Wirkdruckmessung bei Dampf: Kondensatgefäße und Impulsleitungen symmetrisch ausführen

→ Produktkategorie: Primäre Durchflusselemente

 

Eine Dampfdurchflussmessung über Blende, Durchflussdüse oder Venturirohr zeigt nach der Inbetriebnahme einen konstanten Offset. Oder der angezeigte Durchfluss verändert sich mit der Außentemperatur, obwohl Druck und Anlagenlast nahezu konstant bleiben. In solchen Fällen wird häufig zuerst der Differenzdrucktransmitter überprüft. Die eigentliche Ursache liegt jedoch oft in den Wirkdruck- beziehungsweise Impulsleitungen zwischen Primärelement und Transmitter.

Bei einer klassischen Differenzdruckmessung von Dampf werden die beiden Impulsleitungen normalerweise kontrolliert mit Kondensat gefüllt. Dadurch gelangt der heiße Dampf nicht direkt an die Messzelle des Differenzdrucktransmitters. Gleichzeitig entstehen jedoch zwei Flüssigkeitssäulen, deren hydrostatischer Einfluss möglichst identisch sein muss.

Genau hier liegt eine der wichtigsten Fehlerquellen: Befinden sich die Kondensatgefäße nicht auf gleicher Höhe, besitzen die Leitungen unterschiedliche Füllstände oder werden Hoch- und Niederdruckseite unterschiedlich erwärmt, entsteht zusätzlich zum eigentlichen Wirkdruck ein hydrostatischer Differenzdruck. Der Transmitter misst diesen Fehler genauso wie den durch die Strömung erzeugten Differenzdruck.

Bei Dampfanwendungen muss deshalb nicht nur das Primärelement korrekt ausgelegt sein. Ebenso wichtig sind Kondensatgefäße, Leitungsführung, Gefälle, Füllzustand, Temperaturverteilung, Ventilblock und Inbetriebnahme. Eine hochgenaue Messzelle kann eine asymmetrisch aufgebaute Impulsleitung nicht kompensieren.

Geeignete Primärelemente finden Sie bei ICS Schneider unter Primäre Durchflusselemente. Passende Messgeräte zur Erfassung des erzeugten Wirkdrucks finden Sie unter Drucksensoren und Differenzdrucksensoren.

Wie funktioniert die Wirkdruckmessung bei Dampf?

Bei der Wirkdruckmessung wird in die Rohrleitung ein definiertes Primärelement eingebaut. Dies kann beispielsweise eine Messblende, eine Durchflussdüse oder ein Venturirohr sein.

Das Primärelement verengt den freien Strömungsquerschnitt. Dadurch erhöht sich lokal die Strömungsgeschwindigkeit und der statische Druck sinkt.

Vor und hinter beziehungsweise an definierten Positionen des Primärelements werden zwei Drücke erfasst:

• p_H = höherer Druck auf der Hochdruckseite,
• p_L = niedrigerer Druck auf der Niederdruckseite.

Der daraus gebildete Wirkdruck ist:

Δp = pH − pL

Dieser Differenzdruck wird über die beiden Impulsleitungen zum Differenzdrucktransmitter übertragen.

Je höher der Durchfluss durch das Primärelement ist, desto größer wird normalerweise der erzeugte Differenzdruck.

Die Qualität der Durchflussmessung hängt deshalb von drei Bereichen ab:

1. Primärelement: korrekte Geometrie und Einbausituation.
2. Druckübertragung: symmetrische, korrekt gefüllte Impulsleitungen.
3. Differenzdruckmessung und Berechnung: richtige Messspanne, Radizierung und gegebenenfalls Druck-/Temperaturkompensation.

Blende, Durchflussdüse und Venturirohr unterscheiden

Für die Wirkdruckmessung stehen verschiedene Primärelemente zur Verfügung. Das Messprinzip ist ähnlich, die konstruktiven Eigenschaften unterscheiden sich jedoch.

Messblende

Die Messblende gehört zu den am häufigsten eingesetzten Primärelementen. Eine definierte Bohrung verengt den Rohrquerschnitt und erzeugt dadurch den für die Durchflussbestimmung erforderlichen Differenzdruck.

Vorteile sind insbesondere:

• vergleichsweise einfacher Aufbau,
• bewährtes Messprinzip,
• für Flüssigkeiten, Gase und Dampf einsetzbar,
• umfangreiche standardisierte Auslegungsmöglichkeiten.

Nachteilig ist der vergleichsweise hohe bleibende Druckverlust.

Durchflussdüse

Eine Durchflussdüse besitzt einen strömungsgünstigeren Einlauf als eine scharfkantige Messblende.

Sie wird besonders häufig bei:

• Dampf,
• hohen Strömungsgeschwindigkeiten,
• hohen Temperaturen,
• anspruchsvollen Energieanwendungen

eingesetzt.

Für Dampfanwendungen kann eine Durchflussdüse aufgrund ihrer robusten Geometrie eine besonders interessante Lösung sein.

Venturirohr

Beim Venturirohr wird der Rohrquerschnitt zunächst kontrolliert verengt und anschließend über einen Diffusor wieder erweitert.

Dadurch wird ein größerer Teil des statischen Drucks zurückgewonnen.

Der wesentliche Vorteil ist deshalb ein vergleichsweise geringer bleibender Druckverlust.

Welches Primärelement geeignet ist, hängt unter anderem von Druck, Temperatur, Rohrdurchmesser, gewünschter Messgenauigkeit, verfügbarem Druckverlust und erforderlichem Messbereich ab.

Warum der Durchfluss von der Quadratwurzel des Differenzdrucks abhängt

Bei einem klassischen Wirkdruckgeber besteht kein linearer Zusammenhang zwischen Differenzdruck und Durchfluss.

Vereinfacht gilt für den Volumendurchfluss:

Q ∝ √(Δp / ρ)

und für den Massendurchfluss näherungsweise:

ṁ ∝ √(ρ · Δp)

Dabei ist:

• Q = Volumendurchfluss,
• ṁ = Massendurchfluss,
• Δp = gemessener Differenzdruck,
• ρ = Dichte des Mediums.

Die tatsächliche Berechnung berücksichtigt zusätzlich unter anderem Geometrie, Durchflusskoeffizient, Expansionszahl, Rohrdurchmesser und β-Verhältnis des Primärelements.

Für die Fehlersuche ist der Wurzelzusammenhang jedoch besonders wichtig:

Ein konstanter Differenzdruckfehler wirkt sich insbesondere im unteren Durchflussbereich stark auf den berechneten Durchfluss aus.

Ein Nullpunktfehler von beispielsweise einigen Millibar kann deshalb bei niedrigem Durchfluss wesentlich problematischer sein als nahe dem Messbereichsende.

Warum bei Dampf Kondensat in den Impulsleitungen benötigt wird

Heißer Dampf sollte bei einer klassischen Wirkdruckmessung nicht direkt bis zur Messzelle des Differenzdrucktransmitters gelangen.

In den Impulsleitungen wird deshalb eine Kondensatfüllung aufgebaut. Der Prozessdruck wird über diese Flüssigkeitssäule hydraulisch zum Transmitter übertragen.

Dadurch erfüllen die Impulsleitungen gleichzeitig zwei Aufgaben:

• Übertragung des Prozessdrucks,
• thermische Trennung zwischen heißem Dampf und Messgerät.

Im stabilen Betrieb sollten beide Seiten möglichst vollständig und reproduzierbar mit Kondensat gefüllt sein.

Entscheidend ist:

Die Flüssigkeitssäule auf der Hochdruckseite und die Flüssigkeitssäule auf der Niederdruckseite müssen möglichst gleiche hydrostatische Bedingungen erzeugen.

Ist dies der Fall, wirken die beiden hydrostatischen Druckanteile nahezu gleich auf die Messzelle und heben sich bei der Differenzbildung weitgehend gegenseitig auf.

Welche Aufgabe Kondensatgefäße haben

Bei klassischen Dampfmessstellen werden häufig Kondensatgefäße beziehungsweise Kondensatkammern zwischen Druckentnahmestelle und Impulsleitung eingesetzt.

Sie unterstützen einen definierten Übergang zwischen Dampfphase und Kondensatfüllung.

Damit können sich auf Hoch- und Niederdruckseite reproduzierbare Flüssigkeitsstände ausbilden.

Besonders wichtig ist dabei:

Die Bezugshöhen der beiden Kondensatgefäße müssen entsprechend der Messstellenauslegung übereinstimmen.

Andernfalls beginnen die beiden Flüssigkeitssäulen auf unterschiedlichen geodätischen Höhen und erzeugen bereits im Ruhezustand einen hydrostatischen Differenzdruck.

Separate Kondensatgefäße sind jedoch nicht in jeder modernen Dampfmessstelle zwingend erforderlich. Abhängig von Primärelement, Anschlussgeometrie und Herstellerkonzept können andere definierte Kondensatführungen vorgesehen sein.

Entscheidend ist nicht das Bauteil mit dem Namen „Kondensatgefäß“, sondern eine dauerhaft symmetrische und definierte Kondensatsäule auf beiden Seiten.

Warum beide Seiten symmetrisch ausgeführt werden müssen

Bei einer idealen Dampfmessstelle sind Hoch- und Niederdruckseite hydraulisch möglichst gleich aufgebaut.

Dies betrifft insbesondere:

• Höhe der Kondensatgefäße,
• Rohrdurchmesser der Impulsleitungen,
• Leitungslängen,
• Gefälle,
• Armaturen,
• Isolation,
• Begleitheizung,
• Umgebungseinfluss.

Eine perfekte geometrische Spiegelung ist nicht in jeder Anlage möglich. Entscheidend ist jedoch, dass beide Leitungen möglichst vergleichbare hydrostatische und thermische Bedingungen besitzen.

Beispielsweise problematisch wäre:

• H-Seite 1 m lang, L-Seite 5 m lang,
• eine Leitung isoliert, die andere unisoliert,
• eine Leitung neben einer heißen Rohrleitung, die andere frei in der Umgebung,
• nur eine Seite mit Begleitheizung,
• unterschiedliche Kondensatstände.

Solche Unterschiede können zu temperaturabhängigen Nullpunktverschiebungen führen, obwohl der Differenzdrucktransmitter selbst stabil arbeitet.

Wie Höhenunterschiede einen Nullpunktfehler erzeugen

Eine Flüssigkeitssäule erzeugt einen hydrostatischen Druck:

phyd = ρ · g · h

Unterscheiden sich die wirksamen Kondensatsäulen auf beiden Seiten um die Höhe Δh, entsteht ein zusätzlicher Differenzdruck:

ΔpFehler = ρ · g · Δh

Dabei ist:

• ρ = Dichte des Kondensats,
• g = Erdbeschleunigung,
• Δh = Höhenunterschied.

Beispiel

Bei einer Flüssigkeit mit ungefähr wasserähnlicher Dichte ergibt ein Höhenunterschied von 100 mm näherungsweise:

Δp ≈ 1000 kg/m³ · 9,81 m/s² · 0,1 m ≈ 981 Pa ≈ 9,8 mbar

Die tatsächliche Dichte des Kondensats hängt von dessen Temperatur ab.

Ein Fehler von annähernd 10 mbar kann bei einer Wirkdruckmessung mit beispielsweise 100 oder 200 mbar Messspanne bereits erheblich sein.

Deshalb sollten unterschiedlich hohe Kondensatgefäße nicht einfach durch einen Nullpunkttrim des Transmitters „korrigiert“ werden.

Der mechanisch-hydrostatische Fehler bleibt bestehen und verändert sich möglicherweise zusätzlich mit der Temperatur.

Impulsleitungen richtig verlegen

Impulsleitungen sollten so geführt werden, dass ein definierter Füllzustand dauerhaft erhalten bleibt.

Bei einer klassischen Dampfmessung befindet sich der Differenzdrucktransmitter häufig unterhalb der Druckentnahmestellen beziehungsweise der definierten Kondensathöhe. Dadurch können die Leitungen als Flüssigkeitssäulen betrieben werden.

Die konkrete Ausführung muss jedoch immer zur jeweiligen Anlagen- und Herstellerplanung passen.

Wichtig sind insbesondere:

• kontinuierliches Gefälle beziehungsweise kontinuierliche Steigung ohne unnötige Taschen,
• Vermeidung lokaler Hochpunkte, in denen sich Gas sammeln kann,
• Vermeidung unerwünschter Tiefpunkte,
• ausreichender Rohrdurchmesser,
• mechanisch stabile Befestigung,
• möglichst symmetrische Leitungsführung.

Eine scheinbar waagerechte Impulsleitung ist in der Praxis häufig problematischer als eine bewusst mit definiertem Gefälle ausgeführte Leitung.

Bei der Planung muss außerdem berücksichtigt werden, dass die Leitungen für Wartung, Befüllung, Entlüftung und gegebenenfalls Entwässerung zugänglich bleiben.

Gasblasen und unvollständig gefüllte Leitungen

Bei Dampfmessungen sollen die Leitungsabschnitte zwischen Kondensatniveau und Differenzdrucktransmitter normalerweise mit Kondensat gefüllt sein.

Eine eingeschlossene Dampf- beziehungsweise Gasblase verändert das dynamische Verhalten der Druckübertragung.

Gas ist im Gegensatz zur Flüssigkeit kompressibel.

Dadurch können auftreten:

• verzögerte Messwertreaktion,
• unterschiedliche Dynamik von H- und L-Seite,
• schwankender Nullpunkt,
• instabile Messwerte nach der Inbetriebnahme.

Besonders problematisch sind lokale Hochpunkte in den Impulsleitungen. Dort können sich Gaspolster sammeln.

Die Messstelle sollte deshalb bei der Inbetriebnahme entsprechend dem vorgesehenen Verfahren vollständig befüllt und entlüftet werden.

Temperaturunterschiede zwischen den Impulsleitungen

Nicht nur die Höhe, sondern auch die Temperatur des Kondensats beeinflusst den hydrostatischen Druck.

Mit der Temperatur verändert sich die Dichte der Flüssigkeit.

Sind beide Kondensatsäulen gleich hoch, besitzen aber deutlich unterschiedliche Temperaturen, können dadurch geringfügig unterschiedliche hydrostatische Drücke entstehen.

Dieser Effekt kann bei langen Leitungen und kleinen Differenzdruckmessbereichen relevant werden.

Typisches Praxisproblem:

• H-Leitung verläuft nahe einer heißen Dampfleitung,
• L-Leitung liegt an einer kalten Außenwand,
• beide Flüssigkeitssäulen haben dadurch unterschiedliche Temperaturen.

Der resultierende Fehler kann sich mit der Umgebungstemperatur verändern.

Ein typischer Hinweis darauf ist ein tages- oder jahreszeitabhängiger Nullpunktversatz.

Eine möglichst symmetrische Rohrführung und vergleichbare Isolation reduzieren dieses Risiko.

Frostschutz und Begleitheizung

Bei Außenanlagen kann das Kondensat in den Impulsleitungen gefrieren.

Eine eingefrorene Leitung überträgt den Prozessdruck nicht mehr korrekt und kann zusätzlich durch die Volumenausdehnung des gefrierenden Wassers mechanisch beschädigt werden.

Abhängig von Standort und Anlagenkonzept können deshalb erforderlich sein:

• Wärmedämmung,
• elektrische Begleitheizung,
• Dampfbeheizung,
• beheizte Messgeräteschränke.

Auch hier gilt das Prinzip der Symmetrie.

Werden H- und L-Seite unterschiedlich beheizt, entstehen unterschiedliche Kondensattemperaturen und damit unterschiedliche Flüssigkeitsdichten.

Eine Begleitheizung sollte deshalb nicht nur gegen Frost schützen, sondern auf beiden Messseiten möglichst vergleichbare thermische Bedingungen schaffen.

Zusätzlich müssen die zulässigen Temperaturen von Transmitter, Ventilblock, Dichtungen und gegebenenfalls Ex-Komponenten eingehalten werden.

3- und 5-Ventilblock richtig einsetzen

Bei Differenzdrucktransmittern wird häufig ein 3- oder 5-Ventilblock eingesetzt.

Ein typischer 3-Ventilblock besitzt:

• eine Absperrung auf der Hochdruckseite,
• eine Absperrung auf der Niederdruckseite,
• ein Ausgleichsventil zwischen beiden Seiten.

Ein 5-Ventilblock bietet zusätzlich Möglichkeiten zum Entlüften, Entwässern oder Anschließen eines Prüfgeräts.

Der Ventilblock ist besonders wichtig bei:

• Inbetriebnahme,
• Nullpunktprüfung,
• Kalibrierung,
• Wartung,
• Fehlersuche.

Durch das Ausgleichsventil können beide Seiten des Differenzdrucktransmitters unter definierten Bedingungen auf denselben Druck gebracht werden.

Die genaue Betätigungsreihenfolge muss jedoch immer gemäß Herstelleranleitung und betrieblicher Arbeitsanweisung erfolgen.

Bei hohem statischem Dampfdruck kann eine falsche Ventilfolge den Differenzdrucksensor einseitig stark belasten.

Nullpunkt erst nach korrekter Befüllung prüfen

Ein häufiger Fehler bei der Inbetriebnahme besteht darin, den Nullpunkt des Differenzdrucktransmitters zu korrigieren, bevor die Impulsleitungen thermisch und hydraulisch stabil sind.

Ein sinnvoller Nullabgleich setzt voraus:

• korrekt gefüllte Impulsleitungen,
• entlüftete Flüssigkeitssäulen,
• definierte Kondensatstände,
• stabile Temperaturen,
• korrekte Ventilstellungen,
• endgültige Montageposition des Transmitters.

Erst danach sollte beurteilt werden, ob tatsächlich ein Nullpunktfehler des Messgeräts vorhanden ist.

Ein mechanisch beziehungsweise hydrostatisch verursachter Offset darf nicht einfach elektrisch weggetrimmt werden.

Sonst ist die Anzeige lediglich für den aktuellen Füllzustand richtig. Sobald sich der Kondensatstand oder die Temperatur ändert, entsteht erneut ein Fehler.

Dichtekompensation bei Dampfdurchfluss

Bei Dampfdurchflussmessungen reicht der Differenzdruck allein nicht immer aus, wenn ein genauer Massendurchfluss benötigt wird.

Die Dampfdichte verändert sich mit Druck und Temperatur.

Für den Massendurchfluss gilt vereinfacht:

ṁ ∝ √(ρ · Δp)

Wird die Anlage unter anderen Prozessbedingungen betrieben als bei der ursprünglichen Auslegung, kann deshalb trotz korrekt gemessenem Differenzdruck ein Fehler in der Durchflussberechnung entstehen.

Sattdampf

Bei trockenem Sattdampf besteht ein definierter Zusammenhang zwischen Sättigungsdruck und Sättigungstemperatur. Für eine Kompensation kann deshalb abhängig vom Messkonzept bereits eine geeignete Druckinformation ausreichen.

Überhitzter Dampf

Bei überhitztem Dampf werden normalerweise Druck und Temperatur benötigt, um die aktuelle Dichte beziehungsweise die für die Durchflussberechnung erforderlichen Stoffwerte zu bestimmen.

Für hochwertige Dampfmengenmessungen können deshalb gemeinsam erfasst werden:

• Differenzdruck,
• statischer Druck,
• Temperatur.

Die Durchflussberechnung kann anschließend im Transmitter, Durchflussrechner oder Leitsystem erfolgen.

Wichtig ist die Unterscheidung:

Eine Dichtekompensation korrigiert veränderte Prozessbedingungen – sie korrigiert keine falsch gefüllten Impulsleitungen.

Systematische Inbetriebnahme einer Dampfdurchflussmessung

Eine sorgfältige Inbetriebnahme ist entscheidend für eine reproduzierbare Wirkdruckmessung.

1. Primärelement prüfen: Typ, Einbaurichtung, Rohrdurchmesser und Druckentnahmen kontrollieren.
2. H- und L-Seite identifizieren: Hochdruckseite vor und Niederdruckseite hinter dem Primärelement eindeutig zuordnen.
3. Kondensatgefäße kontrollieren: Bezugshöhen und Anschlusslage vergleichen.
4. Impulsleitungen prüfen: Durchmesser, Gefälle und symmetrische Führung kontrollieren.
5. Leitungen spülen: Schweißrückstände, Schmutz und Ablagerungen vor der Messzelle entfernen.
6. Leitungen befüllen: Vorgesehenen Kondensatfüllstand herstellen.
7. Gaspolster entfernen: Leitungen entsprechend der Anlagenanweisung entlüften.
8. Ventilblock in Betrieb nehmen: Herstellerseitige Schaltfolge beachten.
9. Thermische Stabilisierung abwarten: Kondensatsäulen und Leitungen auf einen stabilen Zustand kommen lassen.
10. Nullpunkt kontrollieren: Beide Transmitterseiten definiert ausgleichen.
11. Messbereich prüfen: Skalierung und Radizierung kontrollieren.
12. Dichtekompensation prüfen: Druck- und Temperaturwerte plausibilisieren.
13. Ersten Prozesswert vergleichen: Dampferzeugung beziehungsweise Anlagenlast gegen den angezeigten Durchfluss plausibilisieren.

Typische Fehlerbilder bei Dampfdurchflussmessungen

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Transmitter zeigt bei vermeintlichem Nullzustand einen konstanten Differenzdruck	Ungleiche Kondensatsäulen oder unterschiedliche Höhen der Kondensatgefäße	Geometrie und Füllstände beider Seiten vergleichen
Durchflussanzeige driftet mit der Außentemperatur	Unterschiedliche Temperatur der beiden Impulsleitungen	Leitungsführung, Isolation und Begleitheizung vergleichen
Messwert reagiert ungewöhnlich langsam	Gasblase oder teilweise blockierte Impulsleitung	Leitungen entlüften und Durchgängigkeit prüfen
Durchflussanzeige schwankt nach Inbetriebnahme stark	Leitungen noch nicht vollständig mit Kondensat gefüllt	Befüllung und thermische Stabilisierung kontrollieren
Messwert wird im Winter plötzlich unplausibel	Kondensat eingefroren	Frostschutz und Begleitheizung prüfen
Nach Wartung negatives Differenzdrucksignal	H- und L-Leitung vertauscht	Anschlussbelegung kontrollieren
Durchfluss stimmt nur an einem Betriebspunkt	Falsche Radizierung, Dichtekompensation oder Primärelementdaten	Berechnungsparameter und Prozessdaten prüfen
Messwert stimmt nach Nullabgleich zunächst, driftet später wieder	Hydrostatischer Fehler wurde elektrisch kompensiert	Kondensatstände und Leitungssymmetrie untersuchen
Eine Seite reagiert schneller als die andere	Unterschiedliche Leitungsfüllung oder Teilverstopfung	H- und L-Seite getrennt überprüfen
Transmitter ist kalibriert, Durchfluss bleibt trotzdem falsch	Fehler an Primärelement, Impulsleitungen oder Durchflussberechnung	Gesamte Messkette prüfen

Fehlersuche bei unplausiblem Dampfdurchfluss

Wenn eine Dampfdurchflussmessung unplausible Werte liefert, sollte der Differenzdrucktransmitter nicht sofort ausgebaut werden.

Sinnvoll ist folgende Reihenfolge:

1. Prozess plausibilisieren: Passt der angezeigte Durchfluss zur aktuellen Kessel- oder Anlagenleistung?
2. Statischen Druck prüfen: Entspricht der Dampfdruck dem erwarteten Betriebszustand?
3. Temperatur prüfen: Sattdampf oder überhitzter Dampf?
4. Primärelement kontrollieren: Richtige Einbaurichtung und freie Druckentnahmen?
5. H-/L-Zuordnung prüfen: Sind die Leitungen korrekt angeschlossen?
6. Kondensatgefäße vergleichen: Gleiche Bezugshöhe?
7. Impulsleitungen kontrollieren: Gleiche Füllung, keine Gasblasen, keine Blockaden?
8. Temperaturverteilung prüfen: Sind beide Leitungen vergleichbar isoliert beziehungsweise beheizt?
9. Ventilblock prüfen: Alle Ventile in korrekter Betriebsstellung?
10. Transmitter ausgleichen: Beide Seiten definiert auf gleichen Druck bringen.
11. Nullpunkt prüfen: Erst jetzt Sensoroffset beurteilen.
12. Signal und Radizierung prüfen: 4–20-mA-Skalierung beziehungsweise digitale Durchflussberechnung kontrollieren.
13. Dichtekompensation prüfen: Sind Druck und Temperatur korrekt erfasst und parametriert?

Erst wenn diese Punkte ausgeschlossen sind, sollte der Differenzdrucktransmitter selbst kalibriert beziehungsweise als Fehlerursache betrachtet werden.

Praxisbeispiel: konstanter Durchflussfehler trotz korrekt kalibriertem Transmitter

In einem Dampfnetz wird der Massendurchfluss über eine Messblende und einen Differenzdrucktransmitter erfasst.

Nach einer Anlagenrevision zeigt die Messstelle bei vergleichbarer Kesselleistung dauerhaft ungefähr 8 % mehr Durchfluss als vor der Wartung.

Der Differenzdrucktransmitter wird überprüft und mit einem Druckkalibrator beaufschlagt. Die Messabweichung liegt innerhalb der erwarteten Spezifikation.

Schritt 1: Primärelement kontrollieren

Messblende, Einbaurichtung und Druckentnahmestellen sind korrekt.

Schritt 2: Impulsleitungen prüfen

Bei der Kontrolle fällt auf, dass eines der beiden Kondensatgefäße nach der Revision ungefähr 80 mm höher montiert wurde als das andere.

Dadurch besitzen die beiden Kondensatsäulen unterschiedliche wirksame Höhen.

Schritt 3: hydrostatischen Fehler bewerten

Die Höhendifferenz erzeugt einen zusätzlichen statischen Differenzdruck, der vom Transmitter als Bestandteil des eigentlichen Wirkdrucks interpretiert wird.

Da die Durchflussberechnung aus der Quadratwurzel des Differenzdrucks erfolgt, entsteht daraus ein systematischer Durchflussfehler.

Schritt 4: Messstelle korrigieren

Die beiden Kondensatgefäße werden wieder entsprechend der vorgesehenen gemeinsamen Bezugshöhe montiert. Anschließend werden beide Impulsleitungen vollständig befüllt und entlüftet.

Schritt 5: Nullpunkt neu prüfen

Nach thermischer Stabilisierung wird der Transmitter über den Ventilblock ausgeglichen. Der zuvor vorhandene Offset ist praktisch verschwunden.

Im Prozess liegt die Durchflussanzeige anschließend wieder im erwarteten Bereich.

Ergebnis: Nicht der Differenzdrucktransmitter war fehlerhaft. Eine asymmetrische Kondensatsäule hatte einen zusätzlichen hydrostatischen Differenzdruck erzeugt.

Das Beispiel zeigt einen wichtigen Grundsatz:

Bei der Dampfdurchflussmessung ist die geometrische und thermische Symmetrie der Impulsleitungen Bestandteil der Messgenauigkeit.

Passende Primärelemente und Differenzdrucktransmitter für Dampfmessungen

Für eine Wirkdruckmessung bei Dampf müssen Primärelement und Differenzdrucktransmitter gemeinsam auf Rohrleitung, Dampfzustand, Durchflussbereich, Druck und Temperatur ausgelegt werden.

WIKA FLC-FN – Durchflussdüse für Dampfanwendungen

Die WIKA Durchflussdüsen FLC-FN-PIP und FLC-FN-FLN beziehungsweise die Venturidüse FLC-FN-VN sind für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten, Gasen und Wasserdampf vorgesehen.

Durchflussdüsen sind insbesondere für Anwendungen mit hohen Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten interessant und eignen sich deshalb sehr gut für industrielle Dampfmessungen.

Je nach Anwendung stehen verschiedene Bauformen für den Einbau in Rohrleitungen beziehungsweise den Flanschanbau zur Verfügung.

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA FLC-FN Durchflussdüsen bei ICS Schneider.

WIKA FLC-OP / FLC-FL / FLC-AC – klassische Messblenden

Für klassische Wirkdruckmessstellen stehen außerdem die WIKA FLC-OP Messblenden, FLC-FL Messflansche und FLC-AC Ringkammer-Normblenden zur Verfügung.

Die Bauformen eignen sich für die Durchflussmessung von:

• Flüssigkeiten,
• Gasen,
• Wasserdampf.

Messblenden sind insbesondere dann interessant, wenn ein einfaches, etabliertes und normnah auslegbares Primärelement benötigt wird.

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA FLC-OP / FLC-FL / FLC-AC bei ICS Schneider.

WIKA FLC-VT – Venturirohr bei geringem bleibendem Druckverlust

Wenn der bleibende Druckverlust der Messstelle möglichst gering bleiben soll, kann ein Venturirohr der Baureihe FLC-VT interessant sein.

Durch die anschließende Diffusorgeometrie wird ein großer Anteil des Drucks wieder zurückgewonnen.

Venturirohre eignen sich ebenfalls für Flüssigkeiten, Gase und Wasserdampf.

Weitere Informationen finden Sie unter WIKA FLC-VT Venturirohre bei ICS Schneider.

Siemens SITRANS P320 – Differenzdrucktransmitter für Wirkdruckmessungen

Zur Erfassung des vom Primärelement erzeugten Differenzdrucks eignet sich beispielsweise der Siemens SITRANS P320.

Der Prozesstransmitter ist unter anderem für:

• Differenzdruck,
• Wirkdruck,
• Volumendurchfluss,
• Massendurchfluss

einsetzbar.

Je nach Geräteausführung stehen HART-Kommunikation und umfangreiche Diagnosefunktionen zur Verfügung.

Für eine Dampfmessstelle ist neben dem passenden Differenzdruckbereich besonders die zulässige statische Druckbelastung zu berücksichtigen. Der eigentliche Wirkdruck kann beispielsweise nur einige zehn oder hundert Millibar betragen, während auf beiden Messseiten gleichzeitig ein wesentlich höherer Dampfdruck anliegt.

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens SITRANS P320 bei ICS Schneider.

Primärelement und Transmitter immer gemeinsam auslegen

Anforderung	Sinnvolle Lösung
Klassische Dampfdurchflussmessung	Messblende oder Durchflussdüse + Differenzdrucktransmitter
Hohe Dampftemperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten	Durchflussdüse
Möglichst geringer bleibender Druckverlust	Venturirohr beziehungsweise geeignete Venturidüse
Kontinuierliche Prozess- und Trendüberwachung	Differenzdrucktransmitter mit Analog- oder Digitalsignal
Genauer Massendurchfluss bei variablen Dampfbedingungen	Differenzdruckmessung mit geeigneter Druck- und Temperaturkompensation

Eine Übersicht entsprechender Primärelemente finden Sie unter Primäre Durchflusselemente bei ICS Schneider.

Fazit

Bei der Wirkdruckmessung von Dampf entscheidet nicht allein die Genauigkeit des Differenzdrucktransmitters über die Qualität des Messergebnisses.

Die Impulsleitungen bilden zwei hydrostatische Messsäulen. Unterschiedliche Kondensatstände, Höhen, Temperaturen oder Leitungsführungen erzeugen einen zusätzlichen Differenzdruck, der vom Transmitter nicht von einem echten Wirkdruck unterschieden werden kann.

Kondensatgefäße beziehungsweise definierte Kondensatniveaus sollten deshalb auf einer gemeinsamen Bezugshöhe liegen. Hoch- und Niederdruckleitung sollten möglichst symmetrisch hinsichtlich Geometrie, Isolation und Temperatur ausgeführt werden.

Ebenso wichtig sind eine vollständige Kondensatfüllung, das Vermeiden von Gasblasen, ein geeigneter Frostschutz und die richtige Bedienung des Ventilblocks.

Ein Nullpunktabgleich darf erst erfolgen, wenn die Messstelle hydraulisch und thermisch stabil ist. Ein hydrostatischer Installationsfehler sollte niemals einfach elektrisch weggetrimmt werden.

Für eine genaue Massendurchflussmessung müssen zusätzlich die veränderlichen Dampfeigenschaften berücksichtigt werden. Druck- und gegebenenfalls Temperaturkompensation gehören deshalb bei anspruchsvollen Dampfmessungen zur gesamten Messkette.

Für die Fehlersuche gilt somit: Erst Primärelement, Kondensatgefäße und Impulsleitungen prüfen, anschließend Ventilblock und Nullpunkt – und erst danach den Differenzdrucktransmitter selbst als Fehlerursache betrachten.

FAQ: Wirkdruckmessung und Dampfdurchfluss

Warum werden bei Dampfdurchflussmessungen Kondensatgefäße verwendet?

Kondensatgefäße beziehungsweise definierte Kondensatbereiche helfen dabei, reproduzierbare Flüssigkeitssäulen zwischen Dampfprozess und Differenzdrucktransmitter aufzubauen. Dadurch wird der heiße Dampf thermisch vom Messgerät getrennt und der Prozessdruck hydraulisch übertragen.

Müssen beide Kondensatgefäße auf gleicher Höhe montiert werden?

Für eine symmetrische Messstelle sollten die vorgesehenen Bezugshöhen übereinstimmen. Ein Höhenunterschied erzeugt unterschiedliche hydrostatische Flüssigkeitssäulen und damit einen zusätzlichen Differenzdruck.

Wie wirkt sich ein Höhenunterschied der Kondensatgefäße aus?

Der zusätzliche hydrostatische Druck ergibt sich aus Dichte, Erdbeschleunigung und Höhenunterschied. Bereits wenige Zentimeter können bei kleinen Wirkdruckmessbereichen einen relevanten Nullpunktfehler erzeugen.

Wie groß ist der Druck durch 10 cm Wassersäule?

Bei einer Dichte von ungefähr 1.000 kg/m³ entsprechen 100 mm Wassersäule etwa 981 Pa beziehungsweise 9,8 mbar. Die tatsächliche Kondensatdichte hängt von der Temperatur ab.

Warum sollten die Impulsleitungen bei Dampf mit Kondensat gefüllt sein?

Die Kondensatfüllung überträgt den Prozessdruck auf den Differenzdrucktransmitter und verhindert gleichzeitig, dass der heiße Dampf direkt bis zur Messzelle gelangt.

Was passiert, wenn eine Dampfwirkdruckleitung nur teilweise gefüllt ist?

Gas- beziehungsweise Dampfpolster können die Druckübertragung kompressibel machen. Dadurch können verzögerte, instabile oder zwischen Hoch- und Niederdruckseite unterschiedlich schnelle Messreaktionen entstehen.

Wo sollte der Differenzdrucktransmitter bei einer Dampfmessung montiert werden?

Bei klassischen kondensatgefüllten Impulsleitungen wird der Transmitter häufig unterhalb der definierten Kondensathöhe montiert. Die konkrete Position und Leitungsführung muss jedoch entsprechend der Anlagen- und Herstellerplanung ausgeführt werden.

Warum brauchen Impulsleitungen ein Gefälle?

Eine definierte Leitungsneigung verhindert unerwünschte Gas- oder Flüssigkeitstaschen und unterstützt einen reproduzierbaren Füllzustand. Lokale Hoch- und Tiefpunkte können dagegen Störungen der Druckübertragung verursachen.

Warum müssen H- und L-Leitung möglichst gleich aufgebaut sein?

Unterschiedliche Leitungslängen, Höhen, Temperaturen oder Füllstände können unterschiedliche hydrostatische Drücke verursachen. Da der Transmitter nur die resultierende Druckdifferenz erkennt, gehen solche Unterschiede direkt in den Messwert ein.

Kann unterschiedliche Isolation einen Messfehler verursachen?

Ja. Unterschiedliche Temperaturen verändern die Dichte der Kondensatsäulen. Bei kleinen Differenzdruckmessbereichen und längeren Leitungen kann eine asymmetrische thermische Belastung deshalb zu einem messbaren Nullpunktversatz führen.

Warum kann der angezeigte Dampfdurchfluss mit der Außentemperatur schwanken?

Eine mögliche Ursache ist eine unterschiedliche Erwärmung oder Abkühlung der beiden Impulsleitungen. Dadurch verändern sich die Kondensatdichten und somit die hydrostatischen Druckanteile.

Wann ist eine Begleitheizung notwendig?

Eine Begleitheizung kann erforderlich sein, wenn Kondensat in Außenanlagen einfrieren könnte. Sie sollte so ausgelegt werden, dass beide Seiten vergleichbare thermische Bedingungen erhalten und die zulässigen Gerätetemperaturen eingehalten werden.

Wozu dient der Ausgleich am 3-Ventilblock?

Mit dem Ausgleichsventil werden Hoch- und Niederdruckseite des Differenzdrucktransmitters miteinander verbunden. Dadurch kann unter definierten Bedingungen geprüft werden, ob der Transmitter bei gleichem Druck auf beiden Seiten einen Differenzdruck nahe null anzeigt.

Kann man unterschiedliche Kondensatsäulen durch einen Nullabgleich kompensieren?

Das sollte vermieden werden. Ändern sich Temperatur oder Füllstand später, verändert sich auch der hydrostatische Fehler. Zuerst muss die mechanische beziehungsweise hydraulische Ursache beseitigt werden.

Warum ist der Messfehler bei niedrigem Dampfdurchfluss besonders kritisch?

Der Durchfluss wird aus der Quadratwurzel des Differenzdrucks bestimmt. Ein konstanter Differenzdruckoffset besitzt deshalb relativ betrachtet bei kleinen Wirkdruckwerten einen besonders großen Einfluss.

Warum muss die Dampfdichte kompensiert werden?

Die Dichte von Dampf hängt von den Prozessbedingungen ab. Ändern sich Druck oder Temperatur gegenüber den Auslegungsbedingungen, verändert sich der Zusammenhang zwischen Differenzdruck und Massendurchfluss.

Benötigt man bei Sattdampf eine Temperaturmessung?

Bei trockenem Sattdampf besteht ein definierter Zusammenhang zwischen Sättigungsdruck und Sättigungstemperatur. Je nach Messkonzept kann deshalb eine geeignete Druckmessung für die Dichtebestimmung ausreichen. Die konkrete Auslegung hängt jedoch von der geforderten Messgenauigkeit und dem Dampfzustand ab.

Was ist bei überhitztem Dampf anders?

Bei überhitztem Dampf sind Druck und Temperatur nicht mehr durch die Sättigungslinie eindeutig miteinander gekoppelt. Für eine genaue Dichte- beziehungsweise Massendurchflussberechnung werden deshalb normalerweise beide Größen berücksichtigt.

Welche Primärelemente eignen sich für Dampfdurchfluss?

Typische Primärelemente sind Messblenden, Durchflussdüsen und Venturirohre. Die Auswahl hängt unter anderem von Dampfdruck, Temperatur, Rohrdurchmesser, Strömungsgeschwindigkeit, gewünschter Genauigkeit und zulässigem Druckverlust ab.

Warum eignet sich eine Durchflussdüse besonders für Dampf?

Durchflussdüsen besitzen eine robuste, strömungsgünstige Geometrie und werden häufig bei hohen Temperaturen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt. Dadurch sind sie für anspruchsvolle Dampfanwendungen besonders interessant.

Wann ist ein Venturirohr sinnvoll?

Ein Venturirohr ist besonders interessant, wenn der bleibende Druckverlust der Durchflussmessung reduziert werden soll. Durch den Diffusor wird ein größerer Anteil des statischen Drucks zurückgewonnen.

Was sollte zuerst geprüft werden, wenn eine Dampfdurchflussmessung falsch anzeigt?

Zuerst sollten Prozesszustand, Primärelement, H-/L-Zuordnung, Kondensatgefäße, Impulsleitungen, Füllstände und Ventilstellungen geprüft werden. Danach folgen Nullpunkt, elektrische Skalierung und Dichtekompensation. Erst anschließend sollte der Differenzdrucktransmitter selbst kalibriert oder ausgetauscht werden.