Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser ist laut Datenblatt für Flüssigkeiten ab 5 µS/cm geeignet. Das tatsächlich geförderte Medium besitzt eine Leitfähigkeit von etwa 7 µS/cm. Trotzdem schwankt der angezeigte Durchfluss stärker als erwartet und fällt zeitweise auf Null. Ist der MID defekt oder reicht die Leitfähigkeit in der Praxis doch nicht aus?
Die Angabe einer Mindestleitfähigkeit beschreibt zunächst die Grenze, innerhalb derer der Hersteller das Messprinzip beziehungsweise das konkrete Gerät spezifiziert. Sie bedeutet jedoch nicht, dass eine Anwendung unmittelbar oberhalb dieses Grenzwertes automatisch genauso robust arbeitet wie eine Messung bei 100 oder 500 µS/cm.
Je kleiner die elektrische Leitfähigkeit des Mediums wird, desto anspruchsvoller wird die Erfassung der sehr kleinen induzierten Messspannung an den Elektroden. Elektrodenbenetzung, Potenzialausgleich, elektrische Störungen, Beläge, Luftblasen und bei getrennt montierten Systemen auch die Kabelbedingungen gewinnen dadurch an Bedeutung.
Bei einem MID im Bereich der Mindestleitfähigkeit sollte deshalb nicht nur geprüft werden, ob der Zahlenwert gerade noch oberhalb der Datenblattgrenze liegt. Ebenso wichtig sind stabiler Elektrodenkontakt, vollständige Rohrfüllung, saubere Erdung beziehungsweise Potenzialführung und eine für die Leitfähigkeit geeignete Sensor-Messumformer-Verbindung.
Warum braucht ein MID ein leitfähiges Medium?
Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser arbeitet nach dem Faradayschen Induktionsprinzip. Im Messrohr wird ein Magnetfeld erzeugt. Bewegt sich eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit durch dieses Magnetfeld, entsteht eine elektrische Spannung.
Vereinfacht gilt:
U ∝ B × v × D
Dabei stehen:
Ufür die an den Elektroden gemessene Spannung,Bfür die magnetische Flussdichte,vfür die mittlere Strömungsgeschwindigkeit undDfür den wirksamen Rohrdurchmesser.
Die Messelektroden nehmen die induzierte Spannung aus der Flüssigkeit auf. Damit dieses elektrische Signal zuverlässig übertragen werden kann, muss das Medium eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen.
Nichtleitende Medien wie viele Mineralöle, Kohlenwasserstoffe oder organische Lösungsmittel eignen sich deshalb grundsätzlich nicht für einen klassischen MID.
Was bedeutet Mindestleitfähigkeit?
Die Mindestleitfähigkeit ist eine gerätespezifische technische Grenze. Sie beschreibt, ab welcher elektrischen Leitfähigkeit das Messsystem entsprechend der Herstellerspezifikation betrieben werden kann.
Beim Siemens SITRANS FMS500 wird für die Kompaktmontage beispielsweise angegeben:
Leitfähigkeit ≥ 5 µS/cm
Das bedeutet: Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit unterhalb dieses Wertes liegen außerhalb der dafür angegebenen Betriebsbedingungen.
Diese Grenze darf jedoch nicht mit einer universellen MID-Grenze verwechselt werden. Andere Geräte können beispielsweise 20 µS/cm, 50 µS/cm oder andere Mindestwerte benötigen.
| Leitfähigkeit | Beispielhafte Bewertung bei einem für ≥ 5 µS/cm spezifizierten MID |
|---|---|
200 µS/cm |
Deutlich oberhalb der Mindestanforderung |
50 µS/cm |
Typischerweise unkritischer Bereich |
10 µS/cm |
Nahe der unteren Spezifikationsgrenze |
5 µS/cm |
Spezifizierte Untergrenze des Beispiels |
2 µS/cm |
Außerhalb dieser Gerätespezifikation |
Warum wird die Messung nahe der Mindestleitfähigkeit empfindlicher?
Ein MID verarbeitet eine vergleichsweise kleine elektrische Messspannung. Je schlechter das Medium leitet, desto anspruchsvoller wird die Übertragung dieses Signals zwischen Flüssigkeit und Messelektroden.
Störgrößen, die bei einem gut leitenden Medium kaum auffallen, können deshalb im unteren Leitfähigkeitsbereich deutlich stärker sichtbar werden.
Dazu gehören beispielsweise:
- elektrische Störspannungen,
- instabiler Elektrodenkontakt,
- Luftblasen an der Elektrode,
- Ablagerungen auf der Elektrodenoberfläche,
- ungünstiger Potenzialausgleich,
- hohe Kabelkapazitäten bei Getrenntmontage.
Ein Messwert knapp oberhalb der Mindestleitfähigkeit sollte deshalb nicht automatisch als gleichermaßen robust betrachtet werden wie eine Anwendung mit deutlich höherer Leitfähigkeit.
Welche Rolle spielt der Elektrodenkontakt?
Die Elektroden bilden die elektrische Verbindung zwischen dem Medium und der Eingangsschaltung des Messumformers.
Damit das Messsignal zuverlässig übertragen werden kann, muss die Elektrode einen stabilen elektrischen Kontakt zur Flüssigkeit besitzen.
Problematisch können beispielsweise sein:
- isolierende Ablagerungen,
- Beschichtungen auf der Elektrodenoberfläche,
- Gasblasen direkt an der Elektrode,
- teilweise trockenliegende Elektroden,
- chemische Veränderungen der Elektrodenoberfläche.
Bei hoher Leitfähigkeit kann ein leichter Belag möglicherweise noch wenig auffallen. Im Grenzbereich der Leitfähigkeit kann derselbe zusätzliche Übergangswiderstand die Signalqualität jedoch deutlich stärker beeinflussen.
Warum müssen die Elektroden vollständig benetzt sein?
Ein klassischer Inline-MID ist für ein vollständig gefülltes Messrohr vorgesehen. Die Elektroden müssen permanent Kontakt mit der leitfähigen Flüssigkeit besitzen.
Gerät eine Luftblase zwischen Elektrode und Medium, wird die elektrische Signalübertragung unterbrochen oder stark verändert.
Typische Ursachen sind:
- teilweise gefüllte Rohrleitungen,
- Lufteintrag durch Pumpen,
- Ausgasen des Mediums,
- ungünstige Einbaulage,
- Betrieb direkt hinter Ventilen beziehungsweise Pumpen.
Besonders bei schwach leitfähigen Medien kann ein intermittierender Elektrodenkontakt einen unruhigen beziehungsweise zeitweise ausfallenden Messwert erzeugen.
Warum werden Erdung und Potenzialausgleich wichtiger?
Der MID misst eine kleine elektrische Spannung innerhalb der Flüssigkeit. Deshalb muss das elektrische Potenzial des Mediums gegenüber dem Messsystem eindeutig definiert sein.
Je nach Gerät, Rohrwerkstoff und Einbau können dafür:
- Erdungselektroden,
- Erdungsringe,
- Potenzialausgleichsleitungen oder
- entsprechende leitfähige Prozessanschlüsse
verwendet werden.
Fehlt der Potenzialausgleich oder gelangen Fremdspannungen in die Flüssigkeit, können Offset, Rauschen oder stark schwankende Messwerte entstehen.
Gerade im unteren Leitfähigkeitsbereich ist deshalb eine saubere elektrische Installation besonders wichtig.
Einfluss der Kabellänge bei Getrenntmontage
Bei einer Kompaktausführung sitzt der Messumformer direkt am Messaufnehmer. Bei einer getrennten Ausführung werden die Elektrodensignale dagegen über ein Kabel zum Messumformer übertragen.
Diese Verbindung wird bei sehr kleiner Leitfähigkeit zunehmend relevant.
Beim SITRANS FMS500 hängt die zulässige Kabellänge bei Getrenntmontage ausdrücklich von der Leitfähigkeit des Mediums und vom verwendeten Elektrodenkabel ab. Für besonders geringe Leitfähigkeiten steht ein spezielles Elektrodenkabel zur Verfügung.
Das bedeutet praktisch:
Die Aussage „Der Sensor kann ab 5 µS/cm messen“ reicht bei einer getrennten Installation nicht allein aus. Zusätzlich muss geprüft werden, ob Leitfähigkeit und tatsächliche Signalkabellänge miteinander kompatibel sind.
Eine Kompaktmontage kann deshalb bei extrem niedriger Leitfähigkeit messtechnisch robuster sein als eine unnötig lange getrennte Sensorleitung.
Mindestleitfähigkeit und Leerrohrerkennung nicht verwechseln
Viele moderne MID besitzen zusätzlich eine Leerrohrerkennung. Dabei versucht die Elektronik zu erkennen, ob die Messelektroden ausreichend Kontakt zur Flüssigkeit besitzen.
Die Voraussetzungen für diese Diagnosefunktion müssen jedoch nicht identisch mit der Mindestleitfähigkeit für die eigentliche Durchflussmessung sein.
Das bedeutet:
Ein MID kann unter bestimmten Bedingungen noch Durchfluss messen, während eine zusätzliche Elektroden- beziehungsweise Leerrohrdiagnose bereits weniger zuverlässig arbeitet oder andere Mindestanforderungen besitzt.
Welche Leitfähigkeit für die jeweilige Diagnosefunktion benötigt wird, ist deshalb gerätespezifisch zu prüfen.
Eine ausgefallene Leerrohrdiagnose bedeutet somit nicht automatisch, dass auch die eigentliche Durchflussmessung bereits außerhalb ihrer Spezifikation liegt – und umgekehrt.
Welche Medien liegen häufig im kritischen Bereich?
Sehr niedrige Leitfähigkeiten treten vor allem bei stark gereinigten beziehungsweise ionenarmen Flüssigkeiten auf.
Typische Beispiele können sein:
- demineralisiertes Wasser,
- teilentsalztes Wasser,
- VE-Wasser,
- bestimmte Kondensate,
- bestimmte organisch-wässrige Mischungen,
- hochreine Prozesswässer.
Bei Reinstwasser kann die Leitfähigkeit sogar deutlich unterhalb der Mindestanforderung klassischer MID liegen. In diesem Fall sollte nicht versucht werden, die Messung lediglich durch Parametrierung „empfindlicher“ zu machen.
Liegt das Medium physikalisch außerhalb der spezifizierten Leitfähigkeit, ist ein anderes Messprinzip zu prüfen.
Wie äußert sich zu geringe Leitfähigkeit im Messsignal?
Eine zu geringe beziehungsweise grenzwertige Leitfähigkeit muss nicht immer zu einem klaren vollständigen Messausfall führen.
Mögliche Symptome sind:
| Beobachtung | Mögliche Ursache |
|---|---|
| Messwert schwankt stark | Schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis, Elektrodenkontakt oder Störung |
| Durchfluss springt zeitweise auf Null | Signalverlust, Leerrohrdiagnose oder instabiler Elektrodenkontakt |
| Messwert reagiert ungewöhnlich langsam | Starke interne Filterung zur Beruhigung eines instabilen Signals |
| Messung funktioniert nur bei höherer Leitfähigkeit | Medium liegt nahe beziehungsweise unter der Geräteanforderung |
| Getrennte Ausführung instabil, kompakte Ausführung stabil | Kabelbedingungen können relevant sein |
Ein instabiles Signal beweist allerdings nicht automatisch eine zu niedrige Leitfähigkeit. Luftblasen, schlechte Erdung, unvollständige Rohrfüllung oder elektrische Störungen können ähnliche Symptome verursachen.
Praxisbeispiel: VE-Wasser mit 7 µS/cm
Ein SITRANS FMS500 wird zur Durchflussmessung von aufbereitetem Wasser eingesetzt. Die Leitfähigkeit liegt im normalen Betrieb zwischen:
6 und 9 µS/cm
Der Sensor ist kompakt montiert und grundsätzlich für Flüssigkeiten ab 5 µS/cm spezifiziert.
Im Normalbetrieb zeigt der MID einen plausiblen Durchflusswert. Sporadisch beginnt die Anzeige jedoch stark zu schwanken.
Zunächst wird vermutet, dass die Leitfähigkeit allein zu niedrig sei. Eine Prüfung zeigt jedoch, dass gleichzeitig kleine Luftblasen im oberen Bereich des Messrohres auftreten. Durch die Einbaulage gelangen diese teilweise an die Elektroden.
Nach Änderung der Rohrführung bleibt das Messrohr vollständig gefüllt und die Elektroden werden dauerhaft benetzt. Das Signal wird deutlich stabiler.
Die Leitfähigkeit von etwa 7 µS/cm hat sich nicht verändert.
Das Beispiel zeigt: Gerade im Bereich der Mindestleitfähigkeit kann eine zusätzliche ungünstige Einbaubedingung darüber entscheiden, ob eine Messung stabil oder unzuverlässig arbeitet.
MID bei instabilem Signal systematisch prüfen
- Aktuelle Leitfähigkeit des Mediums bestimmen.
- Mindestleitfähigkeit des konkreten MID prüfen.
- Bei Getrenntmontage zulässige Kabellänge für diese Leitfähigkeit kontrollieren.
- Sicherstellen, dass das Messrohr vollständig gefüllt ist.
- Elektrodenlage und dauerhafte Benetzung prüfen.
- Luftblasen beziehungsweise Zweiphasenströmung ausschließen.
- Elektroden auf Ablagerungen kontrollieren.
- Potenzialausgleich und Erdung prüfen.
- Elektrische Störquellen in der Umgebung untersuchen.
- Diagnosewerte des Messumformers auswerten.
- Filter- beziehungsweise Dämpfungseinstellungen nicht vorschnell erhöhen.
- Bei weiterhin instabilem Verhalten prüfen, ob ein anderes Messprinzip geeigneter ist.
Wann ist ein anderes Messprinzip sinnvoll?
Liegt die Leitfähigkeit dauerhaft unterhalb der Herstellerspezifikation, sollte ein MID nicht allein deshalb eingesetzt werden, weil das Medium grundsätzlich eine Flüssigkeit ist.
Je nach Anwendung können andere Messprinzipien infrage kommen, beispielsweise:
- Coriolis-Massedurchflussmessung,
- Ultraschall-Durchflussmessung,
- Ovalrad- beziehungsweise Verdrängermessung,
- andere mechanische Durchflussprinzipien.
Welches Verfahren geeignet ist, hängt zusätzlich von Viskosität, Druck, Temperatur, Rohrdurchmesser, Genauigkeitsanforderung und verfügbarem Einbauraum ab.
Ein Wechsel des Messprinzips ist häufig sinnvoller als der Versuch, einen MID dauerhaft außerhalb seiner elektrischen Einsatzgrenze zu betreiben.
Häufige Fehler
- Eine allgemeine MID-Mindestleitfähigkeit annehmen: Der Grenzwert ist gerätespezifisch.
- 5 µS/cm als garantierten Komfortbereich interpretieren: Eine spezifizierte Untergrenze ist nicht automatisch mit großen Signalreserven verbunden.
- Elektrodenkontakt ignorieren: Luftblasen oder Ablagerungen können bei geringer Leitfähigkeit besonders problematisch sein.
- Mindestleitfähigkeit und Leerrohrerkennung gleichsetzen: Diagnosefunktionen können andere Anforderungen besitzen.
- Getrenntmontage wie Kompaktmontage behandeln: Bei niedriger Leitfähigkeit kann die zulässige Kabellänge eingeschränkt sein.
- Signal einfach stärker dämpfen: Eine hohe Dämpfung macht einen unzureichenden Elektrodenkontakt nicht physikalisch besser.
- Erdung nicht prüfen: Fremdpotenziale können das schwache Elektrodensignal deutlich beeinflussen.
- Nur den Zahlenwert der Leitfähigkeit betrachten: Rohrfüllung, Luftblasen, Elektrodenzustand und Montage gehören ebenfalls zur Diagnose.
- Reinstwasser grundsätzlich mit einem MID messen wollen: Sehr hochreines Wasser kann deutlich unterhalb der benötigten Leitfähigkeit liegen.
SITRANS FMS500 und FMT020 für leitfähige Flüssigkeiten
Ein aktueller magnetisch-induktiver Messaufnehmer für Wasser- und Prozessanwendungen ist der Siemens SITRANS FMS500. In Kompaktmontage ist er für Flüssigkeiten mit einer elektrischen Leitfähigkeit ab 5 µS/cm ausgelegt. Bei Getrenntmontage muss zusätzlich die Abhängigkeit zwischen Mediumleitfähigkeit und Signalkabellänge berücksichtigt werden.
Der FMS500 besitzt integrierte Erdungselektroden und ist mit unterschiedlichen Auskleidungen für Wasser-, Trinkwasser- und weitere Anwendungen erhältlich.
In Verbindung mit dem SITRANS FMT020 entsteht das Durchflussmesssystem SITRANS FM520. Der FMT020 erfasst neben Volumenstrom und Fließgeschwindigkeit auch die elektrische Leitfähigkeit des Mediums. Dadurch steht bei Anwendungen nahe der unteren Leitfähigkeitsgrenze eine zusätzliche wichtige Diagnosegröße zur Verfügung. :contentReference[oaicite:2]{index=2}
Der Messumformer bietet außerdem Diagnosefunktionen wie Leerrohrüberwachung und Geräteselbsttest sowie HART, PROFINET, EtherNet/IP beziehungsweise Modbus RTU je nach Ausführung.
Passende Geräte finden Sie unter magnetisch-induktive Durchflussmesser bei ICS Schneider. Weitere Informationen finden Sie beim SITRANS FMS500 Sensor und beim SITRANS FMT020 Messumformer.
Fazit
Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser benötigt ein elektrisch leitfähiges Medium. Die erforderliche Mindestleitfähigkeit ist dabei keine universelle Eigenschaft des Messprinzips, sondern muss für das konkrete Gerät geprüft werden.
Beim SITRANS FMS500 liegt diese Grenze in Kompaktmontage beispielsweise bei 5 µS/cm. Gerade nahe dieser Grenze werden jedoch gute Einbaubedingungen besonders wichtig.
Elektroden müssen vollständig benetzt und frei von isolierenden Ablagerungen sein. Das Messrohr muss vollständig gefüllt bleiben. Potenzialausgleich und Erdung müssen stimmen und elektrische Störspannungen sollten möglichst vermieden werden.
Bei getrennten Sensor-Messumformer-Systemen kommt zusätzlich die Signalkabellänge hinzu. Je kleiner die Leitfähigkeit, desto stärker kann die zulässige Entfernung zwischen Sensor und Messumformer eingeschränkt sein.
Für eine stabile MID-Messung bei geringer Leitfähigkeit gilt deshalb: zuerst die gerätespezifische Mindestleitfähigkeit prüfen, anschließend Elektrodenkontakt, Rohrfüllung, Erdung und Kabelbedingungen kontrollieren und einen instabilen Messwert nicht vorschnell allein dem Durchflusssensor zuschreiben.
FAQ: MID bei geringer Leitfähigkeit
Warum benötigt ein MID ein leitfähiges Medium?
Die durch die Bewegung der Flüssigkeit im Magnetfeld erzeugte elektrische Spannung wird über Elektroden aus dem Medium aufgenommen. Ohne ausreichende elektrische Leitfähigkeit kann dieses Signal nicht zuverlässig erfasst werden.
Wie hoch muss die Mindestleitfähigkeit für einen MID sein?
Das hängt vom konkreten Gerät ab. Typische Werte liegen je nach Bauart beispielsweise bei 5, 20 oder mehr µS/cm. Maßgeblich ist immer die Herstellerspezifikation.
Welche Mindestleitfähigkeit benötigt der SITRANS FMS500?
Für die Kompaktmontage gibt Siemens Flüssigkeiten mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 5 µS/cm an.
Funktioniert ein MID bei genau 5 µS/cm automatisch stabil?
Nicht zwangsläufig unter jeder Einbaubedingung. Der Wert beschreibt die Gerätespezifikation. Nahe der unteren Grenze gewinnen Elektrodenbenetzung, Erdung, Störungen und bei Getrenntmontage die Kabellänge an Bedeutung.
Warum können Luftblasen die Messung bei niedriger Leitfähigkeit besonders stark stören?
Gas ist gegenüber der leitfähigen Flüssigkeit praktisch isolierend. Liegt eine Luftblase an einer Messelektrode, wird der elektrische Kontakt zwischen Elektrode und Medium stark beeinträchtigt.
Können verschmutzte Elektroden ein instabiles MID-Signal verursachen?
Ja. Isolierende oder schlecht leitende Ablagerungen erhöhen den Übergangswiderstand zwischen Medium und Elektrode und können dadurch besonders bei schwach leitenden Flüssigkeiten problematisch werden.
Spielt die Erdung bei geringer Leitfähigkeit eine größere Rolle?
Ja. Da das nutzbare Elektrodensignal klein ist, können Fremdpotenziale und elektrische Störungen stärker ins Gewicht fallen. Ein korrekter Potenzialausgleich ist deshalb besonders wichtig.
Warum beeinflusst die Kabellänge eine getrennte MID-Installation?
Das kleine Elektrodensignal muss über das Kabel zum Messumformer übertragen werden. Kabelkapazität und Störungen wirken sich bei geringer Mediumleitfähigkeit stärker aus, weshalb Hersteller abhängig von Leitfähigkeit und Kabeltyp maximale Längen vorgeben.
Ist die Mindestleitfähigkeit für die Leerrohrerkennung immer dieselbe?
Nein. Die Anforderungen einer zusätzlichen Leerrohr- oder Elektrodenkontakt-Diagnose können sich von der Mindestleitfähigkeit für die eigentliche Durchflussmessung unterscheiden.
Eignet sich ein MID für Reinstwasser?
Nur wenn die tatsächliche Leitfähigkeit des Wassers oberhalb der Mindestanforderung des konkreten Gerätes liegt. Sehr hochreines Wasser kann so schlecht leitfähig sein, dass ein klassischer MID nicht geeignet ist.
Was kann man tun, wenn die Leitfähigkeit dauerhaft zu niedrig ist?
Dann sollte ein alternatives Durchflussmessprinzip geprüft werden, beispielsweise Coriolis oder Ultraschall, abhängig von Medium, Rohrgröße und Genauigkeitsanforderung.
Welches konkrete MID-System eignet sich für niedrige Leitfähigkeiten?
Ein Beispiel ist der Siemens SITRANS FMS500 in Verbindung mit dem SITRANS FMT020. Der FMS500 ist in Kompaktmontage für Medien ab 5 µS/cm spezifiziert, während der FMT020 zusätzlich die elektrische Leitfähigkeit als Diagnosegröße erfassen kann.