Clamp-On Durchflussmessung

Quelle: Siemens 2023 | Autor: Daniel Henningsen

Neben den Inline-Durchflussmessgeräten bietet Siemens auch die Clamp-On Ultraschall Durchflussmessung an.
Im Portfolio stehen dabei folgende Messsysteme zur Verfügung:

SITRANS FS230
SITRANS FS220

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip, das Laufzeitdifferenzverfahren, kommt bei Inline und Clamp-On Messgeräten zum Einsatz. Der erhebliche Unterschied ist, dass im Gegensatz zu der Inline-Messung, welche fest im Rohr installiert und in Kontakt mit dem Medium ist, die Clamp-On Messung vollständig außen auf dem Rohr und ohne Medienkontakt installiert wird.

Beim Laufzeitdifferenzverfahren wird die Zeit zwischen zwei Ultraschallsignalen gemessen, welche durch ein flüssiges oder gasförmiges Medium gesendet werden.
Das Ultraschallsignal, welches mit der Strömung gesendet wird, hat eine geringere Laufzeit, als das Signal was gegen die Strömung gesendet wird.

Aus der Laufzeitdifferenz und der Schallgeschwindigkeit wird die Fließgeschwindigkeit ermittelt. Anhand der Wandstärke und dem Rohraußendurchmesser wird der Rohrinnendurchmesser berechnet. Außerdem muss zur Korrektur des ausgebildeten Strömungsprofils die Reynolds-Zahl bestimmt werden. Die Fließgeschwindigkeit, die Rohrinnenfläche und die Reynolds-Strömungsprofilkompensation ergeben dann den volumetrischen Durchfluss.

Montage

Bei der Montage der Sensoren, welche jeweils als Sender und Empfänger arbeiten, stehen zwei verschiedene Arten zur Verfügung:
Direktmontage:

Diagonale Montage der Sensoren auf der jeweils gegenüberliegenden Rohrseite
Beide Signale werden DIREKT von einem Sensor zum anderen gesendet

Reflektmontage:

Montage auf einer Rohrseite
Beide Signale werden an der gegenüberliegenden Rohrinnenwand REFLEKTIERT
Strömungsprofil kann bis zu vier Mal „geschnitten” werden
Die Reflektmontage funktioniert nur an Werkstoffen, die das Ultraschall-Signal reflektieren können

Mehrpfadmessung:

Sowohl die Direkt-, als auch die Reflektmontage kann mit mehr als einem Sensorpaar realisiert werden.
Durch den Einsatz mehrerer Messpfade erhöht sich die Genauigkeit der Messung. Vor allem bei der Messung von Gasen kommt die Mehrpfadmessung zum Einsatz.

Anwendungsbereich

Mit der Clamp-On Messung können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase gemessen werden. Die hier zu nennenden Branchen sind die Wasser- und Abwasserwirtschaft, die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, die Energiewirtschaft, die Öl- und Gasindustrie und die verarbeitende Industrie.
Je nach Applikation werden dabei verschiedene Sensoren eingesetzt. Hierbei sind zwei verschiedene Sensorarten definiert:

Universalsensoren (Scherwellen): Einsetzbar an fast allen Wandmaterialien und Flüssigkeiten, keine Funktionalität bei Gasen!
High-Precision Sensoren (Lambwellen): Speziell für den Einsatz an Stahlrohren, hohe Genauigkeit und geeignet für Gas Messungen

Messung im explosionsgefährdeten Bereich

Besonders in der Chemie-, Öl- und Gasindustrie kann es vorkommen, dass die Sensoren im explosionsgefährdeten Bereich installiert werden müssen.
Dies wird bei einer Kabellänge von über 20 m mit einem externen digitalen Sensorlink1) realisiert. Der externe DSL kann dabei in Zone 0, die Sensoren in Zone 0 und der Transmitter in Zone 2 installiert werden.

Anomaliekompensation

Besonders bei der Clamp-On Messung ist das Strömungsprofil ausschlaggebend für die Funktionalität und die daraus resultierende Genauigkeit der Messung.
Bei einer Störung des Strömungsprofils, z.B. in Folge einer suboptimalen Einbaubedingung, liegt die schnellste Fließgeschwindigkeit im Rohr außerhalb der Rohrmitte und ein Messfehler entsteht. Somit ist das Fließprofil gestört und nicht mehr symmetrisch.
Durch schlechte Einlaufbedingungen, wie Rohrbögen, Raumkrümmer oder Zuläufe wird das Strömungsprofil negativ beeinflusst.

Um diese Anomalien in der Messung zu berücksichtigen, bietet der Siemens SITRANS Transmitter eine patentierte Anomaliekompensation an. Dabei wird die Art der Störung aus einer Tabelle ausgewählt und mit Hilfe eines dynamischen, an das Fließprofil angepassten, Korrekturfaktors berücksichtigt.

Gasmessung

Die Bestimmung der Laufzeitdifferenz ist bei der Gasmessung deutlich komplexer.
Bei der Messung von Medien mit geringer Dichte wird das Signal-Rauschverhältnis negativ beeinflusst.
Durch das Wide Beam® Verfahren wird dem entgegengewirkt. Hierbei wird das Rohrmaterial als Ultraschallakustikverstärker genutzt, um das Signal-Rauschverhältnis zu optimieren.
Des Weiteren tritt, durch die teils sehr hohen Fließgeschwindigkeiten, der sogenannte „Beam-Blowing“-Effekt auf. Dabei werden die beiden Ultraschallsignale „weggeblasen“ und verzerrt. Durch den internen Algorithmus, bekannt als High-Flow Setting, wird dieser Effekt kompensiert und somit können auch Gase mit bis zu 40 m/s gemessen werden.
Durch die geringe Dichte von Gasen machen sich durch die Sensoren erzeugte Rohrgeräusche stärker bemerkbar. Um die Rohrgeräusche zu minimieren, werden Dämpfungsfolien aufgebracht.
Somit ist Nutzsignal eindeutig von den Rohrgeräuschen unterscheidbar.