. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für einen solchen Fall.

Seit den 1980er Jahren werden Wirbelzähler in allen Industriezweigen zur Messung von Dampf eingesetzt. Wirbelzähler messen nur den Volumenstrom, Dampfsysteme werden jedoch in der Regel nach Masse oder Energiegehalt bewertet. Daher werden diese Zähler häufig in Kombination mit integrierten oder separat installierten Druck- und Temperatursensoren verwendet.

Im Gegensatz zu magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten (auch als Magnetometer bekannt) können Wirbelzähler zur Bestimmung des Durchflusses von nicht leitenden oder nur sehr schwach leitenden Flüssigkeiten wie Kohlenwasserstoffen, demineralisiertem Wasser, Kondensat oder Kesselspeisewasser verwendet werden. Sie können im Gegensatz zu magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten auch bei erhöhtem Druck und erheblich höheren Temperaturen eingesetzt werden.

Bei Gasanwendungen finden Wirbelzähler eine breite Verwendung bei der Messung von Druckluft, Erdgas oder einzelnen Bestandteilen der Luft wie Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoff etc.

Der Fokus der Endkunden hat sich von der reinen Volumenmessung zur kompensierten Massenmessung entwickelt. Diese Entwicklung ermöglicht die Erstellung präziser Abrechnungen. Durch die Berücksichtigung von Druck und Temperatur können genaue Massenmessungen durchgeführt werden, was für eine genaue Mengenabstimmung, Prozesssteuerung und Optimierung unerlässlich ist.

Darüber hinaus können spezielle Messungen des Nassdampfs (Trockenanteil/Dampfqualität) den Betreibern helfen, die Qualität ihres Dampfs zu beurteilen und eine mögliche Ansammlung von Feuchtigkeit online zu erkennen. Auf diese Weise können Sicherheit und Effizienz zuverlässig verbessert werden. Die besten Genauigkeitsergebnisse werden in Umgebungen mit gesättigtem/nassem Dampf erzielt, sodass Kunden potenzielle Lücken in ihren Massenbilanzen schließen können.

Die Proline Prowirl Durchflussmessgeräte von Endress+Hauser vereinen die Messung von Durchfluss, Druck und Temperatur in einem einzigen Messgerät, wodurch sich die Effizienz und Genauigkeit erheblich steigern lassen.

• Genauigkeit: Durch die gleichzeitige Aufzeichnung von Druck und Temperatur können genaue Durchflussmessungen durchgeführt werden, die unabhängig von Schwankungen der Betriebsbedingungen sind und sich daher ideal für den Massenausgleich von Gas und Dampf eignen.
• Effizienz: Die Integration mehrerer Parameter in einem Messgerät reduziert erheblich den Installationsaufwand und die Wartungskosten.
• Zuverlässigkeit: Prowirl Durchflussmessgeräte sind robust und langlebig und gewährleisten auch unter anspruchsvollen Bedingungen eine zuverlässige Leistung.