Magnetisch-induktive Durchflussmesser gelten als robuste und wartungsarme Messgeräte für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten. Sie besitzen keine beweglichen Teile im Strömungsquerschnitt, verursachen nur einen geringen zusätzlichen Druckverlust und können abhängig von Auskleidung und Elektrodenwerkstoff in Wasser, Abwasser, Chemikalien, Schlämmen und zahlreichen Prozessmedien eingesetzt werden.
Trotzdem zeigen MID-Messstellen in der Praxis gelegentlich schwankende Durchflusswerte, einen unruhigen Nullpunkt oder scheinbaren Durchfluss bei stillstehender Flüssigkeit. Häufig wird dann zunächst der Messumformer, die Parametrierung oder die Kalibrierung verdächtigt. Die tatsächliche Ursache liegt jedoch oft in einem fehlenden oder ungeeigneten Potenzialausgleich.
Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser wertet eine sehr kleine elektrische Spannung zwischen seinen Messelektroden aus. Damit dieses Signal zuverlässig erfasst werden kann, müssen Messstoff, Messaufnehmer und Messumformer ein definiertes elektrisches Bezugspotenzial besitzen. Entstehen zwischen Rohrleitung, Flüssigkeit und Messgerät unkontrollierte Potenzialunterschiede, können Störspannungen das eigentliche Durchflusssignal überlagern.
Das Problem tritt besonders häufig bei Kunststoffrohren, innen beschichteten Metallleitungen, isolierenden Flanschdichtungen, kathodisch geschützten Rohrleitungen und getrennt montierten Messumformern auf. Auch Frequenzumrichter, Motorleitungen, Pumpen und fehlerhaft angeschlossene Kabelschirme können zusätzliche Störungen verursachen.
Erdungsringe, integrierte Erdungselektroden und Potenzialausgleichsbänder erfüllen dabei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Aufgaben. Sie stellen einen definierten elektrischen Kontakt zum Medium her, gleichen Potenzialunterschiede aus und leiten Störströme möglichst außerhalb des empfindlichen Messbereichs ab.
Eine allgemeine Standardlösung für jeden MID existiert jedoch nicht. Die richtige Ausführung hängt vom Messgerät, Rohrwerkstoff, der Auskleidung, dem Medium, dem Explosionsschutz, einer möglichen kathodischen Schutzanlage und den Vorgaben des Herstellers ab.
Dieser Beitrag erklärt das Messprinzip eines MID, die Aufgabe des Potenzialausgleichs und die Unterschiede zwischen metallischer Rohrleitung, Kunststoffrohr und ausgekleideter Rohrleitung. Außerdem wird gezeigt, wann Erdungsringe notwendig sind, welche Fehler bei Kabelschirmung und EMV auftreten und wie sich eine instabile Messstelle systematisch untersuchen lässt.
Inhaltsverzeichnis
- Warum die Erdung bei einem MID die Messung beeinflusst
- Wie ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser arbeitet
- Warum das Medium elektrisch leitfähig sein muss
- Wie klein das elektrische Messsignal ist
- Was Potenzialausgleich bei einem MID bedeutet
- Schutzerdung und funktionale Erdung unterscheiden
- Wie Störspannungen die Durchflussmessung beeinflussen
- MID in metallischen Rohrleitungen erden
- MID in Kunststoffrohren erden
- Innen ausgekleidete Metallrohre richtig bewerten
- Aufgabe und Aufbau von Erdungsringen
- Integrierte Erdungselektrode oder Erdungsring?
- Werkstoff der Erdungsringe auswählen
- Erdungsringe fachgerecht montieren
- Flanschdichtungen und isolierende Beschichtungen
- Kathodisch geschützte Rohrleitungen
- Potenzialausgleich im explosionsgefährdeten Bereich
- Kompakte und getrennte MID-Ausführung
- Kabelschirmung bei getrenntem Messumformer
- EMV, Frequenzumrichter und Motorleitungen
- 4–20 mA, Impuls- und digitale Ausgänge
- Vollständig gefülltes Messrohr sicherstellen
- Einbaulage der Messelektroden
- Ablagerungen und Elektrodenbeläge
- Niedrige Leitfähigkeit und unruhige Messwerte
- Nullpunkt und Schleichmengen richtig bewerten
- Systematische Fehlersuche bei instabilen MID-Messwerten
- Welche elektrischen Prüfungen sinnvoll sind
- Typische Erdungs- und Installationsfehler
- Praxisbeispiel: Schwankender MID in einer Kunststoffleitung
- Welche Angaben für die Auslegung benötigt werden
- Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen zur Erdung magnetisch-induktiver Durchflussmesser
Warum die Erdung bei einem MID die Messung beeinflusst
Bei vielen elektrischen Geräten wird unter Erdung in erster Linie eine Schutzmaßnahme verstanden. Ein metallisches Gehäuse wird mit dem Schutzleiter verbunden, damit im Fehlerfall ein gefährlicher Berührungsstrom abgeleitet und die Schutzmaßnahme ausgelöst wird.
Bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser kommt zusätzlich eine messtechnische Aufgabe hinzu. Die Flüssigkeit im Messrohr muss ein definiertes elektrisches Bezugspotenzial gegenüber der Messelektronik besitzen.
Fehlt dieses Bezugspotenzial, kann sich die Flüssigkeit elektrisch gegenüber dem Messaufnehmer verschieben. Ursache können Pumpen, Rohrreibung, unterschiedliche Werkstoffe, statische Aufladung, Frequenzumrichter, Schweißanlagen, Leckströme oder Potenzialunterschiede zwischen verschiedenen Anlagenteilen sein.
Die Messelektroden erfassen dann nicht nur die durch den Durchfluss erzeugte Nutzspannung. Sie erfassen zusätzlich unerwünschte Gleich- und Wechselspannungsanteile. Der Messumformer versucht zwar, viele dieser Einflüsse durch Signalverarbeitung und Filterung zu unterdrücken, kann einen grundlegend falschen Potenzialausgleich aber nicht vollständig kompensieren.
Eine korrekte Erdung verbessert daher nicht die werkseitige Kalibrierung des Sensors. Sie schafft vielmehr die elektrischen Voraussetzungen dafür, dass das kalibrierte Messsystem sein eigentliches Nutzsignal störungsarm erfassen kann.
Wie ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser arbeitet
Das Messprinzip beruht auf dem Faradayschen Induktionsgesetz. Bewegt sich ein elektrisch leitfähiger Stoff durch ein Magnetfeld, wird eine elektrische Spannung erzeugt.
Im MID erzeugen Spulen ein Magnetfeld quer zur Strömungsrichtung. Die elektrisch leitfähige Flüssigkeit bewegt sich durch dieses Feld. Zwei gegenüberliegende Messelektroden nehmen die dabei entstehende Spannung auf.
Vereinfacht gilt:
U = k × B × D × v
Dabei steht:
- U für die an den Elektroden gemessene Spannung
- k für einen geräteabhängigen Faktor
- B für die magnetische Flussdichte
- D für den Innendurchmesser des Messrohrs
- v für die mittlere Fließgeschwindigkeit
Da Querschnitt und Innendurchmesser des Sensors bekannt sind, berechnet der Messumformer aus der Fließgeschwindigkeit den Volumendurchfluss.
Die Innenauskleidung des Messrohrs isoliert die Flüssigkeit elektrisch vom metallischen Sensorgehäuse. Dadurch fließt das erzeugte Messsignal nicht über die Rohrwand ab, sondern kann über die Messelektroden erfasst werden.
Diese notwendige Isolation erklärt gleichzeitig, weshalb ein definierter Potenzialkontakt zur Flüssigkeit geschaffen werden muss. Je nach Sensorkonstruktion erfolgt dies über integrierte Erdungselektroden oder externe Erdungsringe.
Warum das Medium elektrisch leitfähig sein muss
Ein MID kann nur Medien messen, die eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen. Typische messbare Flüssigkeiten sind Wasser, Abwasser, Säuren, Laugen, leitfähige Lösungen, Schlämme und viele wasserbasierte Prozessmedien.
Reine Kohlenwasserstoffe, Öle, viele Lösemittel und demineralisierte Flüssigkeiten können je nach Leitfähigkeit ungeeignet sein.
Die erforderliche Mindestleitfähigkeit ist geräteabhängig. Sie muss deshalb aus dem Datenblatt der konkreten Sensor- und Messumformerkombination entnommen werden.
Je geringer die Leitfähigkeit ist, desto empfindlicher kann die Messung auf Elektrodenzustand, Kabelkapazität, Feuchtigkeit, Störspannungen und ungeeigneten Potenzialausgleich reagieren.
Ein Erdungsring kann die Leitfähigkeit des Mediums nicht erhöhen. Liegt das Medium unterhalb der zulässigen Mindestleitfähigkeit, wird der MID auch mit einer perfekten Erdung nicht automatisch zuverlässig messen.
Vor einer aufwendigen Fehlersuche sollte deshalb geprüft werden, ob Zusammensetzung, Temperatur und Leitfähigkeit des tatsächlichen Mediums mit der Geräteauslegung übereinstimmen.
Wie klein das elektrische Messsignal ist
Die von den Messelektroden erfasste Spannung liegt typischerweise in einer Größenordnung, in der elektrische Störeinflüsse relevant werden können.
Ein störender Potenzialunterschied von wenigen Millivolt kann bereits wesentlich größer sein als die durch eine geringe Fließgeschwindigkeit erzeugte Nutzspannung.
Besonders empfindlich ist die Messung deshalb:
- nahe am Nullpunkt
- bei kleinen Fließgeschwindigkeiten
- bei Medien mit geringer Leitfähigkeit
- bei langen Elektrodenkabeln
- bei feuchten oder verschmutzten Anschlussräumen
- bei starken elektromagnetischen Störfeldern
- bei fehlendem Flüssigkeitspotenzial
Das Ausgangssignal des Messumformers kann 4–20 mA, Impuls, Frequenz oder ein digitales Kommunikationssignal sein. Diese Ausgänge sind deutlich robuster als das ursprüngliche Elektrodensignal.
Eine Schwankung am 4–20-mA-Ausgang kann daher bereits im Messaufnehmer entstanden sein. Die reine Prüfung des Stromausgangs zeigt dann zwar das instabile Signal, aber noch nicht dessen Ursache.
Was Potenzialausgleich bei einem MID bedeutet
Der Potenzialausgleich stellt sicher, dass Messstoff, Sensor und die dafür vorgesehenen elektrischen Anschlusspunkte auf einem definierten Bezugspotenzial liegen.
Bei einer leitfähigen metallischen Rohrleitung kann dieses Bezugspotenzial häufig über Potenzialausgleichsbänder zwischen Sensor und den angrenzenden Rohrflanschen hergestellt werden.
Bei Kunststoffrohren fehlt dieser elektrische Kontakt. Auch eine innen ausgekleidete Metallleitung kann gegenüber der Flüssigkeit isoliert sein. Dann wird der Kontakt zum Medium häufig über Erdungsringe oder integrierte Erdungselektroden geschaffen.
Die Messelektroden selbst sollten nicht als beliebige Erdungspunkte betrachtet werden. Sie dienen der Erfassung des Messsignals und sind Bestandteil der empfindlichen Eingangsschaltung.
Ein Potenzialausgleich soll Störströme nicht durch die Messelektroden oder das Elektrodensignal führen. Er soll vielmehr einen definierten niederimpedanten Weg bereitstellen, über den Potenzialunterschiede außerhalb des eigentlichen Messsignals ausgeglichen werden.
Die konkrete Verschaltung ist immer der Bedienungsanleitung des verwendeten MID zu entnehmen. Der Begriff „MID erden“ darf nicht zu einer beliebigen Verbindung aller metallischen Teile mit irgendeinem Massepunkt führen.
Schutzerdung und funktionale Erdung unterscheiden
Schutzerdung und funktionaler Potenzialausgleich können am selben Gerät vorhanden sein, erfüllen aber nicht dieselbe Aufgabe.
| Verbindung | Hauptaufgabe | Typischer Anschlusspunkt |
|---|---|---|
| Schutzleiter / PE | Schutz gegen gefährliche Berührungsspannungen | Gekennzeichnete PE-Klemme des Messumformers oder Gehäuses |
| Funktionserde | EMV-gerechter Betrieb und Ableitung elektrischer Störungen | Vom Hersteller vorgesehene Erdungs- oder Schirmklemme |
| Potenzialausgleich des Sensors | Gleiches Bezugspotenzial von Flüssigkeit, Sensor und Rohrleitung | Erdungsband, Erdungsring oder integrierte Erdungselektrode |
| Kabelschirm | Abschirmung empfindlicher Signal- und Spulenleitungen | Definierte Schirmklemme nach Anschlussplan |
Ein angeschlossener Schutzleiter am Messumformer bestätigt nicht automatisch, dass die Flüssigkeit im Messrohr korrekt auf Bezugspotenzial liegt.
Umgekehrt ersetzt ein Erdungsring am Prozessanschluss nicht die erforderliche Schutzerdung eines netzbetriebenen Messumformers.
Fehler entstehen häufig, wenn alle Begriffe unter „Erde“ zusammengefasst werden und Leitungen ohne Beachtung des Herstellerplans miteinander verbunden werden.
Wie Störspannungen die Durchflussmessung beeinflussen
Störspannungen können als Gleichspannung, Wechselspannung oder impulsförmiges Signal auftreten. Der Einfluss auf den MID hängt von Frequenz, Amplitude, Leitfähigkeit des Mediums und Signalverarbeitung des Messumformers ab.
Mögliche Symptome sind:
- schwankender Durchfluss trotz gleichmäßiger Pumpe
- positiver oder negativer Durchfluss bei geschlossenem Ventil
- sprunghafte Messwerte beim Einschalten eines Motors
- unruhiger Nullpunkt während des Betriebs eines Frequenzumrichters
- sporadische Leerrohrmeldungen
- stark schwankendes 4–20-mA-Signal
- Abweichungen nur bei geringer Fließgeschwindigkeit
- unterschiedliches Verhalten bei Berührung oder Verbindung des Rohrsystems
Solche Symptome beweisen noch keinen Erdungsfehler. Luftblasen, unvollständige Rohrfüllung, Ablagerungen, eine ungeeignete Einbaulage oder tatsächliche Pulsationen können ähnliche Auswirkungen verursachen.
Die Erdung ist deshalb ein wichtiger Teil der Diagnose, aber nicht die einzige mögliche Ursache.
MID in metallischen Rohrleitungen erden
Bei einer elektrisch leitfähigen, nicht innen isolierten Metallleitung kann das Flüssigkeitspotenzial häufig über die Rohrleitung hergestellt werden.
Der MID wird dabei über Potenzialausgleichsbänder mit den angrenzenden Rohrflanschen verbunden. Üblicherweise erfolgt die Verbindung auf beiden Seiten des Sensors.
Die Kontaktstellen müssen elektrisch leitfähig sein. Farbe, Rost, Kunststoffbeschichtungen, Dichtmassen oder stark oxidierte Oberflächen können den Kontakt beeinträchtigen.
Eine rein mechanisch feste Schraubverbindung ist deshalb nicht automatisch eine zuverlässige elektrische Verbindung.
Bei der Montage ist zu prüfen:
- ob die Rohrleitung tatsächlich metallisch durchgängig ist
- ob die Innenseite elektrisch leitend mit dem Medium verbunden ist
- ob isolierende Zwischenstücke vorhanden sind
- ob die Flansche beschichtet oder lackiert sind
- ob flexible Kompensatoren den elektrischen Weg unterbrechen
- ob der Hersteller Potenzialausgleichsbänder an beiden Seiten fordert
Die Ausführung darf nicht allein aus allgemeinen MID-Erfahrungen abgeleitet werden. Manche Sensoren besitzen integrierte Erdungselektroden und benötigen abhängig von Anwendung und Rohrsystem keine zusätzlichen Ringe. Potenzialausgleichsbänder oder die vorgesehene Gehäuseerdung können trotzdem erforderlich bleiben.
MID in Kunststoffrohren erden
Kunststoffrohre besitzen keinen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Rohrleitung. Der Messstoff ist dadurch weitgehend vom Anlagenpotenzial isoliert.
Ohne zusätzliche Maßnahme kann sich das Flüssigkeitspotenzial gegenüber dem Sensor verändern. Besonders bei langen Kunststoffleitungen, hohen Fließgeschwindigkeiten oder Pumpen können statische und elektrische Potenzialunterschiede auftreten.
Bei vielen MID-Systemen werden deshalb Erdungsringe an der Ein- und Auslaufseite des Sensors eingesetzt. Die Ringe liegen zwischen Sensorflansch und Rohrflansch und berühren die Flüssigkeit über ihren inneren Rand.
Über Erdungsleitungen werden sie mit den dafür vorgesehenen Anschlusspunkten am Sensor beziehungsweise dem Potenzialausgleich verbunden.
Ein Erdungsring nur auf einer Seite kann je nach Hersteller und Anwendung unzureichend sein. Die Anordnung muss aus der Bedienungsanleitung des konkreten Sensors übernommen werden.
Verfügt der Sensor über integrierte Erdungselektroden, können zusätzliche Ringe in vielen Anwendungen entfallen. Ob die integrierte Elektrode für das Medium, den Rohrwerkstoff und die elektrische Anlagenstruktur ausreicht, muss jedoch modellspezifisch geprüft werden.
Innen ausgekleidete Metallrohre richtig bewerten
Eine metallische Rohrleitung ist für den Flüssigkeitspotenzialausgleich nur dann hilfreich, wenn die Flüssigkeit tatsächlich elektrisch mit dem Metall in Kontakt steht.
Bei innen gummierten, emaillierten, kunststoffbeschichteten oder anderweitig ausgekleideten Rohren ist dieser Kontakt häufig nicht vorhanden.
Elektrisch verhält sich eine solche Leitung aus Sicht des Mediums ähnlich wie ein Kunststoffrohr. Die äußere Rohrwand kann zwar mit dem Schutzpotenzialausgleich verbunden sein, das Medium bleibt durch die Innenauskleidung davon getrennt.
In dieser Situation können Erdungsringe, Erdungselektroden oder andere vom Hersteller vorgesehene Kontaktflächen erforderlich sein.
Auch ausgekleidete Armaturen, Kompensatoren und Zwischenstücke müssen berücksichtigt werden. Eine kurze metallische Rohrstrecke hilft nicht, wenn sie auf beiden Seiten durch isolierende Bauteile vom übrigen System getrennt ist.
Aufgabe und Aufbau von Erdungsringen
Ein Erdungsring ist eine leitfähige Scheibe, die zwischen den Prozessflanschen montiert wird. Der innere Bereich des Rings steht mit dem Medium in Kontakt.
Dadurch kann der Ring das Flüssigkeitspotenzial erfassen und mit dem vorgesehenen Potenzialausgleich des Sensors verbinden.
Erdungsringe können je nach Gerätehersteller und Ausführung unterschiedliche Aufgaben erfüllen:
- Herstellung eines definierten Flüssigkeitspotenzials
- symmetrischer Potenzialausgleich auf beiden Sensorseiten
- Ableitung von Störströmen außerhalb der Messelektroden
- Schutz der Sensorauskleidung vor bestimmten mechanischen Einflüssen
- zusätzliche Prozesskontaktfläche für besondere Anwendungen
Nicht jeder Ring erfüllt automatisch alle diese Aufgaben. Es gibt unterschiedliche Bauformen, beispielsweise schmale Erdungsringe, breitere Schutzringe oder spezielle Ringe für abrasive Medien.
Die Abmessungen müssen zu Nennweite, Flanschstandard, Druckstufe und Sensorauskleidung passen.
Ein zu kleiner Innendurchmesser kann den Strömungsquerschnitt einschränken, Ablagerungen verursachen oder die Auskleidung mechanisch belasten. Ein falsch dimensionierter Außendurchmesser kann die korrekte Flanschmontage verhindern.
Integrierte Erdungselektrode oder Erdungsring?
Eine integrierte Erdungselektrode befindet sich im Messaufnehmer und stellt einen direkten elektrischen Kontakt zur Flüssigkeit her.
Sie ist von den eigentlichen Messelektroden zu unterscheiden. Die Messelektroden erfassen die durchflussabhängige Spannung, während die Erdungselektrode das Bezugspotenzial stabilisiert.
Der Vorteil einer integrierten Erdungselektrode besteht darin, dass zusätzliche Ringe, Dichtstellen und Montagebauteile in vielen Anwendungen entfallen können.
Ob ein Ring trotzdem benötigt wird, hängt unter anderem ab von:
- Sensorkonstruktion
- Rohrwerkstoff
- Herstellervorgaben
- kathodischem Korrosionsschutz
- besonderen Störstrombedingungen
- Medium und Werkstoffverträglichkeit
- mechanischem Schutz der Auskleidung
Die Aussage „Sensor besitzt Erdungselektrode“ darf daher nicht pauschal mit „keine weitere Erdungsmaßnahme erforderlich“ gleichgesetzt werden.
Der SITRANS FMS500 besitzt beispielsweise integrierte Erdungselektroden, wodurch für viele Anwendungen keine separaten Erdungsringe erforderlich sind. Der übrige elektrische Anschluss muss trotzdem entsprechend der Geräteanleitung ausgeführt werden.
Werkstoff der Erdungsringe auswählen
Der Erdungsring ist dauerhaft oder regelmäßig mit dem Prozessmedium in Kontakt. Sein Werkstoff muss deshalb mindestens genauso sorgfältig ausgewählt werden wie der Werkstoff der Messelektroden.
Abhängig von Medium und Sensorprogramm stehen beispielsweise unterschiedliche Edelstähle, Hastelloy, Titan, Tantal oder andere Sonderwerkstoffe zur Verfügung.
Die Auswahl hängt unter anderem ab von:
- chemischer Zusammensetzung des Mediums
- Konzentration
- Temperatur
- Druck
- Strömungsgeschwindigkeit
- Feststoff- oder Abrasivanteil
- Reinigungs- und Spülmedien
- möglichen galvanischen Werkstoffpaarungen
Ein Erdungsring aus einem ungeeigneten Werkstoff kann korrodieren, das Medium verunreinigen oder selbst eine zusätzliche elektrochemische Spannung erzeugen.
Die endgültige Medienverträglichkeit muss applikationsbezogen vom Betreiber beziehungsweise anhand verbindlicher Herstellerangaben bestätigt werden. Eine allgemeine Werkstofftabelle ersetzt diese Prüfung nicht.
Erdungsringe fachgerecht montieren
Erdungsringe werden in der Regel gemeinsam mit den Flanschdichtungen montiert. Dabei ist die vom Hersteller vorgegebene Reihenfolge einzuhalten.
Der Ring muss mittig sitzen und darf nicht in den Strömungsquerschnitt hineinragen. Die Dichtung darf den inneren Kontaktbereich des Rings nicht vollständig vom Medium abschirmen.
Vor dem Anziehen der Flanschschrauben ist zu prüfen, ob Sensor, Ring, Dichtung und Rohrflansch konzentrisch ausgerichtet sind.
Ein ungleichmäßiges Anziehen kann:
- die Sensorauskleidung beschädigen
- den Ring verformen
- eine Undichtigkeit verursachen
- den Innendurchmesser versetzen
- den elektrischen Kontakt beeinträchtigen
Die Flanschschrauben werden entsprechend der Herstelleranleitung stufenweise und über Kreuz angezogen. Zulässige Drehmomente hängen von Nennweite, Dichtung, Flansch, Auskleidung und Druckstufe ab.
Das Erdungskabel muss mechanisch sicher befestigt und gegen Korrosion geschützt sein. Lose Kabelschuhe oder lackierte Kontaktstellen können eine zunächst funktionierende Messstelle später instabil werden lassen.
Flanschdichtungen und isolierende Beschichtungen
Flanschdichtungen sind erforderlich, um die Prozessverbindung abzudichten. Sie können gleichzeitig den elektrischen Kontakt zwischen zwei metallischen Flanschen unterbrechen.
Ein elektrischer Potenzialausgleich darf deshalb nicht allein über Flanschschrauben und Dichtflächen vorausgesetzt werden.
Auch Schrauben können durch Beschichtungen, Korrosion, isolierende Hülsen oder Unterlegscheiben elektrisch getrennt sein.
Bei der Installation muss ein definierter Potenzialausgleichsweg vorgesehen sein, der unabhängig von zufälligen Metallkontakten funktioniert.
Besondere Aufmerksamkeit ist erforderlich bei:
- kunststoffbeschichteten Flanschen
- Gummidichtungen
- Isolierflanschsets
- beschichteten Schrauben
- flexiblen Kompensatoren
- Auskleidungen, die über die Flanschfläche gezogen sind
Kathodisch geschützte Rohrleitungen
Kathodische Korrosionsschutzsysteme legen gezielt elektrische Potenziale beziehungsweise Ströme an eine Rohrleitung an. Eine unüberlegte Erdungsverbindung kann diese Schutzfunktion beeinträchtigen oder unerwünschte Ströme durch das MID führen.
Bei einer kathodisch geschützten Rohrleitung darf der MID daher nicht einfach mit allen angrenzenden Rohrteilen und der allgemeinen Erde verbunden werden.
Je nach Gerät und Anlagenkonzept können erforderlich sein:
- elektrische Trennung des Sensors von den Rohrflanschen
- isolierende Hülsen und Unterlegscheiben an den Flanschschrauben
- eine separate Überbrückungsleitung für den kathodischen Schutzstrom
- speziell angeordnete Erdungsringe oder Elektroden
- galvanisch getrennte Signal- und Versorgungswege
Die Überbrückungsleitung muss für den möglichen Schutzstrom und die Umgebungsbedingungen ausgelegt sein.
Solche Installationen müssen gemeinsam mit dem Gerätehersteller und dem Verantwortlichen für den kathodischen Korrosionsschutz geplant werden. Eine Standardzeichnung für gewöhnliche Metallrohre darf nicht ungeprüft übernommen werden.
Potenzialausgleich im explosionsgefährdeten Bereich
In explosionsgefährdeten Bereichen ist der Potenzialausgleich nicht nur für die Messstabilität, sondern auch für den Explosionsschutz relevant.
Die äußere Potenzialausgleichsklemme, Schutzerdung, Kabelschirme, eigensicheren Stromkreise und Prozessanschlüsse müssen entsprechend der Ex-Zulassung und Installationsanleitung ausgeführt werden.
Zusätzliche oder abweichende Erdungsverbindungen können die Eigensicherheit beziehungsweise galvanische Trennung einer Messkette beeinflussen.
Zu prüfen sind insbesondere:
- ATEX- oder IECEx-Ausführung des Sensors und Messumformers
- Zone und Gerätekategorie beziehungsweise EPL
- vorgesehene Potenzialausgleichsklemme
- zulässige Kabel und Kabeleinführungen
- Schirmanschluss im Ex-Konzept
- Trennbarrieren und galvanische Trennung
- Vorgaben für elektrostatische Aufladung
Die Erdung darf im Ex-Bereich nicht improvisiert werden. Die konkrete Gerätezulassung und die Anlagendokumentation sind verbindlich.
Kompakte und getrennte MID-Ausführung
Bei einer kompakten Ausführung sitzt der Messumformer direkt auf dem Messaufnehmer. Die empfindlichen Verbindungen zwischen Spulen, Elektroden und Elektronik sind kurz und werkseitig ausgeführt.
Bei einer getrennten Ausführung befindet sich der Messumformer an einer Wand, einem Rohr oder in einem Schaltschrank. Zwischen Sensor und Messumformer verlaufen spezielle Elektroden- und Spulenkabel.
Eine getrennte Montage ist vorteilhaft bei:
- schwer zugänglichen Rohrleitungen
- hohen Mediumtemperaturen
- Überflutungsgefahr
- starken Vibrationen
- Ablesung und Bedienung an einem zentralen Standort
Sie erhöht jedoch die Anforderungen an Kabelführung, Schirmung, Anschlussraum und Potenzialausgleich.
Die zulässige Kabellänge hängt von Sensor, Messumformer, Mediumleitfähigkeit, Kabeltyp und aktivierten Diagnosefunktionen ab. Ein gewöhnliches Steuerkabel darf nicht als Ersatz für das vorgeschriebene MID-Kabel verwendet werden.
Kabelschirmung bei getrenntem Messumformer
Das Elektrodensignal ist besonders empfindlich. Die zugehörige Leitung benötigt deshalb eine definierte Schirmung und muss entsprechend der Herstelleranleitung angeschlossen werden.
Auch das Spulenkabel kann einen vorgesehenen Schirmanschluss besitzen. Bei Siemens MAG5000-/MAG6000-Systemen wird der Schirm der Spulenleitung an der gekennzeichneten Schirmklemme angeschlossen.
Typische Fehler sind:
- Kabelschirm nicht angeschlossen
- Schirm an einer ungeeigneten Klemme angeschlossen
- Schirmgeflecht über eine lange ungeschirmte Ader verlängert
- Elektroden- und Spulenkabel gemeinsam mit Leistungskabeln verlegt
- falscher Kabeltyp verwendet
- Anschlussraum feucht oder verschmutzt
- Abschirmung durch Zwischenklemmen unterbrochen
Ob ein Schirm einseitig oder beidseitig angeschlossen wird, darf nicht nach einer allgemeinen EMV-Faustregel entschieden werden. Maßgeblich ist der Anschlussplan des konkreten Geräts.
Eine beidseitige Schirmung kann hochfrequente Störungen wirksam ableiten, bei ungünstigem Potenzialausgleich aber auch Ausgleichsströme verursachen. Der Hersteller berücksichtigt diese Zusammenhänge im vorgesehenen Anschlusskonzept.
EMV, Frequenzumrichter und Motorleitungen
Frequenzumrichter erzeugen steile Spannungsschaltflanken und hochfrequente Störströme. Diese können sich leitungsgebunden oder elektromagnetisch auf benachbarte Messleitungen übertragen.
Besonders kritisch sind parallel verlegte Motor- und Elektrodenkabel über längere Strecken.
Für eine störungsarme Installation sind unter anderem sinnvoll:
- räumliche Trennung von Mess- und Leistungskabeln
- Kreuzung unterschiedlicher Kabel möglichst im rechten Winkel
- Verwendung der vorgeschriebenen geschirmten Kabel
- kurze und flächige Schirmanschlüsse
- EMV-gerechte Kabeleinführungen
- durchgängiger Anlagenpotenzialausgleich
- korrekte Erdung von Motor und Frequenzumrichter
Ein zusätzlicher Filter im MID kann das angezeigte Signal beruhigen, beseitigt aber nicht die elektrische Störquelle.
Eine sehr starke Dämpfung kann tatsächliche schnelle Durchflussänderungen unterdrücken und die Reaktionszeit der Regelung verlängern. Zuerst sollte deshalb die Installation korrigiert werden.
4–20 mA, Impuls- und digitale Ausgänge
Der Potenzialausgleich betrifft primär die Erfassung des Durchflusses im Sensor. Störungen können jedoch auch auf der Ausgangsseite des Messumformers entstehen.
Bei einem 4–20-mA-Ausgang sind Versorgung, Bürde, galvanische Trennung und Masseführung zu prüfen. Ein gemeinsames Massepotenzial mehrerer Geräte kann Ausgleichsströme verursachen.
Impuls- und Frequenzausgänge können bei langen Leitungen durch ungeeignete Pegel, fehlende Abschirmung oder falsche Eingangsbeschaltung beeinträchtigt werden.
Bei Bussystemen sind zusätzlich Abschlusswiderstände, Schirmung, Topologie und Potenzialausgleich der Kommunikation zu berücksichtigen.
Zur Unterscheidung zwischen instabilem MID-Messwert und fehlerhafter SPS-Verarbeitung kann das Ausgangssignal direkt am Messumformer geprüft werden.
Zeigt bereits die lokale Anzeige des MID einen unruhigen Durchfluss, liegt die Ursache wahrscheinlich vor oder innerhalb des Messumformers. Ist die lokale Anzeige stabil, während der SPS-Wert schwankt, sollte die Ausgangsverdrahtung untersucht werden.
Vollständig gefülltes Messrohr sicherstellen
Ein MID benötigt ein vollständig mit Flüssigkeit gefülltes Messrohr. Luftblasen oder teilgefüllte Rohrleitungen können den elektrischen Kontakt zu den Elektroden unterbrechen und stark schwankende Messwerte erzeugen.
Solche Symptome werden häufig mit einem Erdungsproblem verwechselt.
Ungünstige Einbauorte sind:
- höchster Punkt einer Rohrleitung
- Fallleitung mit freiem Auslauf
- Saugleitung einer Pumpe mit möglichem Lufteintrag
- Rohrabschnitt, der bei Stillstand leerläuft
- Einbau direkt hinter einer Entgasungsstelle
In einer horizontalen Leitung sollte der Sensor so eingebaut werden, dass die Messelektroden nicht dauerhaft im oberen Luftbereich oder im unteren Ablagerungsbereich liegen.
Bei vertikaler Montage ist eine Strömung von unten nach oben häufig vorteilhaft, weil das Messrohr vollständig gefüllt bleibt und Luftblasen leichter weitertransportiert werden.
Einbaulage der Messelektroden
Die Messelektroden liegen üblicherweise seitlich gegenüber. Wird der Sensor um 90 Grad falsch ausgerichtet, können eine Elektrode oben und die andere unten liegen.
Die obere Elektrode kann dann durch Luftblasen zeitweise den Kontakt zum Medium verlieren. An der unteren Elektrode können sich Schlamm, Sand oder Ablagerungen sammeln.
Beides verschlechtert die Signalqualität und kann wie ein elektrischer Erdungsfehler wirken.
Die zulässige und empfohlene Ausrichtung wird durch die Position des Anschlusskastens beziehungsweise Markierungen am Sensor angegeben. Die konkrete Geräteanleitung ist zu beachten.
Ablagerungen und Elektrodenbeläge
Beläge auf den Messelektroden erhöhen den elektrischen Übergangswiderstand. Bei leitfähigen Ablagerungen können zusätzliche galvanische Effekte auftreten, während isolierende Beläge das Messsignal abschwächen.
Mögliche Ursachen sind:
- Fett- und Ölfilme
- Kalk
- Kristallisation
- biologische Beläge
- Schlamm und Feststoffe
- chemische Reaktionsprodukte
Eine verbesserte Erdung kann verschmutzte Elektroden nicht reinigen. Bei wiederkehrenden Problemen müssen Werkstoff, Strömungsgeschwindigkeit, Einbauort und Reinigungsverfahren überprüft werden.
Bei aggressiven Reinigungsmaßnahmen ist darauf zu achten, dass Elektroden, Auskleidung und Dichtungen nicht beschädigt werden.
Niedrige Leitfähigkeit und unruhige Messwerte
Bei geringer Leitfähigkeit steigt die Impedanz zwischen Medium und Elektroden. Das Messsignal wird empfindlicher gegenüber Kabelkapazitäten, Feuchtigkeit und elektrischen Störungen.
Eine Messstelle, die mit normalem Leitungswasser stabil funktioniert, kann sich mit demineralisiertem Wasser oder einer veränderten Rezeptur deutlich anders verhalten.
Zu prüfen sind dann:
- Mindestleitfähigkeit des Sensors
- tatsächliche Leitfähigkeit bei Prozesstemperatur
- zulässige Kabellänge bei getrennter Ausführung
- Zustand von Elektroden und Anschlussraum
- Potenzialausgleich und Erdung
- Parametrierung der Leerrohrerkennung
Eine niedrige Leitfähigkeit kann bestehende Installationsschwächen sichtbar machen. Sie sollte aber nicht automatisch durch eine stärkere Filterung verdeckt werden.
Nullpunkt und Schleichmengen richtig bewerten
Zeigt ein MID bei geschlossenem Ventil einen kleinen Durchfluss, kann dies unterschiedliche Ursachen haben.
Möglicherweise besteht tatsächlich eine Leckage oder Rückströmung. Ebenso können Konvektion, Druckschwankungen, Pumpenpulsationen, Luftbewegungen oder elektrische Störungen einen Messwert erzeugen.
Eine Nullpunktkorrektur darf erst durchgeführt werden, wenn:
- das Messrohr vollständig gefüllt ist
- der Durchfluss sicher zum Stillstand gekommen ist
- alle Ventile dicht schließen
- Potenzialausgleich und Erdung korrekt ausgeführt sind
- keine Luftblasen oder Ablagerungen vorliegen
- die erforderliche Beruhigungszeit eingehalten wurde
Wird ein durch Erdungs- oder Installationsfehler verursachtes Signal als Nullpunkt gespeichert, wird die Ursache nicht beseitigt. Das Gerät kann anschließend bei anderen Betriebsbedingungen weiterhin falsch messen.
Auch die Schleichmengenunterdrückung sollte nur so hoch eingestellt werden, wie es die Anwendung erfordert. Ein zu hoher Wert blendet reale kleine Durchflüsse und Leckagen aus.
Systematische Fehlersuche bei instabilen MID-Messwerten
Eine strukturierte Diagnose verhindert, dass Sensor, Messumformer oder Erdungsringe ohne klare Ursache ausgetauscht werden.
Zunächst sollte geklärt werden, ob die Schwankung bereits auf der lokalen MID-Anzeige vorhanden ist oder erst in der SPS beziehungsweise Leitwarte entsteht.
Anschließend kann die Prüfung in mehreren Schritten erfolgen:
- Prozesszustand prüfen: Ist der Durchfluss tatsächlich stabil? Arbeiten Pumpen, Ventile und Regelungen gleichmäßig?
- Rohrfüllung prüfen: Ist das Messrohr vollständig gefüllt und frei von Luftblasen?
- Medium prüfen: Liegt die Leitfähigkeit oberhalb der Mindestanforderung?
- Einbaulage prüfen: Sind Elektroden, Strömungsrichtung und Rohrposition korrekt?
- Potenzialausgleich prüfen: Sind Bänder, Erdungsringe oder integrierte Elektroden entsprechend der Anleitung angeschlossen?
- Kontaktstellen prüfen: Sind Kabelschuhe fest, korrosionsfrei und auf leitfähigen Flächen montiert?
- Kabel prüfen: Stimmen Kabeltyp, Länge, Trennung und Schirmanschluss?
- Störquellen prüfen: Ändert sich das Signal beim Ein- und Ausschalten von Frequenzumrichtern, Motoren oder Pumpen?
- Elektroden prüfen: Sind Beläge, Feuchtigkeit oder Isolationsprobleme vorhanden?
- Ausgang prüfen: Entspricht das 4–20-mA- oder Impulssignal der lokalen Anzeige?
Änderungen sollten möglichst einzeln durchgeführt und dokumentiert werden. Werden gleichzeitig Erdung, Filter, Einbaulage und Parametrierung verändert, lässt sich die tatsächliche Ursache später nicht mehr eindeutig bestimmen.
Welche elektrischen Prüfungen sinnvoll sind
Vor elektrischen Messungen müssen Anlage, Ex-Schutz, Gerätezulassung und Herstelleranleitung berücksichtigt werden. Ungeeignete Isolationsprüfungen können die Elektronik oder Elektroden beschädigen.
Sinnvoll können je nach System sein:
- Durchgangsprüfung der Potenzialausgleichsbänder
- Prüfung der Verbindung zwischen Erdungsring und vorgesehener Sensorklemme
- Kontrolle des Schutzleiteranschlusses
- Sichtprüfung der Schirmanschlüsse
- Messung möglicher Potenzialdifferenzen zwischen Rohrabschnitten
- Prüfung von Spulen- und Elektrodenleitungen nach Herstellerverfahren
- Kontrolle der Elektrodenisolation bei ausgebautem, trockenem Sensor
Widerstandswerte dürfen nur mit den modellspezifischen Herstellerangaben verglichen werden. Ein allgemeiner Grenzwert für alle MID-Systeme existiert nicht.
Insbesondere Isolationsmessgeräte mit hoher Prüfspannung dürfen nicht ohne klare Anleitung an angeschlossene Messumformer oder explosionsgefährdete Prozesssysteme angeschlossen werden.
Typische Erdungs- und Installationsfehler
| Fehler | Mögliche Auswirkung | Bessere Vorgehensweise |
|---|---|---|
| MID nur über den PE des Messumformers angeschlossen | Flüssigkeit besitzt kein definiertes Bezugspotenzial | Potenzialausgleich des Sensors separat nach Herstellerplan ausführen |
| Kunststoffrohr ohne Erdungsring oder Erdungselektrode | Instabiler Nullpunkt und störanfälliges Elektrodensignal | Vorgesehene Erdungsringe oder integrierte Erdungselektroden verwenden |
| Ausgekleidetes Metallrohr wie blankes Metallrohr behandelt | Kein elektrischer Kontakt zwischen Rohr und Medium | Auskleidung berücksichtigen und Flüssigkeitspotenzial gezielt herstellen |
| Potenzialausgleich nur über Flanschschrauben | Unsicherer Kontakt durch Dichtung, Farbe oder Korrosion | Definierte Potenzialausgleichsbänder einsetzen |
| Erdungsring aus ungeeignetem Werkstoff | Korrosion, Verunreinigung oder galvanische Spannung | Werkstoff passend zu Medium und Prozess auswählen |
| Nur einseitiger Erdungsring trotz beidseitiger Herstellervorgabe | Unvollständiger Potenzialausgleich | Anzahl und Position entsprechend der Bedienungsanleitung ausführen |
| Erdungsring nicht zentriert | Strömungsstörung, Dichtungsschaden oder beschädigte Auskleidung | Ring, Dichtung und Sensor konzentrisch montieren |
| Kontaktstelle lackiert oder korrodiert | Hoher oder wechselnder Übergangswiderstand | Geeignete leitfähige Kontaktstelle herstellen und schützen |
| Falscher Schirmanschluss | Einstrahlung oder unerwünschte Ausgleichsströme | Schirm ausschließlich nach Geräteanschlussplan auflegen |
| Elektrodenkabel parallel zur Motorleitung | Starke EMV-Einkopplung und schwankende Werte | Leitungen räumlich trennen und vorgeschriebene Kabel verwenden |
| Messrohr nicht vollständig gefüllt | Unterbrochener Elektrodenkontakt und instabile Messung | Einbauort und Rohrführung korrigieren |
| Elektroden senkrecht oben und unten angeordnet | Luftblasen oben und Ablagerungen unten beeinflussen das Signal | Empfohlene Sensorausrichtung beachten |
| Starkes Filter statt Ursachenbeseitigung eingestellt | Anzeige wirkt ruhig, reale Prozessänderungen werden verzögert | Zuerst Erdung, Prozess und Verkabelung prüfen |
| Kathodisch geschützte Leitung direkt überbrückt | Beeinträchtigung des Korrosionsschutzes und unerwünschte Ströme | Spezielle Installationsvorgabe gemeinsam mit Fachplanung umsetzen |
Praxisbeispiel: Schwankender MID in einer Kunststoffleitung
In einer Wasseraufbereitungsanlage wird ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser in eine PE-Rohrleitung eingebaut. Der Sensor besitzt eine getrennte Messumformerausführung und liefert ein 4–20-mA-Signal an die SPS.
Während des Betriebs schwankt die Anzeige trotz gleichmäßig laufender Pumpe. Bei geschlossenem Ventil zeigt das Gerät abwechselnd kleine positive und negative Durchflusswerte.
Die erste Vermutung betrifft eine fehlerhafte Parametrierung. Die Dämpfung wird erhöht und die Schleichmengenunterdrückung angehoben. Die Anzeige wirkt dadurch ruhiger, beim Anfahren der Pumpe reagiert sie jedoch deutlich verzögert.
Eine Prüfung der Rohrleitung zeigt, dass das Messrohr vollständig gefüllt ist. Das Medium besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und die Messelektroden sind korrekt horizontal ausgerichtet.
Am Prozessanschluss sind jedoch keine Erdungsringe montiert. Der Sensor besitzt in der eingesetzten Ausführung keine integrierte Erdungselektrode, die für diese Installation vorgesehen ist. Der Schutzleiter des Messumformers ist zwar korrekt angeschlossen, die Flüssigkeit innerhalb der Kunststoffleitung besitzt aber kein definiertes Bezugspotenzial.
Zusätzlich verläuft das Elektrodenkabel über mehrere Meter gemeinsam mit der Motorleitung einer frequenzgeregelten Pumpe.
Die Installation wird entsprechend der Herstelleranleitung geändert. Auf beiden Seiten des Sensors werden medienverträgliche Erdungsringe montiert und mit den vorgesehenen Potenzialausgleichsanschlüssen verbunden.
Das Elektrodenkabel wird getrennt von der Motorleitung geführt. Kabelschirm und Spulenleitung werden nach Anschlussplan neu aufgelegt. Korrodierte Kabelschuhe werden ersetzt.
Nach der Änderung bleibt der Nullpunkt bei geschlossenem Ventil stabil. Auch während des Betriebs der Pumpe reduziert sich die Schwankung deutlich.
Die zuvor erhöhte Dämpfung wird anschließend wieder auf einen für den Prozess geeigneten Wert zurückgesetzt. Dadurch reagiert die Messung schneller, ohne erneut instabil zu werden.
Das Beispiel zeigt, dass Schutzerdung, Flüssigkeitspotenzial und Kabelschirmung unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Eine reine Änderung der Softwareparameter konnte den fehlenden Potenzialausgleich nicht beheben.
Welche Angaben für die Auslegung benötigt werden
Ob Erdungsringe benötigt werden und wie der Potenzialausgleich ausgeführt werden muss, lässt sich nicht allein anhand der Nennweite beantworten.
Für eine belastbare Auslegung werden mindestens folgende Angaben benötigt:
- Hersteller und genaue Typbezeichnung des MID
- Sensor- und Messumformervariante
- kompakte oder getrennte Montage
- Nennweite und Flanschstandard
- Rohrwerkstoff
- innere Rohrbeschichtung oder Auskleidung
- Medium, Konzentration und Leitfähigkeit
- Medientemperatur und Betriebsdruck
- Elektroden- und Auskleidungswerkstoff
- vorhandene integrierte Erdungselektroden
- kathodischer Korrosionsschutz
- Ex-Zone und Zulassung
- Kabellänge und verwendeter Kabeltyp
- nahe gelegene Motoren und Frequenzumrichter
- vorhandener Anlagenpotenzialausgleich
- Symptom und Betriebszustand, bei dem die Störung auftritt
Fotos der Flanschverbindungen, Erdungsbänder, Kabeleinführungen und Anschlussklemmen sind bei bestehenden Anlagen besonders hilfreich.
Bei einer Ersatzbeschaffung sollte geprüft werden, ob der neue Sensor dieselbe Erdungs- und Anschlussausführung besitzt wie das bisherige Gerät. Eine mechanisch passende Ersatzmessstelle kann elektrisch ein anderes Installationskonzept erfordern.
Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?
Die Kategorie Magnetisch-induktive Durchflussmesser / MID enthält unterschiedliche Messaufnehmer und Messumformer für Wasser, Abwasser, Lebensmittel, Chemikalien und industrielle Prozessmedien.
Die übergeordnete Kategorie Durchflussmesstechnik umfasst zusätzlich Ultraschall-, Coriolis-, Vortex-, Schwebekörper-, Zahnrad-, Turbinen- und weitere Durchflussmessverfahren.
SITRANS FMS500 mit integrierten Erdungselektroden
Der SITRANS FMS500 Sensor ist für Wasser- und Abwasseranwendungen vorgesehen und besitzt integrierte Erdungselektroden.
Dadurch sind für viele typische Anwendungen keine zusätzlichen Erdungsringe erforderlich. Ob dies in einer konkreten Kunststoffleitung, einer ausgekleideten Rohrleitung oder einer elektrisch besonders belasteten Anlage gilt, muss anhand der Einbausituation und Bedienungsanleitung geprüft werden.
In Verbindung mit dem Messumformer SITRANS FMT020 bildet der Sensor das Messsystem SITRANS FM520. Kompakte und getrennte Montage sind möglich.
SITRANS FMT020 Messumformer
Der SITRANS FMT020 Messumformer kann mit geeigneten magnetisch-induktiven Sensoren kombiniert werden und erfasst neben dem Volumendurchfluss unter anderem Fließgeschwindigkeit und elektrische Leitfähigkeit.
Die Leitfähigkeitsinformation kann bei der Diagnose hilfreich sein. Sie ersetzt jedoch keine Prüfung des Potenzialausgleichs, der Elektroden und der vollständigen Rohrfüllung.
SITRANS FM MAG 5100 W
Der SITRANS FM MAG 5100 W ist ein magnetisch-induktiver Messaufnehmer für Wasser- und Abwasseranwendungen. Er besitzt integrierte Erdungselektroden, sodass für viele Anwendungen keine zusätzlichen Erdungsringe erforderlich sind.
Der Sensor kann mit Messumformern der MAG5000-/MAG6000-Serie eingesetzt werden. Bei getrennter Montage müssen Elektrodenleitung, Spulenleitung, Schutzleiter und Kabelschirme entsprechend der Herstelleranleitung angeschlossen werden.
MAG5000 / MAG6000 Messumformer
Die MAG5000 / MAG6000 Messumformer können unter anderem mit den Sensoren MAG 1100, MAG 1100 F, MAG 3100, MAG 3100 P und MAG 5100 W kombiniert werden.
Sie bieten Anzeige-, Diagnose- und unterschiedliche Ausgangsfunktionen. Bei einer getrennten Installation ist die vorgeschriebene Trennung von Elektroden- und Spulenleitung sowie der korrekte Anschluss von PE und Kabelschirm besonders wichtig.
SITRANS FM MAG 8000
Der SITRANS FM MAG 8000 ist ein batteriebetriebener magnetisch-induktiver Wasserzähler für autarke Anwendungen in Entnahme- und Verteilungsnetzen.
Das Installationskonzept unterscheidet zwischen metallischen Rohrleitungen, Kunststoffrohren, ausgekleideten Metallleitungen und Kombinationen daraus. Abhängig von der Rohrleitung werden Potenzialausgleichsbänder und beziehungsweise oder Erdungsringe eingesetzt.
Bei kathodisch geschützten Leitungen ist ein separates Isolations- und Überbrückungskonzept erforderlich.
MAG 3100 und MAG 3100 P für industrielle Anwendungen
Die Sensoren der MAG-3100-Serie eignen sich für anspruchsvolle industrielle Anwendungen und sind mit unterschiedlichen Auskleidungs-, Elektroden- und Prozessanschlussvarianten erhältlich.
Bei der Bestellung sollten Erdungselektroden, Erdungsringe und deren Werkstoffe gemeinsam mit Medium, Rohrwerkstoff und Anlagenpotenzial bewertet werden.
Feldprüfung und Diagnose
Zur Prüfung einer bestehenden MID-Messstelle können elektrische Kontrollmessungen, Geräteselbstdiagnose und je nach System ein geeigneter Feldverifikator eingesetzt werden.
Eine Feldverifikation kann wichtige Informationen über Sensor, Spulen, Elektronik und Kabel liefern. Sie ersetzt jedoch nicht die mechanische Prüfung der Rohrfüllung, die Kontrolle des Erdungskonzepts oder eine anwendungsspezifische Durchflusskalibrierung.
ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl des MID, der Messumformer- und Sensorvariante sowie geeigneter Erdungsringe und Elektrodenwerkstoffe. Für eine technische Bewertung sollten Rohrwerkstoff, Innenauskleidung, Medium, Leitfähigkeit, Nennweite, Einbausituation und vorhandene Erdung dokumentiert werden.
Fazit: Ein stabiler MID benötigt ein definiertes Flüssigkeitspotenzial
Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser erfasst eine kleine elektrische Spannung zwischen seinen Messelektroden. Damit dieses Signal zuverlässig ausgewertet werden kann, benötigen Flüssigkeit, Sensor und Messumformer ein definiertes Bezugspotenzial.
Der Schutzleiter am Messumformer erfüllt nicht automatisch diese messtechnische Aufgabe. Schutzerdung, funktionale Erdung, Kabelschirmung und Potenzialausgleich des Mediums müssen getrennt betrachtet und entsprechend der Herstelleranleitung ausgeführt werden.
Bei elektrisch leitfähigen Metallrohren wird der Sensor häufig über Potenzialausgleichsbänder mit den Rohrflanschen verbunden. Bei Kunststoffrohren und innen ausgekleideten Metallleitungen sind je nach Sensorkonstruktion Erdungsringe oder integrierte Erdungselektroden erforderlich.
Erdungsringe müssen zur Nennweite, Flanschausführung, Druckstufe und zum Medium passen. Ein ungeeigneter Werkstoff kann korrodieren oder zusätzliche elektrochemische Effekte verursachen.
Sensoren mit integrierter Erdungselektrode benötigen in vielen Standardanwendungen keine zusätzlichen Ringe. Diese Aussage muss jedoch für das konkrete Gerät und die jeweilige Einbausituation bestätigt werden.
Bei kathodisch geschützten Rohrleitungen darf der MID nicht nach einem gewöhnlichen Standardplan geerdet werden. Die elektrische Isolation und Überbrückung des Schutzstroms müssen gemeinsam mit dem Korrosionsschutzsystem geplant werden.
Auch Kabeltyp, Schirmanschluss und räumliche Trennung von Motorleitungen sind besonders bei getrennten Messumformern entscheidend. Eine starke Softwaredämpfung kann eine Störung verdecken, beseitigt aber nicht deren Ursache.
Schwankende Messwerte müssen außerdem nicht ausschließlich von der Erdung stammen. Teilfüllung, Luftblasen, niedrige Leitfähigkeit, falsch ausgerichtete Elektroden und Ablagerungen können ähnliche Symptome verursachen.
Eine zuverlässige Fehlersuche beginnt deshalb beim Prozess und folgt anschließend dem gesamten Signalweg vom Flüssigkeitspotenzial über Sensor, Kabel und Messumformer bis zur SPS.
Häufige Fragen zur Erdung magnetisch-induktiver Durchflussmesser
Warum muss ein MID geerdet werden?
Die Flüssigkeit und der Sensor benötigen ein definiertes elektrisches Bezugspotenzial. Dadurch werden Störspannungen reduziert und das kleine Elektrodensignal kann stabiler ausgewertet werden.
Reicht der Schutzleiter am Messumformer aus?
Nicht grundsätzlich. Der Schutzleiter dient in erster Linie der elektrischen Sicherheit. Der Potenzialausgleich zwischen Flüssigkeit, Sensor und Rohrleitung muss zusätzlich entsprechend der Geräteanleitung hergestellt werden.
Was ist der Unterschied zwischen Erdung und Potenzialausgleich?
Erdung stellt eine Verbindung zum Erdpotenzial her. Potenzialausgleich verbindet leitfähige Teile miteinander, damit zwischen ihnen keine störenden oder gefährlichen Potenzialunterschiede entstehen.
Was ist die Funktionserde eines MID?
Sie dient dem störungsarmen Betrieb und der EMV. Sie ist nicht automatisch mit dem Schutzleiter oder dem Flüssigkeitspotenzial identisch.
Was ist ein Erdungsring?
Ein Erdungsring ist eine leitfähige Scheibe zwischen Sensor- und Rohrflansch. Sein innerer Bereich berührt die Flüssigkeit und stellt ein definiertes Bezugspotenzial her.
Wann benötigt ein MID Erdungsringe?
Sie werden häufig bei Kunststoffrohren, innen ausgekleideten Metallrohren oder elektrisch isolierten Prozessverbindungen benötigt. Die konkrete Anforderung ist der Bedienungsanleitung des Sensors zu entnehmen.
Benötigt ein MID in einem Metallrohr Erdungsringe?
Bei einer leitfähigen, nicht ausgekleideten Metallleitung können häufig Potenzialausgleichsbänder ausreichen. Beschichtungen, Dichtungen und isolierende Zwischenstücke müssen jedoch berücksichtigt werden.
Warum werden bei Kunststoffrohren häufig zwei Erdungsringe eingesetzt?
Die Ringe stellen auf beiden Seiten des Sensors einen definierten Kontakt zum Medium her und ermöglichen einen symmetrischen Potenzialausgleich.
Ist ein Erdungsring auf nur einer Seite ausreichend?
Das ist geräte- und anwendungsabhängig. Wird in der Herstelleranleitung ein Ring an beiden Seiten gefordert, darf die Anordnung nicht auf einen Ring reduziert werden.
Was ist eine integrierte Erdungselektrode?
Sie ist ein zusätzlicher elektrischer Kontakt innerhalb des Messaufnehmers, der das Bezugspotenzial der Flüssigkeit stabilisiert.
Ist die Erdungselektrode mit den Messelektroden identisch?
Nein. Die Messelektroden erfassen die durchflussabhängige Spannung. Die Erdungselektrode dient dem Potenzialausgleich.
Benötigt ein Sensor mit Erdungselektrode noch Erdungsringe?
In vielen Standardanwendungen nicht. Besondere Rohrsysteme, kathodischer Schutz, Störströme oder mechanische Anforderungen können trotzdem zusätzliche Maßnahmen erforderlich machen.
Besitzt der SITRANS FMS500 Erdungselektroden?
Ja. Der Sensor verfügt über integrierte Erdungselektroden, wodurch für viele Anwendungen keine separaten Erdungsringe erforderlich sind.
Besitzt der MAG 5100 W integrierte Erdungselektroden?
Ja. Auch beim MAG 5100 W können dadurch in vielen Wasseranwendungen zusätzliche Erdungsringe entfallen. Die Einbauanleitung bleibt maßgeblich.
Welcher Werkstoff eignet sich für einen Erdungsring?
Der Werkstoff muss zum Medium, zur Temperatur und zur chemischen Belastung passen. Je nach Anwendung kommen Edelstahl oder unterschiedliche Sonderwerkstoffe infrage.
Kann ein Erdungsring aus Edelstahl immer verwendet werden?
Nein. Aggressive Medien können einen höher beständigen Werkstoff erfordern. Auch galvanische Wechselwirkungen mit anderen Prozesswerkstoffen müssen berücksichtigt werden.
Muss der Erdungsring dieselbe Werkstoffqualität wie die Messelektrode besitzen?
Nicht zwingend, aber beide Werkstoffe müssen für das Medium geeignet sein. Häufig ist eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit sinnvoll.
Wo wird der Erdungsring eingebaut?
Er wird üblicherweise zwischen Sensorflansch und Rohrflansch gemeinsam mit einer geeigneten Dichtung montiert.
Darf die Flanschdichtung den Erdungsring abdecken?
Die Dichtung darf den für den Flüssigkeitskontakt vorgesehenen inneren Bereich nicht vollständig isolieren. Die genaue Anordnung richtet sich nach der Herstellerzeichnung.
Warum muss der Erdungsring zentriert werden?
Ein versetzter Ring kann den Strömungsquerschnitt einschränken, Ablagerungen verursachen, die Dichtung beschädigen oder die Sensorauskleidung belasten.
Können die Flanschschrauben den Potenzialausgleich übernehmen?
Darauf sollte nicht ohne ausdrückliche Herstellervorgabe vertraut werden. Dichtungen, Beschichtungen, Korrosion oder Isolierhülsen können den elektrischen Kontakt unterbrechen.
Was ist ein Potenzialausgleichsband?
Es ist eine leitfähige Verbindung zwischen dem Sensor und angrenzenden Rohrflanschen beziehungsweise vorgesehenen Anlagenpunkten.
Warum werden Potenzialausgleichsbänder häufig auf beiden Seiten montiert?
Dadurch werden beide angrenzenden Rohrabschnitte mit dem Sensor verbunden und Potenzialunterschiede über den Messbereich reduziert.
Was passiert bei einer schlechten Kontaktstelle?
Der Übergangswiderstand kann schwanken. Dadurch verändert sich das Bezugspotenzial und der Durchflusswert kann instabil werden.
Kann Rost die MID-Messung beeinflussen?
Rost an Potenzialausgleichs- und Erdungskontakten kann den elektrischen Übergang verschlechtern. Rost innerhalb des Prozesses kann zusätzlich Elektroden und Auskleidung beeinflussen.
Wie verhält sich ein innen ausgekleidetes Metallrohr?
Die Flüssigkeit ist durch die Auskleidung elektrisch von der Metallwand getrennt. Für den Potenzialausgleich muss es häufig ähnlich wie ein Kunststoffrohr behandelt werden.
Was ist bei Gummiauskleidungen zu beachten?
Die Auskleidung isoliert das Medium elektrisch. Zusätzlich darf sie beim Einbau von Dichtungen und Erdungsringen nicht gequetscht oder beschädigt werden.
Was ist bei kathodisch geschützten Rohrleitungen zu beachten?
Der MID benötigt ein besonderes Isolations- und Überbrückungskonzept. Eine direkte Standarderdung kann den kathodischen Schutz beeinträchtigen oder Störströme durch den Sensor führen.
Darf eine kathodisch geschützte Leitung einfach mit Erde verbunden werden?
Nein. Die Installation muss gemeinsam mit dem Verantwortlichen für den kathodischen Schutz und anhand der Geräteanleitung geplant werden.
Kann eine falsche Erdung den kathodischen Korrosionsschutz stören?
Ja. Eine ungeeignete Verbindung kann Schutzströme ableiten oder Potenzialverhältnisse der Rohrleitung verändern.
Warum schwankt ein MID bei stillstehendem Medium?
Mögliche Ursachen sind Störspannungen, fehlender Potenzialausgleich, Luftblasen, tatsächliche Kleinströmungen, Vibrationen oder ungeeignete Nullpunkteinstellungen.
Kann ein MID einen negativen Durchfluss anzeigen, obwohl kein Medium fließt?
Ja. Ein instabiler Nullpunkt oder elektrische Störungen können kleine positive und negative Werte verursachen. Eine reale Rückströmung muss jedoch ebenfalls ausgeschlossen werden.
Hilft eine höhere Dämpfung gegen Erdungsfehler?
Sie kann die Anzeige beruhigen, behebt aber nicht die Ursache. Außerdem reagiert das Gerät anschließend langsamer auf echte Durchflussänderungen.
Kann die Schleichmengenunterdrückung einen Erdungsfehler verdecken?
Ja. Kleine Störsignale werden ausgeblendet, während der eigentliche elektrische Fehler bestehen bleibt.
Wann darf ein Nullpunktabgleich durchgeführt werden?
Erst wenn das Messrohr vollständig gefüllt, der Durchfluss sicher null und Potenzialausgleich, Elektrodenzustand sowie Installation geprüft sind.
Kann ein MID ohne ausreichende Leitfähigkeit messen?
Nein. Eine korrekte Erdung ersetzt nicht die vom Hersteller geforderte Mindestleitfähigkeit des Mediums.
Warum reagiert ein MID bei geringer Leitfähigkeit empfindlicher?
Der elektrische Übergang zwischen Medium und Elektroden wird hochohmiger. Dadurch gewinnen Kabelkapazität, Feuchtigkeit und Störspannungen stärker an Einfluss.
Kann demineralisiertes Wasser mit einem MID gemessen werden?
Das hängt von der tatsächlichen Leitfähigkeit und der Mindestanforderung des Geräts ab. Sehr reines Wasser kann für ein gewöhnliches MID ungeeignet sein.
Wie beeinflussen Luftblasen die Messung?
Sie können den Kontakt zwischen Medium und Messelektrode zeitweise unterbrechen und dadurch schwankende oder unplausible Werte erzeugen.
Warum muss das Messrohr vollständig gefüllt sein?
Nur bei vollständiger Füllung besteht ein definierter Strömungsquerschnitt und ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zu beiden Messelektroden.
Welche Einbaulage ist bei horizontalen Rohrleitungen sinnvoll?
Die Elektroden sollten üblicherweise seitlich liegen, damit sich weder Luftblasen an der oberen noch Ablagerungen an der unteren Elektrode sammeln.
Warum ist eine vertikale Strömung von unten nach oben günstig?
Das Messrohr bleibt besser gefüllt und Luftblasen werden mit der Strömung nach oben transportiert.
Können Elektrodenablagerungen wie ein Erdungsfehler wirken?
Ja. Sie verändern den elektrischen Kontakt und können einen unruhigen Nullpunkt, eine gedämpfte Messung oder Diagnosemeldungen verursachen.
Was ist bei getrennt montierten Messumformern besonders wichtig?
Vorgeschriebener Kabeltyp, zulässige Länge, Kabelschirmung, trockene Anschlussräume und räumliche Trennung zu Leistungskabeln sind entscheidend.
Darf ein normales Steuerkabel als Elektrodenkabel verwendet werden?
Nur wenn es ausdrücklich den Herstelleranforderungen entspricht. Ein beliebiges Steuerkabel kann ungeeignete Kapazität, Schirmung und Isolationswerte besitzen.
Soll der Kabelschirm einseitig oder beidseitig angeschlossen werden?
Das muss nach dem konkreten Geräteanschlussplan erfolgen. Eine allgemeine Regel darf nicht ungeprüft auf jedes MID-System übertragen werden.
Warum müssen Elektroden- und Motorkabel getrennt verlegt werden?
Motor- und Frequenzumrichterleitungen können starke elektromagnetische Störungen in das empfindliche Elektrodensignal einkoppeln.
Kann ein Frequenzumrichter die MID-Messung stören?
Ja. Besonders bei ungeeigneter Schirmung, gemeinsamem Kabelweg oder mangelhaftem Potenzialausgleich können Schaltstörungen sichtbar werden.
Wie lässt sich feststellen, ob die Störung in der SPS entsteht?
Die lokale Anzeige des MID wird mit dem SPS-Wert verglichen. Ist die lokale Anzeige stabil, sollte die Ausgangsleitung und SPS-Eingangsschaltung geprüft werden.
Kann ein 4–20-mA-Ausgang separat geprüft werden?
Ja. Das Ausgangssignal kann gemessen oder der SPS-Eingang mit einem geeigneten Prozesskalibrator simuliert werden. Dies prüft jedoch nicht den eigentlichen MID-Sensor.
Welche Informationen werden für eine Erdungsberatung benötigt?
Benötigt werden Gerätetyp, Rohrwerkstoff, Innenauskleidung, Medium, Leitfähigkeit, Nennweite, Einbausituation, Kabelweg, Ex-Anforderung und mögliche kathodische Schutzsysteme.
Kann ICS Schneider passende Erdungsringe auswählen?
Ja. Dafür werden mindestens Sensortyp, Nennweite, Flanschstandard, Druckstufe, Medium, Temperatur und gewünschter Werkstoff benötigt.