Ein Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser überwacht seit mehreren Monaten zuverlässig den Volumenstrom einer industriellen Kühlwasserleitung. Für Wartungsarbeiten werden die außen montierten Ultraschallsensoren abgenommen. Nach der Reinigung der Rohrleitung und der erneuten Montage zeigt das Gerät jedoch einen um mehrere Prozent veränderten Durchflusswert an. Die Pumpe arbeitet mit derselben Drehzahl, die Ventilstellungen wurden nicht verändert und auch die Prozesstemperatur ist nahezu identisch geblieben.
Ist die Durchflussmessung jetzt genauer als vorher? War die ursprüngliche Installation fehlerhaft? Oder hat die Demontage und Wiederanbringung der Sensoren die akustischen Messbedingungen verändert?
Diese Fragen sind typisch für die Wiederholmontage von Clamp-on-Ultraschallsensoren. Das Messverfahren ermöglicht eine Durchflussmessung von außen durch die Rohrwand, ohne die Rohrleitung zu öffnen oder das Medium zu berühren. Gerade diese Flexibilität stellt jedoch besondere Anforderungen an die Montage und die Kenntnis der Rohr- und Prozessbedingungen.
Bei einem Clamp-on-System muss das Ultraschallsignal mehrere Grenzflächen durchlaufen. Es wird vom Sensor über das Koppelmittel in die Rohrwand übertragen, gelangt durch die Wand in das Prozessmedium und erreicht nach dem vorgesehenen akustischen Weg den zweiten Ultraschallsensor.
Schon kleine Veränderungen an diesen Übergängen können die Qualität des empfangenen Ultraschallsignals beeinflussen. Dazu gehören eine ungleichmäßige Koppelmittelschicht, eingeschlossene Luft, eine veränderte Sensorposition, eine andere Anpresskraft oder ein nicht exakt wiederhergestellter Sensorabstand.
Zusätzlich beeinflussen die eingegebenen Rohrdaten die Berechnung des akustischen Messwegs und des Durchflusses. Außendurchmesser, Wanddicke, Rohrwerkstoff, Innenauskleidung und Medium müssen korrekt angegeben sein. Auch die Position der Sensoren zum Strömungsprofil ist entscheidend.
Ein besonders häufiger Fehler besteht darin, die angegebene Wiederholbarkeit des Messgeräts mit der Reproduzierbarkeit nach einer vollständigen Neuinstallation gleichzusetzen. Die gerätespezifische Wiederholbarkeit wird unter definierten Prüfbedingungen ermittelt. Das erneute Abnehmen, Reinigen, Positionieren und Ankoppeln der Sensoren führt dagegen zusätzliche Einflussgrößen ein.
Dieser Fachbeitrag erklärt, wie Clamp-on-Ultraschallsensoren nach einer Demontage reproduzierbar neu montiert werden. Im Mittelpunkt stehen das Messprinzip, die Vorbereitung der Kontaktflächen, die richtige Anwendung des Koppelmittels, die Berechnung und Einstellung des Sensorabstands sowie die systematische Bewertung der Signalqualität.
Ein ausführliches Rechenbeispiel zeigt außerdem, welche Auswirkungen eine falsch eingegebene Rohrwanddicke auf den berechneten Volumenstrom haben kann. Ergänzend werden Strömungsprofil, Mediumseinflüsse, Diagnosefunktionen, Wiederholbarkeitsprüfungen und passende Ultraschall-Durchflussmesssysteme aus dem ICS-Sortiment behandelt.
Inhaltsverzeichnis
- Messaufgabe und typische Probleme nach der Wiederholmontage
- Funktionsprinzip der Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmessung
- Akustischer Signalweg durch Sensor, Rohrwand und Medium
- Einflussgrößen bei der erneuten Sensormontage vergleichen
- Messstelle, Rohrgeometrie und Einbaubedingungen auswählen
- Koppelmittel auswählen, auftragen und erneuern
- Sensorabstand und Montagekonfiguration richtig festlegen
- Praxisbeispiel: Rohrwanddicke, Durchflussabweichung und Wiederholbarkeit berechnen
- Gerätewiederholbarkeit und Wiederholmontage unterscheiden
- Rohroberfläche vorbereiten und Beschichtungen berücksichtigen
- Direkt-, Reflexions- und Mehrpfadmontage richtig auswählen
- Medium, Schallgeschwindigkeit und Temperatur berücksichtigen
- Strömungsprofil, Einlaufstrecke und Einbaulage bewerten
- Sensorbefestigung, Ausrichtung und Anpresskraft
- Signalqualität und Diagnosewerte systematisch auswerten
- Nullpunkt, Strömungsrichtung und Parametrierung prüfen
- Messwerte vor und nach der Neuinstallation vergleichen
- Messunsicherheit und Montageeinfluss richtig bewerten
- Prozesssicherheit, elektrische Installation und Normen
- Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
- Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
- Passende ICS-Produkte für Clamp-on-Durchflussmessungen
- Fazit: Wiederholbare Messwerte beginnen bei der Montage
- Häufig gestellte Fragen zur Clamp-on-Wiederholmontage
1. Messaufgabe und typische Probleme nach der Wiederholmontage
Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser werden außen an einer bestehenden Rohrleitung installiert. Ihre wesentliche Stärke besteht darin, dass für die Montage kein Eingriff in die Rohrleitung erforderlich ist.
Diese Eigenschaft macht das Verfahren für kontinuierliche Prozessüberwachung, mobile Prüfungen, Energieanlagen und bestehende Versorgungsleitungen besonders interessant.
Bei einer stationären Installation bleiben die Sensoren idealerweise über einen längeren Zeitraum in derselben Position. Werden sie für Wartungsarbeiten oder eine temporäre Messung entfernt, müssen anschließend die ursprünglichen akustischen Bedingungen möglichst genau wiederhergestellt werden.
1.1 Typische Ursachen einer Demontage
Eine Demontage kann beispielsweise erforderlich sein bei:
- Wartung oder Austausch der Ultraschallsensoren.
- Prüfung des Rohrzustands oder der Oberflächenbeschichtung.
- Temporären Vergleichsmessungen an anderen Rohrleitungen.
- Änderung der Rohrisolierung.
- Umbau oder Austausch von Halteschienen und Montagebändern.
- Prüfung einer auffälligen Signalqualität.
- Kontrolle eines vorhandenen Durchflussmessers.
- Erneuerung eines gealterten oder beschädigten Koppelmittels.
1.2 Auffällige Veränderungen nach der Montage
Nach einer Wiederholmontage können unterschiedliche Symptome auftreten.
Das Gerät zeigt beispielsweise einen höheren oder niedrigeren Volumenstrom, das Ultraschallsignal ist schwächer oder die gemessene Schallgeschwindigkeit unterscheidet sich von der vorherigen Messung.
In anderen Fällen erscheint der Durchfluss zunächst plausibel, schwankt jedoch deutlich stärker als zuvor.
Auch vollständige Signalunterbrechungen sind möglich, wenn einer der Sensoren nicht ausreichend angekoppelt oder der vorgesehene akustische Messweg nicht korrekt hergestellt wurde.
1.3 Welche Aussage ist erforderlich?
Vor der Neuinstallation muss geklärt werden, ob lediglich eine plausible Betriebsanzeige benötigt wird oder ob die Messung quantitativ mit den vorherigen Ergebnissen vergleichbar sein muss.
Für einen Trendvergleich können andere Anforderungen gelten als für eine Abnahmemessung oder eine dokumentierte Prüfstandsuntersuchung.
Besonders hohe Anforderungen entstehen, wenn aus kleinen Durchflussabweichungen Entscheidungen über Pumpenleistung, Energieverbrauch oder Prozessqualität abgeleitet werden.
2. Funktionsprinzip der Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmessung
Viele industrielle Clamp-on-Durchflussmesser arbeiten nach dem Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren.
Hierbei werden Ultraschallsignale zwischen zwei Sensoren übertragen. Die Signale durchlaufen das strömende Medium mit und gegen die Strömungsrichtung.
2.1 Laufzeit mit der Strömung
Ein Ultraschallsignal, das eine Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung besitzt, benötigt unter ansonsten gleichen Bedingungen eine kürzere Laufzeit.
2.2 Laufzeit gegen die Strömung
Ein Ultraschallsignal, das gegen die Strömungsrichtung übertragen wird, benötigt entsprechend mehr Zeit.
Aus dieser Laufzeitdifferenz wird die Strömungsgeschwindigkeit entlang des akustischen Messwegs bestimmt.
2.3 Vereinfachte physikalische Beziehung
Für ein idealisiertes, homogenes Medium und einen geradlinigen Schallweg der Länge L kann geschrieben werden:
tmit = L / (c + v · cos α)
tgegen = L / (c – v · cos α)
Dabei bezeichnet:
- L die betrachtete akustische Weglänge.
- c die Schallgeschwindigkeit des ruhenden Mediums.
- v die relevante Strömungsgeschwindigkeit.
- α den Winkel zwischen Schallweg und Strömungsrichtung.
Die Laufzeitdifferenz ergibt sich aus:
Δt = tgegen – tmit
Die tatsächliche Berechnung in einem Clamp-on-Durchflussmesser berücksichtigt darüber hinaus die Rohrwand, die Schallwege, die verwendeten Sensoren und weitere Korrekturen.
Die vereinfachten Formeln beschreiben deshalb nicht unmittelbar die vollständige Messwertberechnung eines realen Siemens- oder WIKA-Systems.
2.4 Vom Messpfad zum Volumenstrom
Aus der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise den akustischen Laufzeitinformationen bestimmt die Elektronik einen für das gewählte Messmodell korrigierten Durchflusswert.
Für den Volumenstrom gilt grundsätzlich:
Q = vmittel · A
Mit einem kreisförmigen Rohrquerschnitt:
A = π · Di² / 4
Die genaue Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit erfordert die Berücksichtigung des Strömungsprofils.
2.5 Warum die Montage entscheidend ist
Damit die Laufzeitdifferenz zuverlässig erfasst werden kann, müssen die Ultraschallsignale den vorgesehenen akustischen Weg durchlaufen.
Ein ungeeigneter Sensorabstand, schlechter akustischer Kontakt oder eine falsche Parametrierung kann die Messung beeinflussen.
Deshalb besitzt die mechanische Montage bei Clamp-on-Systemen eine besondere messtechnische Bedeutung.
3. Akustischer Signalweg durch Sensor, Rohrwand und Medium
Bei einer Clamp-on-Messung gelangt das Ultraschallsignal nicht unmittelbar vom Sensor in das Medium.
Zwischen Sensor und Flüssigkeit liegen mehrere Materialien mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften.
3.1 Übergang vom Sensor zum Rohr
Die erste wichtige Grenzfläche befindet sich zwischen der Kontaktfläche des Ultraschallsensors und der äußeren Rohroberfläche.
Ein geeignetes Koppelmittel soll unerwünschte Luftspalte an dieser Stelle vermeiden.
Luft besitzt im Vergleich zu festen Werkstoffen eine stark abweichende akustische Impedanz. Schon kleine Luftspalte können daher die Schallübertragung erheblich beeinträchtigen.
3.2 Ausbreitung in der Rohrwand
Das Ultraschallsignal durchläuft beziehungsweise koppelt über die Rohrwand mit deren charakteristischen akustischen Eigenschaften.
Relevant sind insbesondere der Rohrwerkstoff, die Wanddicke und die gewählte Sensortechnologie.
Bei Siemens-FSS200-Sensoren können je nach Sensortyp und Messverfahren unterschiedliche Wellenausbreitungsmechanismen in der Rohrwand genutzt werden.
3.3 Übergang in das Medium
Auch zwischen Rohrwand und Prozessmedium findet ein akustischer Übergang statt.
Eine vorhandene innere Rohrbeschichtung oder Auskleidung kann diesen Übergang beeinflussen.
Deshalb müssen Material und Dicke einer vorhandenen Innenauskleidung bei der Parametrierung berücksichtigt werden, soweit das Messsystem dies erfordert.
3.4 Medium als Messstrecke
Das Ultraschallsignal durchläuft das strömende Medium.
Seine Ausbreitung hängt unter anderem von der Schallgeschwindigkeit, der Temperatur und der Zusammensetzung des Mediums ab.
Gasblasen, Feststoffpartikel oder stark dämpfende Medien können je nach Sensorverfahren die Signalqualität verschlechtern.
3.5 Mehrere Grenzflächen
Die Ultraschallenergie muss mehrere akustische Übergänge bewältigen.
Eine gute Messung setzt deshalb voraus, dass diese Übergänge möglichst stabil und reproduzierbar sind.
Das erklärt, weshalb bereits eine scheinbar geringe Veränderung der äußeren Sensorkopplung eine deutliche Auswirkung auf das empfangene Signal haben kann.
4. Einflussgrößen bei der erneuten Sensormontage vergleichen
Bei der Wiederholmontage wirken mehrere mechanische, akustische und prozessbedingte Faktoren zusammen.
Eine veränderte Durchflussanzeige darf deshalb nicht ohne Prüfung ausschließlich dem Koppelmittel oder dem Sensorabstand zugeschrieben werden.
| Einflussgröße | Mögliche Veränderung | Auswirkung auf die Messung | Empfohlene Kontrolle |
|---|---|---|---|
| Koppelmittel | Andere Menge, Alterung, Luftspalte oder ungeeigneter Typ | Schwächeres Signal oder Signalunterbrechung | Herstellerfreigabe, Auftrag und Zustand prüfen |
| Sensorabstand | Sensor nicht exakt an ursprünglicher Position | Abweichender akustischer Messweg | Montageindex und berechneten Abstand kontrollieren |
| Sensororientierung | Verdrehung oder andere Winkelposition am Rohr | Veränderte Messpfadgeometrie und Strömungsprofilbewertung | Montageebene und Ausrichtung dokumentieren |
| Oberflächenzustand | Rost, Beschichtung, Rückstände oder Unebenheiten | Akustische Dämpfung und veränderte Kopplung | Kontaktfläche reinigen und beurteilen |
| Anpresskraft | Unterschiedlich angezogene Befestigung | Veränderte Kontaktbedingungen | Herstellerangaben zur Befestigung einhalten |
| Rohrwanddicke | Falsch gemessen oder eingegeben | Falsche Innenweite und Berechnung des Schallwegs | Wanddicke an geeigneter Stelle prüfen |
| Rohrmaterial und Auskleidung | Unvollständige oder falsche Parameter | Abweichende angenommene Schallgeschwindigkeit | Materialdaten und Liner prüfen |
| Mediumtemperatur | Andere Temperatur beim Vergleich | Veränderte Stoffeigenschaften und Schallgeschwindigkeit | Temperatur dokumentieren |
| Strömungsprofil | Andere Ventilstellung oder Messposition | Veränderte Geschwindigkeitsverteilung im Messpfad | Betriebszustand und Einlaufstrecke prüfen |
| Signalverarbeitung | Andere Dämpfung oder Parametrierung | Veränderte Anzeige und zeitliche Mittelung | Geräteeinstellungen vergleichen |
Die Tabelle verdeutlicht, dass die Reproduzierbarkeit einer erneuten Installation nicht nur vom Ultraschallsensor selbst abhängt.
Für quantitativ vergleichbare Ergebnisse müssen die relevanten Bedingungen vor und nach der Montage bekannt sein.
5. Messstelle, Rohrgeometrie und Einbaubedingungen auswählen
Bei einer vollständigen Neuinstallation muss geprüft werden, ob die bisherige Messstelle weiterhin geeignet ist.
Dies gilt besonders dann, wenn sich seit der ursprünglichen Montage die Rohrleitung, die Umgebung oder die Prozessbedingungen verändert haben.
5.1 Rohrleitung ausreichend gefüllt
Bei üblichen Clamp-on-Laufzeitmessungen für Flüssigkeiten muss die Rohrleitung im Bereich des Ultraschallmesswegs ausreichend beziehungsweise vollständig mit dem Medium gefüllt sein.
Teilgefüllte Leitungen können zu Signalverlusten oder unplausiblen Durchflusswerten führen.
Eine grundsätzlich geeignete Rohrgröße allein garantiert daher noch keine gültige Messung.
5.2 Rohrabmessungen
Der Außendurchmesser und die Wanddicke müssen zur tatsächlichen Messstelle passen.
Aus beiden Werten ergibt sich bei einer einfachen Rohrgeometrie der Innendurchmesser:
Di = Da – 2 · s
Dabei bezeichnet Da den Außendurchmesser und s die Wanddicke.
Bei vorhandenen Innenauskleidungen muss die zusätzliche Verringerung des freien Rohrquerschnitts berücksichtigt werden.
5.3 Rohrwerkstoff
Stahl, Edelstahl, Kunststoff und andere Rohrwerkstoffe besitzen unterschiedliche akustische Eigenschaften.
Die Auswahl des Rohrmaterials in der Gerätekonfiguration beeinflusst die Berechnung der Schallausbreitung.
Die Werkstoffangabe muss daher zur tatsächlich vorhandenen Rohrleitung passen.
5.4 Strömungsstörungen
Die Messstelle sollte möglichst an einer Rohrstrecke mit geeigneten Strömungsbedingungen liegen.
Direkt hinter Pumpen, Regelarmaturen, engen Bögen oder Zusammenführungen können stark veränderte Geschwindigkeitsprofile auftreten.
Die erforderlichen Beruhigungsstrecken sind anwendungs- und gerätespezifisch zu bestimmen.
5.5 Reproduzierbare Messposition
Für eine spätere Wiederholmontage ist es sinnvoll, die ursprüngliche Montageposition eindeutig zu dokumentieren.
Dazu können geeignete dauerhafte Markierungen, Messstellenzeichnungen und dokumentierte Montageparameter beitragen.
Die Kennzeichnung muss mit dem vorgesehenen Oberflächen- und Korrosionsschutzkonzept vereinbar sein.
6. Koppelmittel auswählen, auftragen und erneuern
Das Koppelmittel ist ein entscheidender Bestandteil der akustischen Verbindung zwischen Ultraschallsensor und Rohrwand.
Es soll insbesondere kleine Luftspalte ausgleichen und eine ausreichend wirksame Schallübertragung ermöglichen.
6.1 Warum ein Koppelmittel benötigt wird
Selbst scheinbar glatte metallische Oberflächen besitzen mikroskopische Unebenheiten.
Wird ein Ultraschallsensor trocken auf eine solche Oberfläche gesetzt, bleiben zwischen Sensor und Rohr möglicherweise Luftspalte bestehen.
Da Luft für den vorgesehenen akustischen Übergang stark ungünstige Eigenschaften besitzt, kann das Ultraschallsignal erheblich gedämpft werden.
Ein geeignetes Koppelmittel verbessert den akustischen Kontakt.
6.2 Geeignete Koppelmitteltypen
Je nach Messsystem und Anwendung können unterschiedliche Koppelmittel vorgesehen sein.
Dazu gehören geeignete Koppelpasten, Gele und bei bestimmten Montageverfahren trockene beziehungsweise folienartige Koppelmaterialien.
Siemens beschreibt für FSS200-Sensoren beispielsweise bestimmte Koppelpasten und besondere viskoelastische Trockenkoppelmaterialien für dafür vorgesehene Anwendungen.
Die Materialauswahl darf nicht unabhängig von Sensortyp, Temperatur und Montageverfahren erfolgen.
6.3 Gleichmäßiger Auftrag
Die Kontaktfläche muss so vorbereitet werden, dass das Koppelmittel den vorgesehenen akustischen Übergang herstellen kann.
Bei bestimmten Siemens-FSS200-Montageverfahren wird ein definierter Koppelmittelstreifen auf der Kontaktfläche beschrieben.
Andere Sensorgrößen beziehungsweise Montageverfahren können abweichende Vorgaben besitzen.
Entscheidend sind daher die Angaben in der zugehörigen Montageanleitung.
6.4 Luftblasen vermeiden
Eingeschlossene Luft kann die Schallübertragung erheblich verschlechtern.
Der Sensor sollte deshalb entsprechend dem vorgesehenen Montageverfahren eingesetzt und angepresst werden.
Unkontrolliertes Verschieben kann die Koppelmittelschicht verändern oder Luft einschließen.
6.5 Zu viel Koppelmittel
Eine möglichst große Menge Koppelmittel ist nicht automatisch besser.
Eine ungleichmäßige Schicht oder ungeeignete Materialverteilung kann den vorgesehenen akustischen Kontakt beeinträchtigen.
Der Auftrag muss zur Sensor- und Montagekonstruktion passen.
6.6 Wiederverwendung alten Koppelmittels
Nach einer Demontage sollte geprüft werden, ob das bisherige Koppelmittel noch für eine erneute Verwendung geeignet ist.
Bei Verschmutzung, Verhärtung, Austrocknung oder Beschädigung kann eine Erneuerung erforderlich sein.
Die Kontaktflächen sind entsprechend den Herstellervorgaben vorzubereiten.
6.7 Temperaturbeständigkeit
Die zulässige Temperatur des Koppelmittels muss zur tatsächlichen Rohrtemperatur passen.
Ein für Raumtemperatur geeignetes Gel ist nicht automatisch für dauerhaft heiße Rohrleitungen geeignet.
Sensor, Koppelmittel und Befestigung müssen daher gemeinsam auf die Einsatztemperatur abgestimmt werden.
7. Sensorabstand und Montagekonfiguration richtig festlegen
Der Abstand zwischen den Ultraschallsensoren beeinflusst die Geometrie des akustischen Messwegs.
Bei Clamp-on-Laufzeitmessgeräten ergibt sich der erforderliche Montageabstand aus den Rohr-, Medium- und Sensordaten sowie der gewählten Messanordnung.
7.1 Keine universelle Abstandsvorgabe
Es gibt keinen festen Sensorabstand, der für sämtliche Rohrdurchmesser und Materialien gleichermaßen geeignet ist.
Der erforderliche Abstand hängt insbesondere ab von:
- Rohrdurchmesser.
- Rohrwanddicke.
- Rohrmaterial.
- Vorhandener Innenauskleidung.
- Medium und dessen akustischen Eigenschaften.
- Sensorgröße und Sensortyp.
- Gewählter akustischer Messanordnung.
- Konfigurationsabhängigen Berechnungsfunktionen des Messumformers.
7.2 Automatische Abstandsermittlung
Bei Siemens-SITRANS-Systemen kann der Messumformer anhand der eingegebenen Parameter die vorgesehene Sensoranordnung und den Montageabstand berechnen.
Die entsprechenden Angaben können beispielsweise als Montageindex oder Abstandsinformation ausgegeben werden.
Die korrekte Ausführung ist anhand der jeweiligen Sensor- und Montageschiene festzulegen.
7.3 Montageindex
Bei geeigneten Montageschienen kann die Sensorposition über definierte Indexpositionen eingestellt werden.
Diese mechanische Führung erleichtert die reproduzierbare Positionierung.
Bei der Neuinstallation muss die vom Gerät vorgegebene Position richtig auf die entsprechende Schiene übertragen werden.
7.4 Sensororientierung
Neben dem Abstand ist auch die Ausrichtung der Sensoren entscheidend.
Die Anschlüsse und die Zuordnung von stromaufwärts und stromabwärts müssen zur gewählten Montagekonfiguration passen.
Die Vertauschung von Sensoren oder Kabelanschlüssen kann zu einer falschen Strömungsrichtung oder zu einer ungültigen Messung führen.
7.5 Nach Veränderung der Rohrparameter
Wird beispielsweise die tatsächliche Wanddicke korrigiert, muss die Berechnung des akustischen Messwegs erneut überprüft werden.
Es genügt dann nicht, ausschließlich den angezeigten Volumenstrom zu vergleichen.
Auch der berechnete Sensorabstand kann sich verändern.
7.6 Mechanische Wiederholbarkeit
Für häufig wiederkehrende Montagen sind geeignete Montageschienen oder reproduzierbare Haltesysteme besonders interessant.
Sie reduzieren die Gefahr, dass der Abstand oder die Ausrichtung bei jeder erneuten Installation verändert wird.
Eine gute mechanische Positionierung ersetzt jedoch nicht die notwendige Kontrolle der Koppelstelle.
8. Praxisbeispiel: Rohrwanddicke, Durchflussabweichung und Wiederholbarkeit berechnen
Eine bestehende industrielle Wasserleitung wird mit einem Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser überwacht.
Nach einer Wartung werden die Sensoren erneut montiert. Gleichzeitig fällt auf, dass in der gespeicherten Gerätekonfiguration eine andere Rohrwanddicke angegeben ist als die tatsächlich gemessene.
Das folgende Rechenbeispiel untersucht zunächst den Einfluss auf die berechnete Rohrquerschnittsfläche.
Anschließend wird beispielhaft betrachtet, wie mehrere Wiederholmontagen anhand ihrer Messergebnisse miteinander verglichen werden können.
8.1 Ausgangsdaten und Annahmen
Für die Berechnung werden folgende ausdrücklich frei gewählte Werte angenommen:
- Medium: Wasser bei stabilen Betriebsbedingungen.
- Rohrmaterial: Stahl.
- Rohrinnenseite ohne zusätzliche Auskleidung.
- Rohr-Außendurchmesser: 114,3 mm.
- Tatsächliche Rohrwanddicke: 4,6 mm.
- Falsch eingegebene Wanddicke: 3,6 mm.
- Für den Querschnittsvergleich angenommene mittlere Strömungsgeschwindigkeit: 2,0 m/s.
- Während der Vergleichsrechnung konstante mittlere Strömungsgeschwindigkeit.
- Für die Wiederholmontage fünf beispielhafte Durchflussanzeigen unter angenommenen konstanten Prozessbedingungen.
Alle Zahlen sind Rechenannahmen und stellen keine gemessenen Werte einer konkreten Siemens- oder WIKA-Installation dar.
8.2 Tatsächlichen Innendurchmesser berechnen
Für den Innendurchmesser gilt:
Di = Da – 2 · s
Mit dem Außendurchmesser von 114,3 mm und der tatsächlichen Wanddicke von 4,6 mm:
Di,tatsächlich = 114,3 mm – 2 · 4,6 mm
Di,tatsächlich = 105,1 mm
8.3 Falsch parametrierten Innendurchmesser berechnen
Bei einer eingegebenen Wanddicke von 3,6 mm ergibt sich:
Di,falsch = 114,3 mm – 2 · 3,6 mm
Di,falsch = 107,1 mm
Die Differenz beträgt:
ΔD = 107,1 mm – 105,1 mm
ΔD = 2,0 mm
8.4 Tatsächliche Rohrquerschnittsfläche
Für die Fläche eines kreisförmigen Querschnitts gilt:
A = π · Di² / 4
Mit Di = 0,1051 m:
Atatsächlich = π · (0,1051 m)² / 4
Atatsächlich ≈ 0,008676 m²
8.5 Querschnittsfläche mit falscher Wanddicke
Mit Di = 0,1071 m:
Afalsch = π · (0,1071 m)² / 4
Afalsch ≈ 0,009009 m²
8.6 Prozentuale Flächenabweichung
Die relative Abweichung ergibt sich aus:
εA = (Afalsch / Atatsächlich – 1) · 100 %
Einsetzen der Werte:
εA = ((107,1 / 105,1)² – 1) · 100 %
εA ≈ +3,84 %
Allein aus der falschen Querschnittsannahme ergibt sich damit eine Flächenabweichung von rund 3,84 %.
8.7 Volumenstrom mit tatsächlichem Querschnitt
Bei einer angenommenen mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 2,0 m/s:
Qtatsächlich = 0,008676 m² · 2,0 m/s
Qtatsächlich ≈ 0,017351 m³/s
Umrechnung in m³/h:
Qtatsächlich = 0,017351 · 3.600
Qtatsächlich ≈ 62,46 m³/h
8.8 Volumenstrom mit falschem Querschnitt
Wird dieselbe mittlere Strömungsgeschwindigkeit von 2,0 m/s mit dem falsch berechneten Querschnitt kombiniert:
Qfalsch = 0,009009 m² · 2,0 m/s · 3.600
Qfalsch ≈ 64,86 m³/h
Die Differenz beträgt:
ΔQ = 64,86 m³/h – 62,46 m³/h
ΔQ ≈ +2,40 m³/h
Dies entspricht der relativen Flächenabweichung von rund 3,84 %.
Das Ergebnis gilt ausdrücklich für die vereinfachte Annahme einer unveränderten mittleren Strömungsgeschwindigkeit. In einem realen Clamp-on-System beeinflusst die Wanddicke zusätzlich den berechneten akustischen Schallweg und gegebenenfalls den Sensorabstand. Die tatsächliche Gesamtmessabweichung kann daher nicht allein aus dieser Flächenrechnung bestimmt werden.
| Berechnungsgröße | Korrekte Rohrdaten | Falsche Rohrdaten |
|---|---|---|
| Rohr-Außendurchmesser | 114,3 mm | 114,3 mm |
| Angenommene Wanddicke | 4,6 mm | 3,6 mm |
| Berechneter Innendurchmesser | 105,1 mm | 107,1 mm |
| Berechnete Querschnittsfläche | 0,008676 m² | 0,009009 m² |
| Angenommene mittlere Geschwindigkeit | 2,0 m/s | 2,0 m/s |
| Berechneter Volumenstrom | 62,46 m³/h | 64,86 m³/h |
| Relative Flächenabweichung | Referenz | +3,84 % |
| Differenz des vereinfachten Volumenstrommodells | Referenz | +2,40 m³/h |
8.9 Wiederholmontage anhand von fünf Messungen
Im zweiten Teil werden fünf frei gewählte Durchflussanzeigen angenommen, die nach fünf vollständigen Montagen an derselben Rohrstelle erfasst wurden.
Die angenommenen Werte lauten:
- Montage 1: 74,8 m³/h.
- Montage 2: 75,1 m³/h.
- Montage 3: 74,9 m³/h.
- Montage 4: 75,3 m³/h.
- Montage 5: 74,9 m³/h.
Für dieses Beispiel wird angenommen, dass der tatsächliche Prozessdurchfluss während sämtlicher Messungen konstant war.
Der Mittelwert beträgt:
Qmittel = (74,8 + 75,1 + 74,9 + 75,3 + 74,9) / 5
Qmittel = 75,0 m³/h
Der größte Messwert ist:
Qmax = 75,3 m³/h
Der kleinste Messwert ist:
Qmin = 74,8 m³/h
Die Spannweite beträgt:
R = 75,3 – 74,8 = 0,5 m³/h
Bezogen auf den Mittelwert ergibt sich:
Rrel = 0,5 / 75,0 · 100 %
Rrel ≈ 0,67 %
Die relative Spannweite der fünf Montageergebnisse beträgt somit rund 0,67 %.
8.10 Was sagt dieser Wert aus?
Die Spannweite beschreibt, wie weit die beobachteten Ergebnisse der fünf angenommenen Montagen auseinanderliegen.
Sie ist jedoch nicht automatisch mit einer normgerecht ermittelten Wiederholbarkeitskennzahl des Messgeräts gleichzusetzen.
Insbesondere muss unterschieden werden zwischen:
- Streuung bei unveränderter Sensorposition.
- Streuung nach vollständiger Demontage und Wiederanbringung.
- Tatsächlichen Prozessänderungen zwischen den Messungen.
- Systematischen Messabweichungen gegenüber einem Referenzdurchfluss.
Ohne einen ausreichend stabilen beziehungsweise unabhängig überwachten Referenzdurchfluss lässt sich die allein durch die Montage verursachte Streuung nicht zuverlässig bestimmen.
8.11 Grenzen des Rechenbeispiels
Die Querschnittsberechnung verdeutlicht den direkten Einfluss des Innendurchmessers auf den rechnerischen Volumenstrom.
Das vollständige Clamp-on-Messverfahren ist jedoch komplexer, weil auch der Schallweg und die daraus ermittelte Strömungsgeschwindigkeit von den eingegebenen Rohrdaten abhängen.
Die fünf Wiederholmontagen sind ebenfalls ausschließlich ein statistisches Anschauungsbeispiel.
Sie stellen weder einen produktspezifischen Messversuch noch einen Nachweis einer bestimmten Gerätewiederholbarkeit dar.
9. Gerätewiederholbarkeit und Wiederholmontage unterscheiden
Der Begriff Wiederholbarkeit wird bei Durchflussmessgeräten häufig verwendet, beschreibt aber nicht automatisch sämtliche Einflüsse einer erneuten Sensorinstallation.
9.1 Wiederholbarkeit unter definierten Bedingungen
Die Wiederholbarkeit eines Messgeräts beschreibt die Übereinstimmung wiederholter Messergebnisse unter festgelegten Bedingungen.
Bei der Angabe einer Gerätewiederholbarkeit sind die zugrunde liegenden Prüfbedingungen entscheidend.
9.2 Herstellerangaben
Für das Siemens SITRANS FS220 wird eine Wiederholbarkeit von 0,25 % und eine Messgenauigkeit von 1 % unter den spezifizierten Bedingungen angegeben.
Diese Werte beschreiben jedoch nicht pauschal die Streuung beliebiger Installationen nach dem vollständigen Abnehmen und Wiederanbringen der Ultraschallsensoren.
9.3 Wiederholmontage
Bei einer vollständigen Wiederholmontage werden zusätzliche Einflussgrößen verändert oder erneut hergestellt.
Dazu gehören die Position, der Montageabstand, die Koppelmittelschicht und gegebenenfalls die Anpresskraft.
Auch die Auswahl einer geringfügig anderen Rohrstelle kann die Messbedingungen verändern.
9.4 Reproduzierbarkeit der Messstelle
Für die Beurteilung einer wiederkehrenden Montage sollte deshalb eine eigene Vergleichsprüfung definiert werden.
Dabei müssen die Bedingungen möglichst konstant gehalten beziehungsweise unabhängig erfasst werden.
Nur dann kann die Streuung plausibel der Montage zugeordnet werden.
9.5 Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit
Ein Messsystem kann sehr gut wiederholbare Werte liefern und dennoch systematisch vom tatsächlichen Durchfluss abweichen.
Beispielsweise kann eine dauerhaft falsch eingegebene Rohrweite zu stabilen, aber falschen Volumenstromwerten führen.
Eine geringe Streuung allein ist daher kein Nachweis hoher Messrichtigkeit.
9.6 Praktische Konsequenz
Bei der Wiederholmontage müssen sowohl die mechanischen Bedingungen als auch die Messwertplausibilität betrachtet werden.
Eine gute Signalqualität und geringe Streuung sind wichtige Voraussetzungen, reichen aber für sich allein nicht aus, um einen korrekten Absolutwert nachzuweisen.
10. Rohroberfläche vorbereiten und Beschichtungen berücksichtigen
Die äußere Rohroberfläche beeinflusst den akustischen Kontakt zwischen Ultraschallsensor und Rohr.
Vor der Wiederholmontage ist deshalb zu prüfen, ob die Kontaktfläche sauber, ausreichend eben und für die vorgesehene Montage geeignet ist.
10.1 Verschmutzungen entfernen
Schmutz, Fett, lose Beschichtungen und Rückstände können die Koppelmittelschicht beeinträchtigen.
Die Oberfläche sollte entsprechend den Montagevorgaben vorbereitet werden.
Dabei darf die Drucktragfähigkeit oder Schutzfunktion der Rohrleitung nicht beeinträchtigt werden.
10.2 Korrosion und Rost
Rost und ungleichmäßige Korrosionsprodukte können den akustischen Kontakt verschlechtern.
Auch eine lokal veränderte Wanddicke kann die Ausbreitungsbedingungen beeinflussen.
Bei erkennbaren Korrosionsschäden kann deshalb eine gesonderte Bewertung des Rohrzustands notwendig sein.
10.3 Außenbeschichtungen
Eine Außenbeschichtung muss nicht in jedem Fall vollständig entfernt werden.
Entscheidend sind ihre Eigenschaften, die Schichtdicke, die Haftung am Rohr und die Anforderungen der Sensorinstallation.
Lose oder stark ungleichmäßige Beschichtungen können die Ankopplung beeinträchtigen.
10.4 Innenauskleidungen
Eine innere Rohrbeschichtung ist von einer äußeren Lackierung zu unterscheiden.
Sie beeinflusst die freie Rohrweite und kann zusätzliche akustische Übergänge verursachen.
Bei der Parametrierung muss sie daher entsprechend den Herstellerangaben berücksichtigt werden.
10.5 Andere Kontaktstelle nach Reinigung
Wird ein Sensor nach der Wartung wenige Zentimeter versetzt montiert, kann sich die lokale Oberfläche unterscheiden.
Dies ist besonders relevant bei alten Rohrleitungen mit wechselnder Korrosion oder ungleichmäßigen Beschichtungen.
Für besonders reproduzierbare Messungen ist deshalb eine definierte und dokumentierte Koppelstelle sinnvoll.
10.6 Korrosionsschutz nach Wartung
Eine Oberflächenvorbereitung darf nicht dazu führen, dass notwendige Korrosionsschutzmaßnahmen dauerhaft entfallen.
Die Wiederherstellung beziehungsweise geeignete Gestaltung des Schutzsystems muss zur jeweiligen Rohrleitung passen.
Weitere Einzelheiten behandelt der Fachbeitrag SITRANS Clamp-on-Sensor auf beschichteten Rohren montieren.
11. Direkt-, Reflexions- und Mehrpfadmontage richtig auswählen
Clamp-on-Ultraschallsensoren können abhängig vom System und der Rohrgeometrie in unterschiedlichen akustischen Anordnungen montiert werden.
Die gewählte Anordnung beeinflusst den Schallweg und die erforderliche Position der Sensoren.
11.1 Reflexionsanordnung
Bei einer Reflexionsanordnung wird der Schallweg durch das Medium mithilfe einer Reflexion an der gegenüberliegenden Rohrseite geführt.
Die Sensoren befinden sich dabei in einer dafür vorgesehenen Anordnung auf der Rohrleitung.
Ob diese Montageart geeignet ist, hängt von Rohr, Medium und Sensortyp ab.
11.2 Direktanordnung
Bei einer Direktanordnung sind die Ultraschallsensoren so positioniert, dass der Schallweg ohne entsprechende zusätzliche Reflexion durch das Medium verläuft.
Diese Anordnung kann bei bestimmten Rohrmaterialien oder Signalbedingungen Vorteile besitzen.
Sie erfordert eine genaue mechanische Ausrichtung.
11.3 Weitere Reflexionswege
Je nach Messsystem können mehrere akustische Durchläufe beziehungsweise Reflexionen vorgesehen sein.
Die geeignete Anordnung wird anhand der Anwendung und des verfügbaren Messsystems festgelegt.
11.4 Sensorabstand ist montageabhängig
Wird zwischen unterschiedlichen Montagearten gewechselt, verändert sich der vorgesehene akustische Weg.
Ein zuvor verwendeter Sensorabstand darf deshalb nicht ungeprüft übernommen werden.
11.5 Mehrpfadsysteme
Für anspruchsvollere Messungen können mehrere akustische Pfade genutzt werden.
Das Siemens SITRANS FS230 ist beispielsweise für Konfigurationen mit bis zu vier Pfaden vorgesehen.
Eine Mehrpfadmessung kann die Beurteilung komplexer Strömungsprofile unterstützen.
Die tatsächliche Verbesserung hängt jedoch von der konkreten Anwendung und der Anordnung der Messpfade ab.
12. Medium, Schallgeschwindigkeit und Temperatur berücksichtigen
Der Ultraschallmessweg wird nicht nur von den Rohrdaten, sondern auch von den Eigenschaften des Prozessmediums beeinflusst.
12.1 Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit ist eine wichtige Größe bei der Bestimmung des akustischen Laufzeitverhaltens.
Sie hängt unter anderem von Medium, Temperatur und gegebenenfalls Zusammensetzung beziehungsweise Druck ab.
12.2 Wasser und wässrige Medien
Für Wasser und geeignete wässrige Medien stehen häufig hinterlegte Stoffdaten im Messsystem zur Verfügung.
Die ausgewählte Medienklasse und die tatsächliche Temperatur müssen zur Anwendung passen.
12.3 Glykolgemische
Bei Wasser-Glykol-Mischungen beeinflusst der Glykolanteil die Stoffeigenschaften.
Eine unzutreffende Medienauswahl kann daher die Berechnung beziehungsweise Plausibilitätsbewertung beeinträchtigen.
12.4 Öle und andere Flüssigkeiten
Auch Öle und andere geeignete Flüssigkeiten können mit passenden Clamp-on-Systemen gemessen werden.
Allerdings müssen akustische Dämpfung, Viskosität, Temperatur und die Sensoreignung betrachtet werden.
12.5 Gasblasen
Gasblasen können die Ultraschallübertragung erheblich beeinflussen.
Die Stärke der Auswirkung hängt vom Messverfahren, dem Gasgehalt und der Blasenverteilung ab.
Einige Sensorvarianten sind für anspruchsvollere Bedingungen mit Belüftung oder Feststoffanteilen optimiert.
Daraus darf jedoch keine allgemeine Unempfindlichkeit gegenüber beliebigem Gasgehalt abgeleitet werden.
12.6 Prozesszustand bei Vergleichsmessungen
Bei einer Vergleichsmessung vor und nach der Montage sollten Temperatur, Medium, Pumpenzustand und relevante Ventilstellungen dokumentiert werden.
Eine Änderung dieser Bedingungen kann den tatsächlichen Durchfluss ebenso beeinflussen wie die Messsignalqualität.
13. Strömungsprofil, Einlaufstrecke und Einbaulage bewerten
Ein Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser erfasst Informationen entlang eines oder mehrerer akustischer Messpfade.
Für die Berechnung des gesamten Rohrvolumenstroms muss das Strömungsprofil angemessen berücksichtigt werden.
13.1 Symmetrische und asymmetrische Profile
In einer ausreichend langen geraden Rohrleitung kann sich unter geeigneten Bedingungen ein vergleichsweise stabiles Strömungsprofil ausbilden.
Hinter Bögen, Regelventilen, Pumpen oder anderen Einbauten kann das Profil dagegen asymmetrisch sein.
13.2 Einfluss auf die Messung
Ein verändertes Strömungsprofil kann zu einer anderen Beziehung zwischen der entlang des Messpfads erfassten Geschwindigkeit und der mittleren Geschwindigkeit im Rohr führen.
Dies kann die Volumenstromberechnung beeinflussen.
13.3 Beruhigungsstrecken
Für die Messstellenauswahl sind geeignete gerade Rohrstrecken vor und nach der Messstelle wichtig.
Als Orientierung werden bei vielen Anwendungen gerätespezifische Anforderungen in Vielfachen des Rohrdurchmessers angegeben.
Diese Angaben dürfen jedoch nicht pauschal auf sämtliche Sensoren und Strömungsstörungen übertragen werden.
13.4 Horizontale Rohrleitungen
Bei horizontalen Flüssigkeitsleitungen können sich Gasansammlungen im oberen Bereich und Feststoffablagerungen im unteren Bereich bilden.
Eine seitliche beziehungsweise geeignete horizontale Sensoranordnung kann deshalb vorteilhaft sein.
Die konkrete Position muss den Montagevorgaben des verwendeten Sensors entsprechen.
13.5 Vertikale Rohrleitungen
Bei vertikalen Rohrleitungen ist die Strömungsrichtung und die vollständige Füllung besonders zu beachten.
Eine vollständig gefüllte, geeignete Leitung kann grundsätzlich messbar sein.
Die tatsächliche Einbaueignung hängt jedoch vom Medium und der jeweiligen Sensoranordnung ab.
13.6 Wiederholmontage an anderer Position
Wird der Sensor nach Wartungsarbeiten an einer anderen Umfangs- oder Längsposition montiert, kann sich die erfasste Geschwindigkeitsverteilung ändern.
Ein Unterschied im angezeigten Volumenstrom muss daher nicht ausschließlich durch die neue Koppelmittelschicht verursacht werden.
14. Sensorbefestigung, Ausrichtung und Anpresskraft
Die mechanische Befestigung muss einen stabilen Kontakt zwischen Ultraschallsensor und Rohr herstellen.
Gleichzeitig darf der Sensor durch unsachgemäße Montage nicht beschädigt werden.
14.1 Montageschienen
Montageschienen können eine definierte Positionierung und reproduzierbare Sensorabstände ermöglichen.
Besonders bei wiederkehrenden Installationen erleichtern feste Referenzpunkte die Montage.
14.2 Montagebänder und Ketten
Je nach Rohrdurchmesser und Sensorbauform können geeignete Montagebänder, Ketten oder andere Befestigungen verwendet werden.
Sie müssen zur vorgesehenen Rohrgröße und Montageart passen.
14.3 Anpresskraft
Die Sensoren müssen entsprechend der Montageanleitung ausreichend fest sitzen.
Eine zu geringe Anpressung kann einen instabilen akustischen Kontakt verursachen.
Eine übermäßige Anpressung kann dagegen Sensoren, Befestigungselemente oder Kontaktflächen beschädigen.
14.4 Parallelität und Ausrichtung
Bei der Wiederholmontage muss die vorgesehene Ausrichtung der Sensoren zueinander wiederhergestellt werden.
Verdrehte oder versetzte Montageschienen können den akustischen Signalweg beeinträchtigen.
14.5 Kabelanschlüsse
Die Ultraschallsensorkabel müssen den vorgesehenen Anschlüssen am Messumformer zugeordnet werden.
Bei Siemens-Systemen sind beispielsweise die Zuordnungen stromaufwärts und stromabwärts entsprechend den Herstellerangaben einzuhalten.
14.6 Langzeitstabilität
Bei dauerhaften Installationen müssen Befestigungen gegenüber Vibrationen, Temperaturwechseln und den zu erwartenden Umgebungsbedingungen ausreichend stabil sein.
Auch die langfristige Eignung des Koppelmittels ist zu prüfen.
15. Signalqualität und Diagnosewerte systematisch auswerten
Nach der Montage sollte nicht ausschließlich der angezeigte Volumenstrom beurteilt werden.
Die Diagnoseinformationen des Messsystems können zusätzliche Hinweise darauf geben, ob die akustische Verbindung korrekt arbeitet.
15.1 Empfangssignal
Ein ausreichendes empfangenes Ultraschallsignal ist eine wesentliche Voraussetzung für die Laufzeitmessung.
Eine deutlich schwächere Signalqualität nach der Neuinstallation kann auf veränderte Kopplung, Sensorposition oder Prozessbedingungen hinweisen.
15.2 Signalstabilität
Die Signalqualität sollte über einen geeigneten Beobachtungszeitraum stabil bleiben.
Wenn sie stark schwankt, sind unter anderem Koppelstelle, Befestigung, Medium und Strömungszustand zu prüfen.
15.3 Schallgeschwindigkeit
Bei geeigneten Messsystemen steht die gemessene beziehungsweise ermittelte Schallgeschwindigkeit als Diagnosegröße zur Verfügung.
Eine deutliche Änderung kann auf veränderte Medienbedingungen oder eine unzutreffende Parametrierung hinweisen.
Die Interpretation muss jedoch die konkrete Gerätefunktion berücksichtigen.
15.4 Diagnosestatus
Warnungen, Fehlerzustände und Meldungen über unzureichende Signale können helfen, die Ursache einzugrenzen.
Ein plausibel wirkender Durchflusswert sollte nicht ohne Prüfung als gültig betrachtet werden, wenn das System gleichzeitig relevante Diagnoseprobleme meldet.
15.5 Vergleich vor und nach der Montage
Besonders hilfreich ist es, die Diagnosewerte vor dem Abnehmen der Sensoren zu dokumentieren.
Nach der Wiederholmontage können Empfangssignal, Schallgeschwindigkeit und weitere verfügbare Diagnoseinformationen damit verglichen werden.
15.6 Signalqualität allein beweist keine Genauigkeit
Ein starkes Ultraschallsignal ist wichtig, aber kein vollständiger Nachweis für einen richtigen Volumenstromwert.
Bei falschen Rohrdaten oder einem ungünstigen Strömungsprofil kann eine stabile Messung dennoch systematisch abweichen.
16. Nullpunkt, Strömungsrichtung und Parametrierung prüfen
Nach einer erneuten Sensorinstallation müssen die relevanten Geräteeinstellungen kontrolliert werden.
Insbesondere dürfen gespeicherte Werte nicht ungeprüft auf eine veränderte Rohr- oder Sensorkonfiguration übertragen werden.
16.1 Rohrparameter
Außendurchmesser, Wanddicke, Rohrwerkstoff und mögliche Innenauskleidungen müssen mit der tatsächlichen Messstelle übereinstimmen.
16.2 Mediumparameter
Die ausgewählte Flüssigkeit beziehungsweise die hinterlegten Stoffwerte müssen zum Prozess passen.
16.3 Sensortyp
Sensorfamilie, Größe und Montageart müssen korrekt konfiguriert sein.
Bei einem Sensorwechsel kann eine erneute Berechnung des Montageabstands erforderlich werden.
16.4 Strömungsrichtung
Eine vertauschte Zuordnung der Sensoren kann die Richtung des angezeigten Durchflusses beeinflussen.
Die im Gerät definierte positive Strömungsrichtung ist daher zu kontrollieren.
16.5 Nullpunktkontrolle
Eine Nullpunktprüfung kann sinnvoll sein, wenn die Anlagenbedingungen einen tatsächlich bekannten Nullflusszustand erlauben.
Eine Nullpunkteinstellung darf jedoch nicht durchgeführt werden, während unbekannter Restdurchfluss vorhanden ist.
Andernfalls kann ein systematischer Fehler entstehen.
16.6 Messwertdämpfung
Eine veränderte Dämpfung oder Mittelwertbildung kann dazu führen, dass der angezeigte Durchfluss nach der Montage ruhiger oder unruhiger erscheint.
Für aussagekräftige Vergleiche müssen diese Einstellungen bekannt sein.
17. Messwerte vor und nach der Neuinstallation vergleichen
Ein sinnvoller Vergleich erfordert möglichst gleiche und nachvollziehbare Betriebsbedingungen.
Der direkte Vergleich zweier einzelner Anzeigewerte ist häufig nicht ausreichend.
17.1 Prozessbedingungen dokumentieren
Vor der Demontage sollten relevante Betriebsdaten erfasst werden.
Dazu gehören beispielsweise Pumpenzustand, Ventilstellungen, Mediumtemperatur und gegebenenfalls vorhandene unabhängige Durchflussreferenzen.
17.2 Messwerte über Zeit erfassen
Statt ausschließlich einen Momentanwert zu betrachten, kann eine Aufzeichnung über einen geeigneten Zeitraum sinnvoll sein.
Dadurch lassen sich zufällige Schwankungen und längerfristige Veränderungen besser beurteilen.
17.3 Gleiche Mittelungsbedingungen
Wenn vor und nach der Montage unterschiedliche Filterzeiten oder Mittelungsintervalle verwendet werden, sind die Werte möglicherweise nicht unmittelbar vergleichbar.
Die Auswertemethode muss daher möglichst identisch sein.
17.4 Vergleich mit unabhängigem Messgerät
Eine zusätzliche geeignete Durchflussreferenz kann helfen, tatsächliche Prozessänderungen von Montageeinflüssen zu unterscheiden.
Allerdings müssen auch die Unsicherheit und die Messbedingungen des Referenzgeräts berücksichtigt werden.
17.5 Unterschiedliche Messorte
Werden Messwerte an verschiedenen Rohrpositionen verglichen, können unterschiedliche Strömungsprofile vorliegen.
Eine Abweichung muss daher nicht auf eine fehlerhafte Sensorankopplung hinweisen.
17.6 Dokumentierte Wiederholmontage
Für wiederkehrende Prüfungen ist ein festgelegter Montage- und Vergleichsablauf hilfreich.
Je weniger Randbedingungen zwischen den Prüfungen verändert werden, desto besser lassen sich die Ergebnisse interpretieren.
18. Messunsicherheit und Montageeinfluss richtig bewerten
Die Messunsicherheit einer Clamp-on-Durchflussmessung hängt nicht nur von der Genauigkeit des Messumformers ab.
Bei der vollständigen Bewertung müssen auch Rohrdaten, Sensormontage, Medium und Strömungsbedingungen berücksichtigt werden.
18.1 Gerätespezifikation
Die Herstellerangaben zur Genauigkeit und Wiederholbarkeit gelten unter den jeweils festgelegten Bedingungen.
Für das SITRANS FS220 nennt ICS beispielsweise eine Genauigkeit von 1 % bei ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit und eine Wiederholbarkeit von 0,25 % gemäß den angegebenen Prüfbedingungen.
Diese Werte sind bei der Bewertung korrekt auf die jeweilige Geräteausführung und Anwendung zu beziehen.
18.2 Rohrabmessungen
Abweichungen des Innendurchmessers wirken direkt auf die berechnete Querschnittsfläche.
Eine fehlerhafte Wanddicke kann zusätzlich die akustische Messgeometrie beeinflussen.
18.3 Montageeinfluss
Veränderungen von Sensorabstand, Koppelmittel, Ausrichtung und Anpressung können zu anderen Messbedingungen führen.
Ihre Auswirkungen sind nicht automatisch in einer allgemeinen Gerätewiederholbarkeitsangabe enthalten.
18.4 Strömungsprofil
Ein asymmetrisches oder zeitlich veränderliches Strömungsprofil kann die Beziehung zwischen akustischer Messung und mittlerem Rohrdurchfluss beeinflussen.
18.5 Mediumeigenschaften
Temperatur, Schallgeschwindigkeit, Gasblasen und andere Mediumeigenschaften können die Messung beeinflussen.
18.6 Langzeitveränderungen
Bei langfristigen Installationen können Alterung des Koppelmittels, Korrosion und Veränderungen der Befestigung relevant werden.
18.7 Gesamtbewertung
Für eine belastbare Messunsicherheitsbewertung müssen die relevanten Einflussgrößen erfasst und anhand eines geeigneten Messmodells berücksichtigt werden.
Die Addition beliebiger Prozentangaben aus verschiedenen Datenblättern ergibt nicht automatisch eine fachgerechte Gesamtmessunsicherheit.
Insbesondere müssen systematische Abweichungen, Wiederholstreuung und die Unsicherheit einer verwendeten Referenz getrennt betrachtet werden.
19. Prozesssicherheit, elektrische Installation und Normen
Auch wenn Clamp-on-Sensoren das Medium nicht berühren, müssen ihre Montage und Verwendung sicher erfolgen.
19.1 Montage ohne Prozessöffnung
Der wesentliche Vorteil der Clamp-on-Technologie besteht darin, dass die Rohrleitung für die Messung nicht geöffnet werden muss.
Dies reduziert bestimmte Risiken eines Eingriffs in druckführende Systeme.
Die äußere Zugänglichkeit einer Rohrleitung bedeutet jedoch nicht automatisch, dass eine Montage ohne weitere Sicherheitsmaßnahmen zulässig ist.
19.2 Heiße Oberflächen
Bei heißen Rohrleitungen müssen die zulässigen Temperaturen von Sensor, Koppelmittel, Befestigung und Kabel berücksichtigt werden.
Darüber hinaus sind geeignete Schutzmaßnahmen gegen Verbrennungen erforderlich.
19.3 Elektrische Sicherheit
Messumformer, Anschlussleitungen und gegebenenfalls erforderliche Erdungs- und Potentialausgleichsverbindungen müssen entsprechend den Herstellerangaben installiert werden.
19.4 Explosionsgefährdete Bereiche
Für bestimmte Ultraschall-Durchflussmesssysteme stehen spezielle Ausführungen für explosionsgefährdete Bereiche zur Verfügung.
Die konkrete Eignung hängt von Sensor, Elektronik, Montageort und zugelassener Gerätekonfiguration ab.
Eine vorhandene Ex-Ausführung eines Systems darf nicht pauschal auf sämtliche Varianten übertragen werden.
19.5 Druck- und Rohrleitungssicherheit
Die Montage darf die mechanische Sicherheit oder den erforderlichen Korrosionsschutz der Rohrleitung nicht beeinträchtigen.
Eine Oberflächenbearbeitung muss deshalb im Rahmen der zulässigen Anlagenverfahren erfolgen.
19.6 Normen und technische Regelwerke
Je nach Anwendung können insbesondere Herstellerangaben und anerkannte Regelwerke für die Durchflussmessung und deren Bewertung relevant sein.
ISO 11631 behandelt die Bewertung von Ultraschall-Durchflussmessgeräten für Flüssigkeiten unter den jeweiligen normativen Anwendungsbedingungen.
Die für eine konkrete Installation geltenden Anforderungen müssen anhand des aktuellen Normenstands und der Herstellerdokumentation geprüft werden.
19.7 Grenzen sicherheitsbezogener Verwendung
Eine plausible Durchflussanzeige oder gute Signalqualität ist kein automatischer Nachweis der Eignung für eine sicherheitsgerichtete Schutzfunktion.
Falls ein Messwert sicherheitsbezogene Aufgaben übernimmt, muss die vollständige Sicherheitsfunktion gesondert ausgelegt und bewertet werden.
20. Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
Für eine reproduzierbare Wiederholmontage empfiehlt sich ein festgelegter Ablauf, der sowohl mechanische als auch messtechnische Prüfungen umfasst.
Die folgenden Schritte beziehen sich auf eine geeignete Clamp-on-Messstelle an einer industriellen Rohrleitung.
- Messaufgabe festlegen: Klären, ob eine Betriebsüberwachung, mobile Prüfung oder quantitativ vergleichbare Wiederholmessung erforderlich ist.
- Vorherige Messdaten sichern: Durchfluss, Diagnosewerte, Rohrparameter und relevante Betriebsbedingungen vor der Demontage dokumentieren.
- Messstelle identifizieren: Ursprüngliche Längs- und Umfangsposition der Sensoren überprüfen.
- Rohrdaten kontrollieren: Außendurchmesser, Wanddicke, Material und gegebenenfalls Innenauskleidung bestätigen.
- Mediumdaten prüfen: Mediumtyp, Temperatur und relevante Stoffeigenschaften mit der Parametrierung vergleichen.
- Sensoren identifizieren: Sensortyp, Sensorgröße, Montageart und erforderliche Halterung überprüfen.
- Montageabstand ermitteln: Den vom Messsystem berechneten Abstand beziehungsweise Montageindex kontrollieren.
- Oberfläche prüfen: Korrosion, lose Beschichtungen, Verschmutzungen und Unebenheiten beurteilen.
- Kontaktfläche vorbereiten: Die vorgesehene Rohroberfläche nach Herstelleranweisung reinigen und vorbereiten.
- Koppelmittel prüfen: Geeigneten und temperaturbeständigen Koppelmitteltyp auswählen.
- Koppelmittel auftragen: Den vorgeschriebenen Auftrag entsprechend der Sensor- und Montageanleitung durchführen.
- Sensoren positionieren: Montageindex, Abstand und Orientierung exakt nach Vorgabe einstellen.
- Befestigung kontrollieren: Sensoren und Haltesystem entsprechend den Herstellerangaben sichern.
- Kabel anschließen: Sensorzuordnung und elektrische Verbindung zum Messumformer überprüfen.
- Parametrierung prüfen: Rohr-, Medien-, Sensor- und Montageparameter mit der tatsächlichen Installation vergleichen.
- Signalqualität beurteilen: Verfügbare Empfangssignal- und Diagnoseinformationen überprüfen.
- Strömungsrichtung kontrollieren: Angezeigte Richtung mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen vergleichen.
- Nullpunkt prüfen: Eine erforderliche Nullpunktkontrolle nur unter geeigneten und tatsächlich bekannten Nullflussbedingungen durchführen.
- Messwerte stabilisieren: Einen geeigneten Beobachtungszeitraum und ein definiertes Auswerteintervall verwenden.
- Vergleichsmessung durchführen: Messwerte unter möglichst identischen beziehungsweise unabhängig erfassten Betriebsbedingungen vergleichen.
- Abweichungen bewerten: Veränderungen von Durchfluss und Signalqualität getrennt untersuchen.
- Montage dokumentieren: Position, Abstand, Koppelmittel, Sensoren, Parameter, Diagnosewerte und Ergebnisse festhalten.
Nach einer Änderung der Sensorposition, des Koppelmittels oder der Rohrparametrierung sollten die jeweils betroffenen Kontrollen erneut durchgeführt werden.
21. Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
Nach einer Wiederholmontage können unterschiedliche Fehler auftreten.
Die Diagnose sollte systematisch von den Rohrdaten über die mechanische Montage bis zur Signalverarbeitung erfolgen.
| Fehlerbild | Mögliche Ursache | Geeignete Diagnose |
|---|---|---|
| Kein Ultraschallsignal nach der Montage | Unzureichende Ankopplung, falscher Sensorabstand oder falsche Sensorzuordnung | Koppelmittel, Montageindex, Ausrichtung und Anschlüsse kontrollieren |
| Signal deutlich schwächer als vor der Demontage | Veränderte Kontaktfläche, Luftspalt oder ungeeignetes Koppelmittel | Kontaktfläche reinigen, Koppelmittel prüfen und Sensoren erneut nach Vorgabe positionieren |
| Durchflussanzeige dauerhaft höher | Falscher Innendurchmesser, geänderte Montageposition oder anderer Prozesszustand | Rohrdaten, Messposition und unabhängige Betriebsdaten vergleichen |
| Durchflussanzeige dauerhaft niedriger | Falsche Parametrierung, veränderte Messgeometrie oder systematischer Montageeinfluss | Rohrdaten, Sensorabstand und akustischen Messweg überprüfen |
| Messwert schwankt stark | Gasblasen, ungünstiges Strömungsprofil, lose Befestigung oder instabile Kopplung | Medium, Prozesszustand, Befestigung und Signalqualität prüfen |
| Signal bricht nur bei hohen Temperaturen ab | Ungeeignetes Koppelmittel oder Temperaturgrenze einer Komponente überschritten | Temperaturbeständigkeit von Koppelmittel, Sensor und Kabel überprüfen |
| Nullpunkt nach Wiederholmontage verändert | Restströmung, Signalstörung oder unzutreffende Nullpunkteinstellung | Tatsächlichen Nullfluss sicherstellen und Einstellungen prüfen |
| Durchflussrichtung wird falsch angezeigt | Vertauschte Sensorzuordnung oder falsche Richtungsparametrierung | Upstream-/Downstream-Anschlüsse und Strömungsrichtung kontrollieren |
| Gute Signalqualität, aber unplausibler Durchfluss | Falsche Rohrdaten oder ungünstiges Strömungsprofil | Querschnitt, Wanddicke und Einlaufbedingungen prüfen |
| Messwerte unterscheiden sich zwischen Montagepositionen | Unterschiedliche Strömungsprofile oder lokale akustische Eigenschaften | Messstellen dokumentieren und unter vergleichbaren Bedingungen untersuchen |
| Wiederholte Montage ergibt unterschiedliche Werte | Streuung der Kopplung, Positionierung oder tatsächlich veränderter Durchfluss | Definiertes Wiederholmontageverfahren mit unabhängiger Prozessreferenz verwenden |
| Signal nach längerer Betriebszeit zunehmend schwach | Alterung des Koppelmittels, veränderte Befestigung oder Oberflächenzustand | Montage und Kopplung prüfen, bei Bedarf nach Herstellervorgabe erneuern |
Die aufgeführten Ursachen sind mögliche Erklärungen und keine eindeutigen Fehlernachweise.
Eine auffällige Durchflussanzeige kann durch mehrere Einflussgrößen gleichzeitig verursacht werden. Deshalb sollte die Diagnose nicht ausschließlich anhand eines einzelnen Signalqualitätswerts erfolgen.
22. Passende ICS-Produkte für Clamp-on-Durchflussmessungen
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Ultraschall-Durchflussmesssysteme für stationäre und mobile Anwendungen an.
Für die Auswahl sind insbesondere Medium, Rohrdimension, Montagebedingungen, gewünschte Messgenauigkeit, Datenaufzeichnung und die erforderliche Wiederholbarkeit relevant.
22.1 Siemens SITRANS FS220 – Stationärer Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser
Der Siemens SITRANS FS220 ist ein stationäres Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssystem für industrielle Flüssigkeitsanwendungen.
Das System besteht aus dem Messumformer SITRANS FST020 und geeigneten FSS200-Clamp-on-Ultraschallsensoren.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Messung nach dem Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren.
- Nicht invasive Installation außen auf der Rohrleitung.
- Einpfad-Messsystem.
- Bidirektionale Durchflussmessung.
- Messgeschwindigkeitsbereich bis ±12 m/s.
- Rohrgrößenbereich von 12,7 mm bis 10 m in geeigneten Ausführungen.
- Messgenauigkeit von 1 % bei Strömungsgeschwindigkeiten ab 0,3 m/s unter den spezifizierten Bedingungen.
- Angegebene Wiederholbarkeit von 0,25 % gemäß den zugehörigen Spezifikationen.
- Grafisches Display und geführte Einrichtungsfunktionen.
- Modbus-RTU-Kommunikation sowie analoge und digitale Ausgänge.
- FSS200-Sensoroptionen einschließlich Universal-, WideBeam- und Hochtemperaturausführungen.
Das FS220 eignet sich besonders für dauerhaft installierte Durchflussmessstellen, bei denen der Prozess nicht für den Einbau eines Inline-Messgeräts geöffnet werden soll.
Bei einer Wiederholmontage sind insbesondere Sensorabstand, Kontaktfläche, Koppelmittel und die korrekte Zuordnung der FSS200-Sensoren relevant.
Die angegebene Wiederholbarkeit beschreibt nicht automatisch die Streuung beliebiger vollständiger Wiederholmontagen.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS FS220 bei ICS Schneider Messtechnik
22.2 Siemens SITRANS FS230 – Clamp-on-Messung für anspruchsvolle Anwendungen
Das Siemens SITRANS FS230 ist ein leistungsfähiges Ultraschall-Durchflussmesssystem für die externe Montage an Rohrleitungen.
Es kombiniert den Messumformer SITRANS FST030 mit geeigneten FSS200-Ultraschallsensoren.
Das System ist für anspruchsvolle industrielle Messaufgaben vorgesehen, bei denen unter anderem hohe Genauigkeit, umfangreiche Diagnosemöglichkeiten oder mehrere Messpfade benötigt werden.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Clamp-on-Messung für geeignete Flüssigkeits- und Gasanwendungen.
- Konfigurationsabhängiger Betrieb mit bis zu vier Messpfaden.
- Digitale Signalverarbeitung mit hoher Aktualisierungsrate.
- Umfangreiche Diagnose- und Servicefunktionen.
- Interne Datenaufzeichnung und Ereignisprotokollierung.
- Bidirektionale Durchflussmessung.
- HART- beziehungsweise Modbus-Kommunikation je nach Konfiguration.
- Geeignete Ausführungen für explosionsgefährdete Bereiche.
- Verwendung unterschiedlicher FSS200-Sensortypen.
Das FS230 ist insbesondere dann interessant, wenn eine einzelne akustische Messstrecke für die geforderte Messaufgabe nicht ausreichend erscheint oder eine umfassendere Analyse der Messbedingungen erforderlich ist.
Bei einer Wiederholmontage können die verfügbaren Diagnose- und Aufzeichnungsfunktionen helfen, veränderte Signalbedingungen zu erkennen.
Die genaue Interpretation richtet sich nach der jeweiligen Systemkonfiguration.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS FS230 bei ICS Schneider Messtechnik
22.3 Siemens SITRANS FS290 – Mobiles Ultraschall-Durchflussmesssystem
Das Siemens SITRANS FS290 ist ein portables Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssystem für temporäre Messungen und Vergleichsprüfungen.
Es besteht aus dem batteriebetriebenen Messumformer SITRANS FST090 und geeigneten FSS220-Clamp-on-Sensoren.
Typische Anwendungen sind:
- Vorübergehende Durchflussmessungen an bestehenden Rohrleitungen.
- Überprüfung stationärer Durchflussmessgeräte.
- Check-Metering und Serviceeinsätze.
- Messstellenbewertung.
- Pumpen- und Anlagenkontrollen.
- Fehlersuche bei unplausiblen Volumenstromwerten.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören die portable Bauform, der Akkubetrieb, geführte Einrichtungsfunktionen und die bidirektionale Messung.
Gerade bei mobilen Messungen werden Sensoren regelmäßig demontiert und erneut installiert.
Deshalb sind eine konsequente Dokumentation der Rohrdaten, der Sensorposition und der Koppelbedingungen besonders wichtig.
Das FS290 kann auch als ergänzendes Messsystem zur Plausibilitätsprüfung einer vorhandenen stationären Durchflussmessung eingesetzt werden.
Weitere Informationen: Siemens SITRANS FS290 bei ICS Schneider Messtechnik
22.4 Portaflow-C – Tragbares Ultraschall-Durchflussmessgerät
Der Portaflow-C ist ein tragbares Ultraschall-Durchflussmessgerät zur externen Messung an gefüllten Flüssigkeitsleitungen.
Das System ist für mobile Prüf- und Vergleichsmessungen vorgesehen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Nicht invasive Messung von außen an bestehenden Rohrleitungen.
- Ultraschall-Laufzeitverfahren.
- Geeignete Sensoren für unterschiedliche Rohrdurchmesser.
- Mobiler Messumformer mit Display.
- Interne Datenaufzeichnung.
- Zubehör für die Sensormontage.
- Geeignetes Koppelgel im dokumentierten mobilen Messpaket.
- Konfigurationsabhängige Zusatzfunktionen für weitere Analysen.
Für wiederkehrende Messungen an unterschiedlichen Rohrleitungen ist die mobile Bauform besonders praktisch.
Allerdings müssen die Rohrparameter und der Montageabstand bei jeder neuen Messstelle korrekt bestimmt werden.
Die Messwerte verschiedener Anlagen dürfen nicht allein aufgrund gleicher Sensortechnik als unmittelbar vergleichbar angesehen werden.
22.5 WIKA FLC-CS4 – Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser
Der WIKA FLC-CS4 ist ein Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser für die nicht invasive Messung geeigneter Prozessflüssigkeiten.
Er ist unter anderem für Anwendungen in Wasser- und Abwasseranlagen, der Prozessindustrie sowie der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik vorgesehen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Messung von zwei unabhängigen Durchflussströmen.
- Clamp-on-Technologie ohne unmittelbaren Kontakt zum Prozessmedium.
- Bidirektionale Messung.
- Narrow-Band High-Speed-Burst-Technologie.
- Integrierter Datenlogger.
- Bedienoberfläche mit Touch- und Gestensteuerung.
- Integrierte WIKA WebApp für Konfigurationsaufgaben.
- Unterschiedliche Geräteausführungen.
Der FLC-CS4 ist besonders interessant, wenn mehrere Flüssigkeitsströme überwacht oder Messdaten umfassend aufgezeichnet werden sollen.
Auch bei diesem Gerät beeinflussen die tatsächlichen Rohr-, Medium- und Montagebedingungen die Aussagekraft der Messwerte.
Die konkrete Neuinstallation muss entsprechend den zugehörigen WIKA-Anweisungen erfolgen.
Weitere Informationen: WIKA FLC-CS4 bei ICS Schneider Messtechnik
22.6 Auswahl einer geeigneten Clamp-on-Messlösung
Für die Auswahl und technische Anfrage sollten mindestens folgende Informationen vorliegen:
- Medium und dessen Zusammensetzung.
- Normale und maximale Mediumtemperatur.
- Rohr-Außendurchmesser.
- Rohrwanddicke.
- Rohrmaterial.
- Gegebenenfalls vorhandene Innenauskleidung.
- Außenbeschichtung und Zustand der Koppelstelle.
- Erwarteter Durchflussbereich.
- Strömungsrichtung und Betriebszustände.
- Verfügbare Einlauf- und Auslaufstrecken.
- Gewünschte Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit.
- Stationäre oder mobile Verwendung.
- Umgebungstemperatur und mechanische Belastungen.
- Erforderliche Schnittstellen und Diagnosefunktionen.
- Gegebenenfalls notwendige Ex-Zulassungen.
- Anforderungen an Kalibrierung und Dokumentation.
Auf dieser Grundlage kann entschieden werden, welches Clamp-on-Messsystem und welche Sensorvariante für die Anwendung geeignet sind.
Zur Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider Messtechnik
23. Fazit: Wiederholbare Messwerte beginnen bei der Montage
Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser ermöglichen eine flexible Durchflussmessung an bestehenden Rohrleitungen, ohne dass die Leitung geöffnet oder ein zusätzliches Bauteil in den Strömungsquerschnitt eingebracht werden muss.
Diese Vorteile machen das Verfahren für stationäre Prozessüberwachung, Energieanlagen, Versorgungsnetze und mobile Vergleichsmessungen besonders attraktiv.
Bei der erneuten Montage der Ultraschallsensoren können sich jedoch die akustischen Messbedingungen verändern.
Eine andere Koppelmittelschicht, ein leicht veränderter Sensorabstand oder eine abweichende Position am Rohr können die empfangenen Ultraschallsignale beeinflussen.
Deshalb sollte eine Wiederholmontage nicht nur als mechanische Befestigungsaufgabe betrachtet werden.
Die genaue Kenntnis der Rohrdaten ist ebenso wichtig. Außendurchmesser, Wanddicke, Rohrmaterial und gegebenenfalls vorhandene Innenauskleidungen bestimmen die berechnete akustische Messgeometrie und den freien Rohrquerschnitt.
Das Rechenbeispiel zeigt, dass bereits eine um 1 mm falsch angenommene Rohrwanddicke bei einem Außendurchmesser von 114,3 mm zu einer rechnerischen Flächenabweichung von etwa 3,84 % führen kann.
Eine solche Abweichung kann sich im vereinfachten Querschnittsmodell unmittelbar auf den Volumenstrom auswirken. Bei der realen Clamp-on-Messung sind zusätzliche Auswirkungen auf den Schallweg zu berücksichtigen.
Die angegebene Gerätewiederholbarkeit darf außerdem nicht mit der Reproduzierbarkeit nach vollständiger Demontage und Wiederanbringung der Sensoren verwechselt werden.
Bei jeder erneuten Montage können zusätzliche Einflüsse durch Kontaktfläche, Koppelmittel, Befestigung und Positionierung auftreten.
Für vergleichbare Ergebnisse empfiehlt sich deshalb ein standardisierter Montageablauf.
Dazu gehören die dokumentierte Messposition, korrekt erfasste Rohrparameter, die Verwendung des vorgesehenen Koppelmittels und die exakte Einstellung des berechneten Sensorabstands.
Nach der Montage sollten zusätzlich die verfügbaren Diagnosewerte geprüft werden.
Ein stabiler Empfang des Ultraschallsignals ist eine wesentliche Voraussetzung für die Messung, ersetzt aber keine Überprüfung der Rohrdaten und der tatsächlichen Strömungsbedingungen.
Besonders bei hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit müssen die Ergebnisse unter geeigneten und nachvollziehbaren Betriebsbedingungen mit einer unabhängigen Referenz oder einem entsprechenden Prüfverfahren bewertet werden.
Die entscheidende Erkenntnis lautet: Eine reproduzierbare Clamp-on-Durchflussmessung entsteht nicht allein durch hochwertige Ultraschallsensoren. Erst die abgestimmte Kombination aus korrekter Rohrparametrierung, definierter Koppelstelle, richtigem Sensorabstand, geeigneter Befestigung und systematischer Diagnose ermöglicht belastbare Vergleichswerte nach einer Wiederholmontage.
24. Häufig gestellte Fragen zur Clamp-on-Wiederholmontage
24.1 Warum zeigt mein Clamp-on-Durchflussmesser nach der Neuinstallation einen anderen Wert?
Nach einer Wiederholmontage können sich Sensorabstand, Koppelmittel, Kontaktfläche und Sensorposition verändert haben. Auch eine andere Ausrichtung zum Strömungsprofil oder geänderte Prozessbedingungen können den Messwert beeinflussen. Deshalb sollten zuerst die Rohrparameter, die Montageposition und die Signalqualität überprüft werden. Eine veränderte Anzeige ist nicht automatisch ein Hinweis auf einen defekten Ultraschallsensor.
24.2 Muss das Koppelmittel bei jeder neuen Montage erneuert werden?
Ob das Koppelmittel erneuert werden muss, hängt von seinem Typ, Zustand und den Herstellerangaben ab. Bei verunreinigten, ausgetrockneten oder beschädigten Koppelmitteln kann eine Erneuerung erforderlich sein. Besonders wichtig ist, dass die vorgesehene akustische Verbindung ohne störende Luftspalte hergestellt wird. Die konkrete Anwendung muss der Montageanleitung des Sensors entsprechen.
24.3 Welches Koppelmittel ist für Clamp-on-Ultraschallsensoren geeignet?
Das geeignete Koppelmittel hängt vom Sensor, der Rohrtemperatur und dem Montageverfahren ab. Je nach Anwendung kommen spezielle Koppelpasten, Gele oder dafür vorgesehene trockene Koppelmaterialien infrage. Nicht jedes Koppelmittel ist für hohe Temperaturen oder alle Sensorvarianten geeignet. Deshalb müssen die Herstellerfreigaben berücksichtigt werden.
24.4 Kann zu viel Koppelmittel die Messung verschlechtern?
Ein übermäßiger oder ungleichmäßiger Auftrag ist nicht automatisch vorteilhaft. Entscheidend ist eine geeignete, möglichst luftspaltfreie akustische Verbindung zwischen Sensor und Rohr. Je nach Sensorkonstruktion sind bestimmte Auftragsformen vorgeschrieben. Die Menge und Verteilung sollten deshalb nicht nach Belieben verändert werden.
24.5 Wie wird der richtige Sensorabstand bei Clamp-on-Ultraschall bestimmt?
Der erforderliche Sensorabstand wird anhand von Rohrdurchmesser, Wanddicke, Rohrmaterial, Medium, Sensortyp und Montageart bestimmt. Bei geeigneten Siemens-SITRANS-Systemen berechnet der Messumformer die erforderliche Anordnung und den Montageabstand beziehungsweise einen Montageindex. Dieser muss korrekt auf das verwendete Haltesystem übertragen werden.
24.6 Kann ich den bisherigen Sensorabstand einfach wieder verwenden?
Das ist nur sinnvoll, wenn die relevanten Rohr-, Sensor- und Montageparameter unverändert geblieben sind und die ursprüngliche Einstellung korrekt war. Werden beispielsweise Wanddicke, Sensortyp oder Montageart verändert, muss der Abstand erneut überprüft werden. Eine dokumentierte Montageschiene kann die Wiederherstellung der bisherigen Position erleichtern.
24.7 Wie genau muss der Sensorabstand eingestellt werden?
Die erforderliche Genauigkeit der Positionierung hängt von Sensorbauform, Messprinzip und Montagevorrichtung ab. Maßgeblich sind die Vorgaben des Herstellers. Bei geeigneten Montageschienen können definierte Indexpositionen verwendet werden. Ein allgemein gültiger Abstandstoleranzwert für alle Clamp-on-Systeme lässt sich nicht angeben.
24.8 Was ist der Unterschied zwischen Wiederholbarkeit und Wiederholmontage?
Die Gerätewiederholbarkeit beschreibt die Streuung wiederholter Messungen unter festgelegten Bedingungen. Bei einer vollständigen Wiederholmontage werden die Sensoren dagegen abgenommen und erneut positioniert. Dadurch kommen zusätzliche Einflüsse wie Koppelmittel, Ausrichtung, Kontaktfläche und Befestigung hinzu. Die Gerätewiederholbarkeit ist deshalb nicht automatisch identisch mit der Streuung nach mehreren Neuinstallationen.
24.9 Warum kann eine falsche Rohrwanddicke große Durchflussfehler verursachen?
Die Rohrwanddicke beeinflusst den berechneten Innendurchmesser und damit die Querschnittsfläche. Zusätzlich beeinflusst sie den akustischen Schallweg des Clamp-on-Messsystems. Bereits eine kleine Änderung des Innendurchmessers kann aufgrund des quadratischen Zusammenhangs zwischen Durchmesser und Fläche eine größere relative Flächenabweichung verursachen.
24.10 Muss die Rohrleitung für eine Clamp-on-Messung vollständig gefüllt sein?
Für übliche Clamp-on-Laufzeitmessungen an Flüssigkeitsleitungen muss der vorgesehene akustische Messweg vollständig und zuverlässig durch das Medium führen. Teilgefüllte Rohrleitungen können Signalverluste oder unplausible Messwerte verursachen. Ob ein spezielles Messverfahren mit anderen Bedingungen geeignet ist, muss anhand des jeweiligen Geräts geprüft werden.
24.11 Kann ein Clamp-on-Sensor auf einer lackierten Rohrleitung montiert werden?
Das hängt vom Zustand und den akustischen Eigenschaften der Beschichtung sowie von den Herstellervorgaben ab. Eine fest haftende und geeignete Beschichtung muss nicht immer vollständig entfernt werden. Lose Farbe, Rost, Luftspalte und starke Unebenheiten können dagegen die Ankopplung beeinträchtigen. Die konkrete Kontaktstelle muss bewertet und entsprechend vorbereitet werden.
24.12 Welche Rolle spielt die Sensorposition am Rohrumfang?
Die Umfangsposition beeinflusst die Lage des akustischen Messwegs. Bei horizontalen Rohrleitungen können sich beispielsweise Gasansammlungen oben und Ablagerungen unten befinden. Eine geeignete seitliche Montage kann diese Einflüsse reduzieren. Die tatsächliche Orientierung muss zur gewählten Messanordnung und zu den Herstellerangaben passen.
24.13 Wie beeinflussen Luftblasen die Clamp-on-Ultraschallmessung?
Luftblasen besitzen andere akustische Eigenschaften als die umgebende Flüssigkeit und können die Schallausbreitung stören. Je nach Größe, Konzentration und eingesetztem Ultraschallverfahren können die Signalqualität und der Durchflusswert beeinflusst werden. Bestimmte Sensorvarianten sind für anspruchsvollere Medienbedingungen optimiert, aber nicht grundsätzlich unempfindlich gegenüber beliebigem Gasgehalt.
24.14 Was bedeutet eine schlechte Signalqualität nach der Montage?
Eine schlechte Signalqualität kann beispielsweise auf unzureichendes Koppelmittel, Luftspalte, eine falsche Sensorposition, unpassende Rohrparameter oder ungünstige Medienbedingungen hinweisen. Die Diagnose sollte die gesamte akustische Messstrecke umfassen. Eine bloße Erhöhung der Messwertdämpfung beseitigt die zugrunde liegende Ursache nicht.
24.15 Ist eine starke Ultraschall-Signalqualität ein Beweis für die richtige Durchflussmessung?
Nein. Eine gute Signalqualität ist wichtig für die zuverlässige Erfassung der Laufzeiten. Sie garantiert jedoch nicht automatisch einen richtigen Volumenstromwert. Falsche Rohrabmessungen, ein unpassendes Mediumsmodell oder ein ungünstiges Strömungsprofil können trotz stabilem Ultraschallsignal systematische Messabweichungen verursachen.
24.16 Sollte nach jeder Neuinstallation eine Nullpunkteinstellung durchgeführt werden?
Eine Nullpunkteinstellung ist nicht automatisch nach jeder Wiederholmontage erforderlich. Sie muss entsprechend den Herstellerangaben und der konkreten Messaufgabe beurteilt werden. Wenn eine Nullpunktprüfung durchgeführt wird, muss ein tatsächlich bekannter Nullflusszustand vorliegen. Eine Einstellung bei unbekanntem Restdurchfluss kann zu einem systematischen Fehler führen.
24.17 Wie kann die Wiederholbarkeit nach einer Sensor-Neumontage geprüft werden?
Eine geeignete Prüfung verwendet einen dokumentierten Montageablauf und möglichst konstante beziehungsweise unabhängig überwachte Prozessbedingungen. Die Sensoren werden entsprechend dem Prüfplan wiederholt montiert und die Messwerte sowie Diagnoseinformationen erfasst. Anschließend wird die Streuung der Ergebnisse bewertet. Diese Prüfung beschreibt die betrachtete Wiederholmontage unter den festgelegten Bedingungen und ist nicht automatisch mit der Herstellerangabe zur Gerätewiederholbarkeit gleichzusetzen.
24.18 Welches Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmessgerät eignet sich für wiederholte Montagen?
Für stationäre Flüssigkeitsmessungen kann beispielsweise das Siemens SITRANS FS220 geeignet sein. Für anspruchsvollere Anwendungen und mehrere Messpfade steht das SITRANS FS230 zur Verfügung. Für mobile Prüfungen und wiederkehrende Montage an unterschiedlichen Rohrleitungen sind Geräte wie das SITRANS FS290 oder der Portaflow-C interessant. Entscheidend sind Rohrdimension, Medium, Temperatur, Messgenauigkeit, gewünschte Dokumentation und die konkrete Montageausführung.