Messblende auslegen: Beta-Verhältnis und bleibenden Druckverlust richtig abwägen

→ Produktkategorie: Durchflussmesstechnik

 

Eine Messblende soll den Durchfluss in einer Rohrleitung erfassen. Dabei stellt sich schnell die Frage: Wie groß muss die Blendenbohrung sein? Eine kleinere Bohrung erzeugt einen größeren Differenzdruck und damit ein kräftigeres Messsignal. Gleichzeitig steigen jedoch Strömungsgeschwindigkeit und bleibender Druckverlust.

Der zentrale Auslegungsparameter ist das Beta-Verhältnis:

β = d / D

Dabei ist:

• d = Bohrungsdurchmesser der Messblende,
• D = Innendurchmesser der Rohrleitung.

Bei einer Rohrleitung mit:

D = 100 mm

und einer Blendenbohrung von:

d = 60 mm

ergibt sich:

β = 60 / 100 = 0,60

Dieses Verhältnis beeinflusst unmittelbar den erzeugten Differenzdruck, die Strömungsverhältnisse, die erforderliche Messspanne des Differenzdrucktransmitters und den Energieverlust der Messstelle.

Eine Messblende sollte deshalb nicht auf einen möglichst hohen Differenzdruck ausgelegt werden. Gesucht wird vielmehr ein sinnvoller Kompromiss aus ausreichendem Messsignal, zulässigem Druckverlust, geeignetem Beta-Verhältnis, Reynolds-Zahl und den tatsächlich verfügbaren Ein- und Auslaufstrecken.

ICS Schneider bietet hierfür unter anderem die WIKA FLC-OP Messblende sowie FLC-FL Messflansch und FLC-AC Ringkammer-Normblende an. Zur Erfassung des erzeugten Differenzdrucks kann beispielsweise der Siemens SITRANS P320 als Differenzdrucktransmitter eingesetzt werden. Weitere Lösungen finden Sie unter Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider.

Wie eine Messblende den Durchfluss bestimmt

Eine Messblende ist ein sogenanntes primäres Durchflusselement.

Sie besitzt eine definierte Öffnung, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Rohrleitung ist.

Beim Durchströmen der Blende wird der freie Strömungsquerschnitt reduziert.

Dadurch steigt die Strömungsgeschwindigkeit

und der statische Druck fällt ab.

Vor und hinter beziehungsweise im Bereich der Messblende werden zwei Drücke abgegriffen:

p1

und:

p2

Daraus ergibt sich der Differenzdruck:

Δp = p1 − p2

Dieser Differenzdruck enthält die Durchflussinformation

Vereinfacht gilt:

Q ∝ √Δp

Der Durchfluss ist also nicht linear zum Differenzdruck, sondern proportional zu dessen Quadratwurzel.

Was bedeutet das Beta-Verhältnis?

Das Beta-Verhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen Blendenbohrung und Rohrinnendurchmesser:

β = d / D

Dabei gilt:

• d = Durchmesser der Blendenbohrung,
• D = Rohrinnendurchmesser.

Beispiel

Rohrinnendurchmesser:

D = 100 mm

Blendenbohrung:

d = 50 mm

Dann:

β = 0,50

Kleines β bedeutet

• starke Einschnürung,
• hohe Geschwindigkeit in der Blendenöffnung,
• großen Differenzdruck,
• tendenziell höheren bleibenden Druckverlust.

Großes β bedeutet

• geringere Einschnürung,
• kleineren Differenzdruck,
• geringeren bleibenden Druckverlust,
• höhere Anforderungen an eine empfindliche Differenzdruckmessung.

Es gibt deshalb kein grundsätzlich „bestes“ Beta-Verhältnis.

Warum β nicht dem Flächenverhältnis entspricht

Ein häufiger Denkfehler besteht darin, das Beta-Verhältnis direkt als Verhältnis der freien Querschnittsflächen zu interpretieren.

Da die Rohr- und Blendenflächen kreisförmig sind, gilt:

A = π × d² / 4

Damit beträgt das Verhältnis der Flächen:

ABlende / ARohr = β²

Bei β = 0,50

beträgt die freie Blendenfläche deshalb nicht 50 % der Rohrfläche, sondern:

0,50² = 0,25

also:

25 %

Bei β = 0,70

beträgt das Flächenverhältnis:

0,70² = 0,49

also ungefähr:

49 %

Diese quadratische Beziehung erklärt, warum bereits relativ kleine Änderungen des Bohrungsdurchmessers den Differenzdruck stark verändern können.

Wie Differenzdruck und Durchfluss zusammenhängen

Bei einer Blendenmessung gilt grundsätzlich:

Q ∝ √Δp

Verdoppelt sich der Durchfluss

steigt der Differenzdruck idealisiert auf ungefähr:

2² = 4

also das Vierfache.

Halbiert sich der Durchfluss

fällt der Differenzdruck auf:

0,5² = 0,25

also ein Viertel des ursprünglichen Wertes.

Das ist für die Auswahl des Differenzdrucktransmitters besonders wichtig.

Beispiel

Bei maximalem Durchfluss entstehen:

100 mbar Δp

Bei 50 % Durchfluss entstehen idealisiert nur noch:

25 mbar Δp

Bei 20 % Durchfluss:

4 mbar Δp

Je kleiner der Durchfluss wird, desto kleiner wird das verfügbare Differenzdrucksignal überproportional.

Grundgleichung der Blendenmessung

Für inkompressible Medien lässt sich der Volumenstrom vereinfacht beschreiben durch:

Q = C × ε × A0 / √(1 − β⁴) × √(2 × Δp / ρ)

Dabei ist:

• Q = Volumenstrom,
• C = Durchflusskoeffizient,
• ε = Expansionsfaktor, bei Flüssigkeiten näherungsweise 1,
• A0 = Fläche der Blendenbohrung,
• β = Beta-Verhältnis,
• Δp = gemessener Differenzdruck,
• ρ = Dichte des Mediums.

Der Durchflusskoeffizient wird nicht beliebig angenommen, sondern hängt unter anderem von:

• Beta-Verhältnis,
• Reynolds-Zahl,
• Druckentnahme,
• Geometrie des Wirkdruckgebers

ab.

Bei einer normgerechten Auslegung

werden die entsprechenden Zusammenhänge nach beispielsweise:

ISO 5167-2

verwendet.

Eine Messblende sollte deshalb nicht allein anhand einer vereinfachten Bernoulli-Gleichung dimensioniert werden, wenn eine definierte Messgenauigkeit gefordert ist.

Wie das Beta-Verhältnis den Differenzdruck beeinflusst

Aus der Durchflussgleichung wird deutlich, dass bei gleichem:

• Rohrdurchmesser,
• Medium,
• Durchfluss

eine kleinere Blendenbohrung einen deutlich größeren Differenzdruck erzeugt.

Vereinfacht gilt

bei ansonsten unveränderten Bedingungen:

Δp ∝ (1 − β⁴) / β⁴

Der Zusammenhang ist also stark nichtlinear.

Deshalb ist die Änderung von

β = 0,70

auf:

β = 0,50

keine kleine Änderung der Messstelle.

Der entstehende Differenzdruck kann sich dabei um ein Mehrfaches erhöhen.

Differenzdruck und bleibenden Druckverlust unterscheiden

Der an der Messblende gemessene Differenzdruck ist nicht identisch mit dem dauerhaft verlorenen Druck.

Direkt hinter der Blende

fällt der statische Druck stark ab.

Weiter stromabwärts erweitert sich die Strömung wieder und ein Teil des Druckes wird zurückgewonnen.

Der Differenzdruck Δp

ist die für die Durchflussmessung verwendete Druckdifferenz zwischen den definierten Druckentnahmen.

Der bleibende Druckverlust

ist dagegen die Differenz zwischen:

statischem Druck weit vor der Messstelle

und:

nach der Strömungserholung verbleibendem Druck stromabwärts

.

Nur der nicht zurückgewonnene Anteil muss dauerhaft von einer Pumpe, einem Kompressor oder einer anderen Druckquelle zusätzlich bereitgestellt werden.

Warum der bleibende Druckverlust Energiekosten verursacht

Eine Messblende entzieht der Strömung dauerhaft mechanische Energie.

Diese Energie muss bei einem kontinuierlich betriebenen System von der Fördermaschine wieder bereitgestellt werden.

Für eine Flüssigkeit kann die zusätzliche hydraulische Leistung näherungsweise beschrieben werden als

P = Δpverlust × Q

Für die tatsächlich benötigte elektrische Antriebsleistung muss zusätzlich der Wirkungsgrad der Pumpe beziehungsweise des Gesamtsystems berücksichtigt werden.

Beispiel

Bleibender Druckverlust:

30 kPa

Volumenstrom:

100 m³/h = 0,0278 m³/s

Hydraulische Verlustleistung:

P ≈ 30.000 Pa × 0,0278 m³/s

P ≈ 834 W

Bei kontinuierlichem Anlagenbetrieb kann daraus über die Betriebszeit ein relevanter Energieverbrauch entstehen.

Deshalb gilt

Ein besonders hoher Differenzdruck verbessert nicht automatisch die Gesamtqualität der Messstelle.

Er kann gleichzeitig die Betriebskosten erhöhen.

Differenzdruck-Messspanne sinnvoll festlegen

Nach der hydraulischen Auslegung der Messblende muss der Differenzdrucktransmitter zur tatsächlich erzeugten Druckspanne passen.

Eine typische Auslegung könnte beispielsweise ergeben:

Qmax = 100 m³/h

bei:

Δpmax = 100 mbar

Dann muss der Transmitter diesen Bereich zuverlässig abdecken

Ein unnötig großer Bereich wie:

0 … 1.000 mbar

kann dazu führen, dass nur ein kleiner Teil der verfügbaren Messspanne genutzt wird.

Ein geeigneter:

0 … 100 mbar

beziehungsweise entsprechend konfigurierbarer Differenzdrucktransmitter nutzt das Signal deutlich besser.

Gleichzeitig muss der statische Prozessdruck berücksichtigt werden

Ein Differenzdrucktransmitter kann beispielsweise nur:

100 mbar Differenzdruck

messen, während auf beiden Seiten gleichzeitig:

50 bar Prozessdruck

anliegen.

Differenzdruckbereich und zulässiger statischer Betriebsdruck sind deshalb zwei unterschiedliche Kenngrößen.

Warum kleine Durchflüsse schwierig werden

Da:

Δp ∝ Q²

nimmt das Messsignal bei kleinen Durchflüssen sehr schnell ab.

Beispiel

Wenn bei 100 % Durchfluss:

100 mbar

entstehen, ergibt sich idealisiert:

Durchfluss	Differenzdruck
100 %	100 mbar
75 %	56,25 mbar
50 %	25 mbar
25 %	6,25 mbar
10 %	1 mbar

Bei 10 % Durchfluss

muss der Transmitter also nur noch:

1 % des maximalen Differenzdruckes

auflösen.

Deshalb können große Durchflussmessspannen mit einer klassischen Messblende anspruchsvoll werden.

Reynolds-Zahl berücksichtigen

Die Reynolds-Zahl beschreibt das Verhältnis zwischen Trägheits- und Zähigkeitskräften in der Strömung.

Sie lässt sich vereinfacht ausdrücken als:

Re = ρ × v × D / μ

beziehungsweise:

Re = v × D / ν

Dabei ist:

• ρ = Dichte,
• v = mittlere Strömungsgeschwindigkeit,
• D = Rohrinnendurchmesser,
• μ = dynamische Viskosität,
• ν = kinematische Viskosität.

Warum ist Re wichtig?

Der Durchflusskoeffizient der Messblende hängt innerhalb bestimmter Bereiche von der Reynolds-Zahl ab.

Eine Blende, die bei:

20 °C Wasser

gut funktioniert, kann bei einem hochviskosen Öl unter ansonsten ähnlichen geometrischen Bedingungen in einem ganz anderen Strömungsbereich arbeiten.

Deshalb gehören Dichte und Viskosität bei Betriebstemperatur zur Auslegung.

Dichte, Viskosität und Mediumsdaten richtig angeben

Für eine belastbare Blendenberechnung reicht die Angabe:

Medium = Wasser

oder:

Medium = Luft

nicht immer aus.

Benötigt werden je nach Anwendung unter anderem

• Medium beziehungsweise Zusammensetzung,
• minimaler, normaler und maximaler Durchfluss,
• Betriebsdruck,
• Betriebstemperatur,
• Dichte,
• Viskosität,
• Rohrwerkstoff,
• Rohrinnendurchmesser.

Bei Gasen

sind Druck und Temperatur besonders wichtig, weil sich daraus die Betriebsdichte ergibt.

Die Angabe:

1.000 Nm³/h

ist nicht identisch mit:

1.000 m³/h bei Betriebsbedingungen

.

Besonderheiten bei Gas und Dampf

Bei Flüssigkeiten kann die Dichte bei moderaten Druckänderungen häufig näherungsweise als konstant betrachtet werden.

Gase und Dampf sind dagegen kompressibel.

Bei der Blendenmessung wird deshalb ein Expansionsfaktor berücksichtigt

In der Durchflussgleichung erscheint:

ε

als Korrektur für die Expansion des Mediums beim Druckabfall.

Bei Gasen müssen deshalb zusätzlich berücksichtigt werden

• Absolutdruck,
• Temperatur,
• Gaszusammensetzung,
• Isentropenexponent beziehungsweise entsprechende Stoffdaten,
• Kompressibilität.

Bei Dampf

muss zusätzlich eindeutig festgelegt werden, ob:

• Sattdampf,
• überhitzter Dampf

vorliegt.

Für eine genaue Massenstrommessung können Druck- und Temperaturkompensation erforderlich sein.

Kavitation und Verdampfung bei Flüssigkeiten vermeiden

Eine starke Einschnürung erzeugt lokal sehr niedrige statische Drücke.

Sinkt der lokale Druck einer Flüssigkeit unter ihren Dampfdruck, können Dampfblasen entstehen.

Steigt der Druck anschließend wieder an

können diese Blasen kollabieren.

Dieser Vorgang wird als:

Kavitation

bezeichnet.

Mögliche Folgen sind

• Geräusch,
• Vibration,
• Erosion,
• instabile Messwerte,
• Beschädigung von Rohrleitung oder Blende.

Bei heißen Flüssigkeiten nahe dem Siedepunkt muss der verfügbare Prozessdruck deshalb besonders sorgfältig berücksichtigt werden.

Druckentnahmen richtig auswählen

Die gemessene Druckdifferenz hängt auch davon ab, an welchen Positionen der statische Druck abgegriffen wird.

Bei normierten Messblenden werden beispielsweise verwendet

• Eckentnahmen,
• Flanschentnahmen,
• andere in der jeweiligen Norm definierte Druckentnahmen.

Die verwendete Berechnung muss zur tatsächlichen Druckentnahme passen.

Eine berechnete Blende und eine davon abweichende Druckentnahme

bilden keine identische Messstelle.

Deshalb müssen Wirkdruckgeber, Druckentnahmen und Berechnungsparameter gemeinsam spezifiziert werden.

Impulsleitungen richtig ausführen

Zwischen den Druckentnahmen und dem Differenzdrucktransmitter liegen häufig Impulsleitungen.

Auch sie sind Teil der Messkette.

Fehler entstehen beispielsweise durch

• Gasblasen in Flüssigkeitsleitungen,
• Kondensat in Gasleitungen,
• unterschiedliche Flüssigkeitssäulen,
• verstopfte Impulsleitungen,
• Leckagen,
• Temperaturunterschiede.

Bei Flüssigkeiten

sollten beide Impulsleitungen möglichst vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein.

Bei Gasen

sollte unerwünschtes Kondensat vermieden beziehungsweise gezielt abgeführt werden.

Bei Dampf

werden typischerweise definierte Kondensatsäulen auf beiden Seiten aufgebaut.

Unsymmetrische Impulsleitungen können einen Nullpunktfehler erzeugen, obwohl Messblende und Transmitter technisch einwandfrei sind.

Ein- und Auslaufstrecken beachten

Die Berechnungsmodelle einer Normblende setzen definierte Strömungsbedingungen voraus.

Unmittelbar vor der Messblende sollten deshalb keine unberücksichtigten starken Strömungsstörungen auftreten.

Typische Störer sind

• Rohrbögen,
• T-Stücke,
• Reduzierungen,
• teilweise geschlossene Armaturen,
• Pumpen,
• Drall.

Die erforderlichen geraden Strecken

hängen unter anderem ab von:

• Beta-Verhältnis,
• Art des vorgeschalteten Formstücks,
• Anordnung mehrerer Bögen,
• verwendetem Wirkdruckgeber.

Deshalb sollte keine pauschale Aussage wie:

10 D davor und 5 D danach reichen immer

verwendet werden.

Die tatsächlich erforderlichen Strecken müssen für die konkrete Geometrie nach der anzuwendenden Norm beziehungsweise Herstellerberechnung geprüft werden.

Blendenkante und Bohrung sind messtechnisch relevant

Eine Messblende ist kein beliebiges Blech mit einer gebohrten Öffnung.

Bei einer normgerechten Rechteckkantenblende sind unter anderem:

• Bohrungsdurchmesser,
• Kantengeometrie,
• Plattendicke,
• Oberflächenzustand,
• Zentrierung

definiert beziehungsweise begrenzt.

Eine beschädigte Eintrittskante

kann den Durchflusskoeffizienten verändern.

Probleme entstehen beispielsweise durch:

• Erosion,
• Korrosion,
• Ablagerungen,
• mechanische Beschädigung.

Bei längeren Betriebszeiten sollte deshalb auch der Zustand des primären Messelements berücksichtigt werden.

Einbaurichtung und Zentrierung

Die Blendenöffnung muss zur Rohrachse korrekt zentriert sein.

Eine exzentrisch montierte normale Rechteckkantenblende

verändert die vorgesehenen Strömungsverhältnisse und kann die Messung beeinflussen.

Dies ist zu unterscheiden von einer konstruktiv vorgesehenen:

Exzenterblende

die speziell für bestimmte Anwendungen ausgelegt wird.

Auch die Einbaurichtung ist relevant

Bei einer klassischen Rechteckkantenblende muss die definierte scharfe Eintrittskante zur vorgesehenen Strömungsrichtung ausgerichtet sein.

Eine umgekehrt eingebaute Blende kann deshalb einen systematischen Messfehler verursachen.

Differenzdrucktransmitter passend auswählen

Die Messblende erzeugt zunächst nur den Differenzdruck.

Dieser muss anschließend zuverlässig erfasst werden.

Der Siemens SITRANS P320 ist unter anderem für Differenzdruck- und Durchflussmessungen ausgelegt.

ICS nennt für den SITRANS P320 unter anderem

• Messung von Differenzdruck und Durchfluss,
• Genauigkeit bis 0,065 %,
• HART-Kommunikation,
• Diagnosefunktionen nach NAMUR NE107,
• unterschiedliche Differenzdruck-Messspannen,
• Ausführungen für hohe statische Prozessdrücke.

Für die Auswahl müssen zwei Druckwerte getrennt betrachtet werden

zu messender Differenzdruck

und:

statischer Leitungsdruck

.

Ein kleiner Δp-Bereich bei hohem Rohrleitungsdruck ist eine typische Anforderung bei Durchflussmessungen über Wirkdruck.

Warum das Ausgangssignal radiziert werden muss

Der Differenzdruck verhält sich quadratisch zum Durchfluss:

Δp ∝ Q²

Umgekehrt gilt:

Q ∝ √Δp

Würde ein Transmitter Δp einfach linear als Durchfluss interpretieren

wäre die Anzeige falsch.

Deshalb muss die Quadratwurzelfunktion entweder:

• im Differenzdrucktransmitter,
• in der SPS,
• im Leitsystem

realisiert werden.

Beispiel

50 % Differenzdruck entsprechen nicht:

50 % Durchfluss

sondern:

√0,5 ≈ 0,707

also ungefähr:

70,7 % Durchfluss

.

Bei der Inbetriebnahme muss deshalb eindeutig dokumentiert sein, an welcher Stelle die Radizierung erfolgt.

Praxisbeispiel: Einfluss verschiedener Beta-Verhältnisse

Eine Wasserleitung besitzt vereinfacht:

D = 100 mm

und soll ungefähr:

30 m³/h

fördern.

Für eine überschlägige Betrachtung werden unterschiedliche Beta-Verhältnisse verglichen.

β	Bohrung bei D = 100 mm	Tendenz Δp	Tendenz bleibender Druckverlust
0,40	40 mm	sehr hoch	sehr hoch
0,50	50 mm	hoch	hoch
0,60	60 mm	mittel	mittel
0,65	65 mm	niedriger	niedriger
0,70	70 mm	vergleichsweise niedrig	vergleichsweise niedrig

Das zeigt den grundsätzlichen Zielkonflikt

Mit:

β ↓

wird das Differenzdrucksignal größer.

Gleichzeitig steigen jedoch Strömungsbeanspruchung und bleibender Druckverlust.

Mit:

β ↑

sinkt der Energieverlust.

Der Differenzdrucktransmitter muss dann jedoch kleinere Druckunterschiede zuverlässig auflösen.

Die optimale Blende ergibt sich deshalb aus der gesamten Messstelle und nicht aus einer isolierten Auswahl des Bohrungsdurchmessers.

Wann Venturi, Düse oder andere Wirkdruckgeber besser sind

Messblenden sind weit verbreitet, robust und vergleichsweise einfach aufgebaut.

Ihr wesentlicher Nachteil ist jedoch der relativ hohe bleibende Druckverlust.

Wenn Energieeffizienz besonders wichtig ist

können andere primäre Durchflusselemente sinnvoll sein.

Dazu gehören beispielsweise:

• Venturirohre,
• Durchflussdüsen,
• Staudrucksonden,
• Konus-Durchflussmesser.

Venturirohre

besitzen durch ihre strömungsgünstige Erweiterung eine deutlich bessere Druckrückgewinnung als eine klassische Messblende.

Mehrlochblenden

können interessant sein, wenn nur begrenzte gerade Ein- und Auslaufstrecken verfügbar sind.

ICS führt beispielsweise die WIKA FLC-MP Mehrloch-Steckblende.

Bei hochviskosen oder feststoffhaltigen Medien

kann wiederum ein anderes Wirkdruckprinzip wie ein Keil-Durchflussmesser geeigneter sein.

Die Messblende ist deshalb nicht automatisch das optimale Differenzdruckelement für jede Anwendung.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Differenzdruck deutlich höher als berechnet	Blendenbohrung zu klein, Ablagerung oder falsche Mediumsdaten	Bohrung, Durchfluss, Dichte und Verschmutzung prüfen
Differenzdruck deutlich niedriger als berechnet	Blendenbohrung zu groß, Bypass oder fehlerhafte Druckentnahme	Geometrie und Impulsleitungen prüfen
Messwert stimmt nur bei hohem Durchfluss	Δp bei kleinem Durchfluss zu gering	Transmitterbereich und Turndown prüfen
Durchflussanzeige ist bei 50 % Δp ebenfalls 50 %	Radizierung fehlt	Transmitter- oder SPS-Konfiguration prüfen
Messwert ändert sich nach Rohrleitungsumbau	Strömungsprofil verändert	Ein- und Auslaufstrecken prüfen
Messung schwankt nach einem Rohrbogen	Drall oder asymmetrisches Strömungsprofil	Einlaufstrecke und Strömungsgleichrichter bewerten
Nullpunkt des Transmitters verschiebt sich	unterschiedliche Flüssigkeitssäulen in Impulsleitungen	Impulsleitungen und Montagehöhe prüfen
Messwert reagiert sehr langsam	Impulsleitung teilweise verstopft	beide Wirkdruckleitungen kontrollieren
Druckverlust der Anlage ist höher als erwartet	β zu klein beziehungsweise Messblende energetisch ungünstig	bleibenden Druckverlust berechnen und Alternative prüfen
Blende zeigt nach längerer Betriebszeit andere Werte	Erosion oder Ablagerungen an der Blendenkante	primäres Messelement inspizieren
Messwert ändert sich nach Blendenwechsel stark	Bohrung, Kante oder Einbaurichtung abweichend	Blendenkennzeichnung und Geometrie prüfen
Flüssigkeitsmessung erzeugt Geräusche und Vibration	Kavitation möglich	Minimaldruck und Dampfdruck des Mediums prüfen

Messblende systematisch auslegen

1. Medium vollständig definieren: Flüssigkeit, Gas oder Dampf sowie Zusammensetzung angeben.
2. Durchflussbereich bestimmen: Minimal-, Normal- und Maximaldurchfluss festlegen.
3. Bezugsbedingungen prüfen: Betriebsvolumen und Normvolumen bei Gasen eindeutig unterscheiden.
4. Betriebsdruck bestimmen: Minimal-, Normal- und Maximaldruck angeben.
5. Betriebstemperatur bestimmen: Temperaturbereich der Messstelle festlegen.
6. Stoffdaten bestimmen: Dichte und Viskosität unter Betriebsbedingungen berücksichtigen.
7. Rohrdaten erfassen: Nennweite, tatsächlichen Innendurchmesser, Werkstoff und Rohrzustand bestimmen.
8. Reynolds-Zahl bewerten: Prüfen, ob die gewählte Blendenbauart im geeigneten Bereich betrieben wird.
9. Beta-Verhältnis bestimmen: Geeigneten Bohrungsdurchmesser im Rahmen des verwendeten Berechnungsverfahrens auswählen.
10. Differenzdruck festlegen: Ausreichend großes Messsignal erzeugen, ohne unnötigen Druckverlust zu verursachen.
11. Bleibenden Druckverlust prüfen: Energiebedarf und verfügbaren Prozessdruck berücksichtigen.
12. Bei Flüssigkeiten Kavitation prüfen: Lokalen Minimaldruck mit dem Dampfdruck vergleichen.
13. Druckentnahme auswählen: Zur verwendeten Norm und Berechnung passende Entnahmeart festlegen.
14. Einlaufbedingungen prüfen: Bögen, Ventile, Reduzierungen und andere Störer berücksichtigen.
15. Gerade Rohrstrecken festlegen: Erforderliche Ein- und Auslaufstrecken nach Norm beziehungsweise Herstellerberechnung bestimmen.
16. Messblendenwerkstoff auswählen: Druck, Temperatur, Korrosion und Erosion berücksichtigen.
17. Differenzdrucktransmitter auswählen: Δp-Messspanne und statischen Prozessdruck getrennt betrachten.
18. Impulsleitungen planen: Montage entsprechend Medium und Aggregatzustand ausführen.
19. Radizierung festlegen: Definieren, ob Transmitter oder Leitsystem die Quadratwurzelbildung übernimmt.
20. Gesamtunsicherheit bewerten: Primärelement, Transmitter, Stoffdaten und Einbaubedingungen gemeinsam betrachten.

Passende Komponenten bei ICS Schneider

WIKA FLC-OP Messblende

Die WIKA FLC-OP ist als primäres Durchflusselement für Flüssigkeiten, Gase und Wasserdampf ausgelegt.

Für klassische Rechteckkantenblenden nennt WIKA unter anderem:

• Auslegung nach ISO 5167-2,
• Nennweiten ab DN 50,
• Beta-Verhältnisse abhängig von der Bauform,
• verschiedene Werkstoffe und Flanschausführungen,
• unterschiedliche Druckentnahmen und Einbauvarianten.

WIKA FLC-FL und FLC-AC

Für Messstellen mit entsprechenden Druckentnahmen stehen außerdem:

• FLC-FL Messflansche,
• FLC-AC Ringkammer-Normblenden

zur Verfügung.

Siemens SITRANS P320

Der SITRANS P320 kann den von der Messblende erzeugten Differenzdruck erfassen und für die Durchflussmessung auswerten.

ICS nennt unter anderem:

• Differenzdruck- und Durchflussmessung,
• Genauigkeit bis 0,065 %,
• HART-Kommunikation,
• NAMUR-NE107-Diagnose,
• verschiedene Differenzdruck-Messbereiche,
• Ausführungen für hohe statische Prozessdrücke.

WIKA FLC-MP Mehrloch-Steckblende

Wenn nur begrenzte gerade Ein- und Auslaufstrecken verfügbar sind, kann die WIKA FLC-MP eine Alternative darstellen.

ICS nennt für diese Ausführung unter anderem:

• vier kreisförmig angeordnete Bohrungen,
• Einsatz bei begrenzten geraden Rohrstrecken,
• Eignung für Flüssigkeiten, Gase und Wasserdampf,
• Wiederholbarkeit von 0,1 % der Durchflussrate.

Weitere Lösungen finden Sie unter Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider.

Fazit

Die Auslegung einer Messblende ist immer ein Kompromiss zwischen einem ausreichend großen Differenzdruck und einem möglichst kleinen bleibenden Druckverlust.

Das Beta-Verhältnis ist der zentrale geometrische Parameter

Es wird definiert als:

β = d / D

und beeinflusst die Stärke der Einschnürung unmittelbar.

Kleine Beta-Verhältnisse erzeugen hohe Differenzdrücke

Dadurch entsteht ein gut messbares Signal, gleichzeitig steigt jedoch der bleibende Druckverlust.

Große Beta-Verhältnisse reduzieren den Druckverlust

Der Differenzdruck wird jedoch kleiner und stellt höhere Anforderungen an Transmitter und Messauswertung.

Differenzdruck und Durchfluss sind nicht linear

Es gilt:

Q ∝ √Δp

Die Quadratwurzelbildung muss deshalb in der Messkette berücksichtigt werden.

Die Reynolds-Zahl gehört zur Auslegung

Dichte, Viskosität, Rohrdurchmesser und Strömungsgeschwindigkeit beeinflussen den gültigen Betriebsbereich und den Durchflusskoeffizienten.

Einbaubedingungen können die Berechnung zunichtemachen

Rohrbögen, Ventile, Drall, falsche Druckentnahmen, beschädigte Blendenkanten oder ungünstige Impulsleitungen können systematische Messfehler verursachen.

Auch der Energieverbrauch gehört zur Messgeräteauswahl

Bei kontinuierlichem Betrieb kann der bleibende Druckverlust über Jahre deutlich höhere Kosten verursachen als das eigentliche Messgerät.

Für die Praxis gilt

Medium und Stoffdaten bestimmen → Betriebsdruck und Temperatur festlegen → Minimal-, Normal- und Maximaldurchfluss definieren → tatsächlichen Rohrinnendurchmesser erfassen → Reynolds-Zahl bewerten → geeignetes Beta-Verhältnis bestimmen → Differenzdruck bei Qmax berechnen → bleibenden Druckverlust und Energiebedarf prüfen → Kavitation beziehungsweise Kompressibilität berücksichtigen → Druckentnahmen und Einbaubedingungen nach Norm festlegen → Differenzdrucktransmitter auf Δp und statischen Druck auslegen → Impulsleitungen korrekt planen → Radizierung definieren → Gesamtmessunsicherheit bewerten → Messstelle unter realen Betriebsbedingungen prüfen.

FAQ: Messblende richtig auslegen

Was ist eine Messblende?

Eine Messblende ist ein primäres Durchflusselement mit einer definierten Querschnittsverengung. Aus dem dabei erzeugten Differenzdruck wird der Durchfluss bestimmt.

Was bedeutet das Beta-Verhältnis einer Messblende?

Das Beta-Verhältnis ist das Verhältnis aus Blendenbohrungsdurchmesser und Rohrinnendurchmesser: β = d / D.

Ist β das Verhältnis der freien Flächen?

Nein. β ist ein Durchmesserverhältnis. Das Flächenverhältnis beträgt bei kreisförmigen Querschnitten β².

Was bedeutet β = 0,5?

Die Blendenbohrung besitzt 50 % des Rohrinnendurchmessers. Ihre freie Fläche beträgt jedoch nur 25 % der Rohrquerschnittsfläche.

Was passiert bei einem kleineren Beta-Verhältnis?

Die Einschnürung wird stärker, der Differenzdruck steigt und typischerweise nimmt auch der bleibende Druckverlust zu.

Was passiert bei einem größeren Beta-Verhältnis?

Die Einschnürung wird geringer. Dadurch sinken Differenzdruck und bleibender Druckverlust.

Welches Beta-Verhältnis ist optimal?

Das lässt sich nicht pauschal festlegen. Es hängt unter anderem von Durchfluss, Rohrdurchmesser, Medium, Reynolds-Zahl, gewünschtem Differenzdruck, Druckverlust und der verwendeten Norm ab.

Wie hängen Durchfluss und Differenzdruck zusammen?

Bei einer Differenzdruck-Durchflussmessung gilt grundsätzlich Q ∝ √Δp.

Verdoppelt sich der Differenzdruck bei doppeltem Durchfluss?

Nein. Bei idealisierter Betrachtung führt eine Verdoppelung des Durchflusses ungefähr zum vierfachen Differenzdruck.

Was bedeutet Radizierung?

Radizierung bezeichnet die Quadratwurzelbildung aus dem Differenzdrucksignal, damit daraus ein zum Durchfluss proportionales Signal entsteht.

Kann der Differenzdrucktransmitter die Radizierung übernehmen?

Bei geeigneten Prozesstransmittern ist dies möglich. Alternativ kann die Quadratwurzelfunktion in SPS oder Leitsystem erfolgen.

Was ist der Unterschied zwischen Differenzdruck und bleibendem Druckverlust?

Der Differenzdruck wird zur Durchflussbestimmung gemessen. Ein Teil des Druckes wird stromabwärts zurückgewonnen. Nur der verbleibende Druckunterschied ist der bleibende Druckverlust.

Warum ist der bleibende Druckverlust wichtig?

Weil Pumpen oder Kompressoren diese verlorene Energie dauerhaft zusätzlich bereitstellen müssen.

Warum verursacht eine kleine Blendenbohrung mehr Energieverlust?

Die stärkere Einschnürung erhöht Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz und irreversible Verluste.

Wie berechnet man das Beta-Verhältnis?

Mit β = d / D, wobei d der Bohrungsdurchmesser und D der Rohrinnendurchmesser ist.

Welcher Rohrdurchmesser wird für β verwendet?

Maßgeblich ist der für die Berechnung definierte tatsächliche Rohrinnendurchmesser und nicht einfach nur die Nennweite DN.

Warum muss die Reynolds-Zahl berücksichtigt werden?

Weil das Strömungsverhalten und der Durchflusskoeffizient der Messblende davon abhängen.

Welche Stoffdaten benötigt man für die Blendenberechnung?

Insbesondere Dichte und Viskosität unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen. Bei Gasen kommen weitere thermodynamische Eigenschaften hinzu.

Kann ich eine Blende nur mit Nennweite und Durchfluss auslegen?

Für eine belastbare Auslegung reicht dies nicht. Druck, Temperatur, Mediumseigenschaften, Rohrinnendurchmesser und Einbaubedingungen werden ebenfalls benötigt.

Was muss bei Gasen zusätzlich berücksichtigt werden?

Unter anderem Kompressibilität, Betriebsdruck, Temperatur und der Expansionsfaktor.

Was muss bei Dampf berücksichtigt werden?

Neben Druck und Temperatur muss unter anderem festgelegt werden, ob Sattdampf oder überhitzter Dampf vorliegt. Für genaue Massenstrommessungen können Druck- und Temperaturkompensation erforderlich sein.

Kann eine Messblende Kavitation verursachen?

Ja. Wenn der lokale statische Druck bei einer Flüssigkeit unter den Dampfdruck fällt, können Dampfblasen und damit Kavitation entstehen.

Was sind Druckentnahmen?

Das sind definierte Stellen vor und hinter beziehungsweise im Bereich der Messblende, an denen die für die Differenzdruckmessung benötigten statischen Drücke abgegriffen werden.

Warum müssen die Druckentnahmen zur Berechnung passen?

Weil der gemessene Differenzdruck von ihrer Position abhängt und die Berechnungskoeffizienten für definierte Entnahmearten gelten.

Warum sind Impulsleitungen wichtig?

Sie übertragen den Druck von den Entnahmestellen zum Differenzdrucktransmitter. Gasblasen, Kondensat, Verstopfungen oder unterschiedliche Flüssigkeitssäulen können Messfehler verursachen.

Warum benötigt eine Messblende gerade Einlaufstrecken?

Damit an der Blende ein ausreichend definiertes Strömungsprofil vorliegt, auf dem die verwendete Berechnung basiert.

Wie lang müssen die Einlaufstrecken sein?

Das hängt unter anderem vom Beta-Verhältnis und den vorgeschalteten Rohrformstücken ab. Die erforderlichen Werte müssen für die konkrete Anlage nach der verwendeten Norm beziehungsweise Herstellerberechnung bestimmt werden.

Reichen immer 10 D vor und 5 D hinter der Blende?

Nein. Solche pauschalen Angaben sind nicht für jede Rohrleitungsgeometrie gültig.

Kann ein Rohrbogen direkt vor der Messblende liegen?

Dies kann das Strömungsprofil stark beeinflussen. Ob die verfügbare Strecke ausreichend ist, muss anhand der konkreten Einbausituation geprüft werden.

Warum ist die scharfe Blendenkante wichtig?

Die definierte Kante beeinflusst die Ablösung der Strömung und damit den Durchflusskoeffizienten. Beschädigung, Erosion oder Ablagerungen können die Messung verändern.

Kann eine Messblende falsch herum eingebaut werden?

Ja. Bei einer klassischen Rechteckkantenblende muss die vorgesehene Eintrittskante zur richtigen Strömungsrichtung zeigen.

Muss die Blende zentriert montiert werden?

Ja. Eine unbeabsichtigte Exzentrizität kann die Strömungsverhältnisse und damit den Messwert beeinflussen.

Was ist eine Exzenterblende?

Eine Exzenterblende ist eine gezielt asymmetrisch ausgeführte Sonderbauform für bestimmte Messstoffe und Anwendungen. Sie ist nicht mit einer versehentlich falsch zentrierten Standardblende gleichzusetzen.

Was ist eine Mehrlochblende?

Eine Mehrlochblende verwendet mehrere Öffnungen statt einer zentralen Bohrung und kann beispielsweise bei begrenzten geraden Rohrstrecken Vorteile bieten.

Wann ist ein Venturirohr besser als eine Messblende?

Wenn ein geringer bleibender Druckverlust besonders wichtig ist, kann ein Venturirohr trotz höherer Anschaffungskosten vorteilhaft sein.

Welcher Transmitter eignet sich für eine Messblende?

Ein geeigneter Differenzdrucktransmitter, dessen Messspanne zum erzeugten Δp und dessen statische Druckfestigkeit zum Prozessdruck passt.

Kann der Siemens SITRANS P320 für Blendenmessungen eingesetzt werden?

Ja. Der SITRANS P320 ist unter anderem für Differenzdruck- und Durchflussmessungen ausgelegt.

Welche Genauigkeit nennt ICS für den SITRANS P320?

ICS nennt eine Genauigkeit von bis zu 0,065 % für den Prozesstransmitter, abhängig von Ausführung und Messaufgabe.

Was ist die WIKA FLC-OP?

Die FLC-OP ist eine Messblende als primäres Durchflusselement für Flüssigkeiten, Gase und Wasserdampf.

Nach welcher Norm kann die WIKA FLC-OP ausgeführt werden?

Für klassische Rechteckkantenblenden nennt WIKA unter anderem ISO 5167-2.

Wo finde ich die WIKA FLC-OP bei ICS Schneider?

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

Wo finde ich den Siemens SITRANS P320?

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

Wo finde ich weitere Durchflussmesstechnik?

Eine Übersicht finden Sie unter Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider.