Wirbelzähler-Durchflusssensoren
Funktionsweise von Wirbelzählersensoren
In Kürze
- Wirbelzähler-Durchflussmessgeräte werden in der Regel als Flansch- oder Zwischenflanschausführung konzipiert und haben in der Regel keine beweglichen Teile, was den Verschleiß und den Wartungsbedarf reduziert.
- Es gibt verschiedene Arten von Sensoren, darunter kapazitive, piezoresistive, Ultraschall-, Thermistor-, mechanische, Druck- und Dehnungsmessstreifen-Sensoren.
- Die von Endress+Hauser verwendeten DSC-Sensoren sind robust und beständig gegen Temperaturschocks, Wasserschläge und Rohrvibrationen, wobei sie ihre Genauigkeit auch bei anspruchsvollen Einsatzbedingungen beibehalten.
Wie sind Wirbelzähler-Durchflussmessgeräte aufgebaut?
Wirbelzähler-Durchflussmessgeräte bestehen aus verschiedenen Komponenten, darunter Messrohr, Staukörper, Sensor, Vorverstärker und Messelektronik (siehe Abb. 1). Die meisten auf dem Markt erhältlichen Wirbelzähler-Messgeräte verfügen über Sensoren ohne bewegliche Teile, die daher keinem Verschleiß unterliegen und keine Wartung erfordern.
Die beiden gängigsten Bauarten von Wirbelzählern sind solche mit und ohne Flansche. Letztere sind als Zwischenflanschzähler bekannt und für die Installation zwischen zwei Rohrflanschen ausgelegt. Einige Zwischenflanschausführungen haben eine standardisierte Gesamtlänge von 65 mm (2,5"), wodurch sie direkt die Blendenbaugruppen ersetzen können.
Das Standardangebot auf dem Markt umfasst Nennweiten von DN 15 bis 300 (1/2 bis 12 Zoll), wobei einige Versionen bis DN 400 (16 Zoll) reichen. Der Nenndruck kann bis zu PN 250 (ANSI-Klasse 1500) betragen. Die Wirbelfrequenzen von Nenndurchmessern größer als DN 300 (12") sind sehr niedrig, und es ist eine leistungsstarke Signalverarbeitung erforderlich, um ein stabiles Signal zu erhalten. Für Anwendungen mit großem Durchmesser sind Wirbelzähler im Vergleich zu Blenden relativ teuer. Viele Hersteller bieten auch Ausführungen für sehr niedrige oder sehr hohe Temperaturen an (-200 bis +450 °C / -330 bis +842 °F).
Geräte mit zwei unabhängigen Sensoren und Elektronik stellen einen Sonderfall dar (Abbildung 1). Diese Ausführung wird hauptsächlich in Branchen eingesetzt, in denen Redundanzmessungen wichtig sind.
Abbildung 1: Prowirl Wirbelzähler-Durchflussmessgerät von Endress+Hauser (Zweileitertechnologie).
Links: Flanschversion, Mitte: Zwischenflanschversion, Rechts: Dualsens-Version mit zwei Sensoren und Elektronik
Wie arbeiten Wirbelzählersensoren?
Die vom Staukörper erzeugten Wirbel erzeugen lokale Druckschwankungen in der Strömung, die von verschiedenen Sensoren gemessen und in elektrische Signale umgewandelt werden können. Die von den einzelnen Herstellern bevorzugten Sensortypen sind sehr unterschiedlich und umfassen kapazitive, piezoresistive, Ultraschall-, Thermistor-, mechanische, Druck- und Dehnungsmessstreifen-Sensoren. In den meisten Fällen ist der Sensor entweder in den Staukörper integriert oder unmittelbar dahinter angeordnet. Die meisten Sensoren messen heute die Wirbelablösung kapazitiv oder piezoelektrisch.
DSC-Sensoren (Differential Switched Capacitor)
Die von Endress+Hauser verwendeten DSC-Sensoren verfügen über einen paddelförmigen Sensor, der hinter dem Staukörper hervorsteht (Abbildung 2). Dieses Paddel (a) überträgt die Wirbeldruckschwankungen auf eine hülsenförmige Mittelelektrode (c), die zusammen mit der Außenelektrode (d), die aus zwei Halbschalen besteht, die Kondensatoren C1 und C2 bildet. Die Änderung der Spaltbreite führt zu einer periodisch variierenden Änderung der Kapazität, die proportional zur Wirbeldruckdifferenz ist und von der Messelektronik verarbeitet wird. Durch die mechanische Ausbalancierung des Sensors sind solche Messsysteme weitgehend unempfindlich gegenüber Vibrationen in der Rohrleitung.
Abbildung 2: Aufbau eines DSC-Sensors von Endress+Hauser.
a = Sensorpaddel, b = Fokuspunkt des Sensorsystems, c = Mittelelektrode, d = äußere Elektrode
Die Hauptvorteile des DSC-Sensors sind:
- Beständig gegen Temperaturschocks, beispielsweise in kryogenen Anwendungen (siehe Abbildung 3) oder in Dampfsystemen. Der DSC-Sensor aus Edelstahl hat keine beweglichen Teile oder sehr empfindlichen Komponenten und ist äußerst robust.
- Beständig gegen Wasserschläge, beispielsweise in Dampfsystemen.
- Unempfindlich gegenüber Rohrleitungsvibrationen. Der Abstand zwischen der Mittelelektrode und den Außenelektroden wird durch die Beschleunigungseffekte, die durch Vibrationen verursacht werden, nicht beeinflusst. Sensorpaddel und Mittelelektrode sind exakt ausbalanciert, sodass die durch Vibrationen erzeugten Beschleunigungskräfte immer im Schwerpunkt des Sensorsystems wirken und somit keine zusätzlichen vibrationsbedingten Signale erzeugen.
- Weitgehend unempfindlich gegen äußere Einflüsse, da der DSC-Sensor frei im Messrohr montiert ist. Unter ungünstigen Bedingungen können Ablagerungen auf dem Sensor selbst zu einer geringfügigen Verringerung des Messbereichs (Turndown) führen, die Genauigkeit der Messung wird dadurch jedoch nicht beeinträchtigt.
Abbildung 3: Messung von flüssigem Stickstoff (-190 °C, 25 bar /-310 °F, 360 psi) mit dem Prowirl Wirbelzähler-Durchflussmessgerät von Endress+Hauser (Fernversion).
