Schwebekörper-Durchflussmesser für Gase auslegen: Normzustand, Betriebsdruck und Gastemperatur richtig umrechnen

→ Produktkategorie: Durchflussmesstechnik

 

Ein Schwebekörper-Durchflussmesser kann bei einer Gasleitung einen scheinbar eindeutigen Wert anzeigen und trotzdem deutlich vom tatsächlich erwarteten Durchfluss abweichen. Häufig liegt die Ursache nicht in einem defekten Messgerät, sondern darin, dass der Durchflussmesser für andere Druck- oder Temperaturbedingungen ausgelegt wurde als diejenigen, die später tatsächlich im Prozess auftreten.

Bei Gasen ist dieser Zusammenhang besonders wichtig, weil ihre Dichte stark vom Druck und von der Temperatur abhängt. Ein Schwebekörper reagiert jedoch unmittelbar auf die Dichte des durchströmenden Mediums. Ändern sich die Prozessbedingungen, verändert sich deshalb auch der Zusammenhang zwischen Schwebekörperposition und Durchfluss.

Eine Skalenangabe wie:

0 … 10 m³/h

ist bei einem Gas daher nur dann vollständig aussagekräftig, wenn zusätzlich bekannt ist, für welches:

• Gas,
• Druckniveau,
• Temperaturniveau,
• Bezugs- beziehungsweise Normzustand

die Skala ausgelegt wurde.

Für die richtige Auslegung eines Schwebekörper-Durchflussmessers für Gase gehören Gasart, Betriebsdruck, Gastemperatur und gewünschte Durchflusseinheit deshalb zwingend zusammen.

Ein passendes industrielles Gerät ist der bei ICS Schneider angebotene Siemens SITRANS FVA250 Schwebekörper-Durchflussmesser. Das Gerät eignet sich für Flüssigkeiten, Gase und Dampf und kann abhängig von der Ausführung für anspruchsvolle Prozessbedingungen mit hohen Drücken und Temperaturen ausgelegt werden.

Weitere Lösungen finden Sie unter Durchflussmesstechnik sowie speziell unter Schwebekörper-Durchflussmesser bei ICS Schneider.

Wie funktioniert ein Schwebekörper-Durchflussmesser?

Ein Schwebekörper-Durchflussmesser arbeitet nach dem Prinzip der variablen Querschnittsfläche. Das Medium strömt durch einen Messbereich, dessen freier Strömungsquerschnitt sich mit der Position des Schwebekörpers verändert.

Der strömende Messstoff hebt den Schwebekörper an, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den wirkenden Kräften einstellt.

Vereinfacht wirken dabei:

• Gewichtskraft des Schwebekörpers,
• Auftrieb,
• Strömungskraft.

Mit zunehmendem Durchfluss bewegt sich der Schwebekörper weiter nach oben beziehungsweise in einen Bereich mit größerem freien Querschnitt.

Seine Position entspricht anschließend einem bestimmten Durchflusswert.

Beim SITRANS FVA250

wird die Bewegung des Schwebekörpers über ein Magnetsystem auf die außenliegende Anzeige übertragen.

Dadurch ist eine direkte lokale Durchflussanzeige auch bei einer Ganzmetallausführung möglich.

Warum sind Gase bei der Auslegung besonders kritisch?

Bei einer Flüssigkeit verändert sich die Dichte durch moderate Druckänderungen normalerweise nur vergleichsweise wenig.

Bei einem Gas ist das anders.

Die Gasdichte hängt wesentlich von:

• Absolutdruck,
• absoluter Temperatur,
• Gasart

ab.

Steigt der Druck

wird das Gas dichter.

Steigt die Temperatur

wird das Gas bei gleichem Druck weniger dicht.

Für den Schwebekörper bedeutet das

dass dieselbe Schwebekörperposition unter veränderten Prozessbedingungen nicht zwangsläufig demselben tatsächlichen Volumenstrom entspricht.

Deshalb muss bei Gasen immer gefragt werden

Für welche Gasdichte wurde diese Skala ausgelegt?

Betriebsvolumen und Normvolumen unterscheiden

Bei Gasdurchflüssen muss zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Größen unterschieden werden.

Betriebsvolumenstrom

Der Betriebsvolumenstrom beschreibt das tatsächliche Volumen, das das Gas unter den momentan vorhandenen Prozessbedingungen einnimmt.

Eine typische Einheit ist:

m³/h Betriebszustand

Normvolumenstrom

Beim Normvolumenstrom wird dieselbe Gasmenge auf definierte Bezugsbedingungen zurückgerechnet.

Eine typische Einheit ist:

Nm³/h

Das bedeutet

Ein Kubikmeter Gas unter hohem Druck enthält wesentlich mehr Gasmasse beziehungsweise Stoffmenge als ein Kubikmeter desselben Gases bei Atmosphärendruck.

Deshalb können beispielsweise

1 m³/h Betriebsvolumen

und:

1 Nm³/h

für dieselbe Anlage vollkommen unterschiedliche Gasströme beschreiben.

Was bedeutet Nm³/h?

Das „N“ in Nm³/h weist darauf hin, dass der Gasvolumenstrom auf definierte Normbedingungen bezogen wurde.

Typische Bezugsbedingungen sind beispielsweise

TN = 0 °C = 273,15 K

und:

pN = 1,01325 bar abs

Aber Vorsicht

Der konkrete Bezugszustand muss immer angegeben beziehungsweise geprüft werden.

In verschiedenen technischen Anwendungen können beispielsweise auch:

• 15 °C,
• 20 °C,
• andere Bezugsdrücke

verwendet werden.

Deshalb ist eine Angabe wie

100 Nm³/h

technisch erst vollständig definiert, wenn auch der zugrunde liegende Referenzzustand bekannt ist.

Warum die Referenzbedingungen der Skala entscheidend sind

Eine direkte Durchflussskala eines Schwebekörper-Durchflussmessers wird für bestimmte Mediums- und Zustandsdaten ausgelegt.

Beim SITRANS FVA250 nennt Siemens für die Referenzdaten der Gas-Messbereiche

• Gasdichte: 1,293 kg/m³,
• Temperatur: 0 °C,
• Viskosität: 0,0181 mPa·s,
• Überdruck: pe = 0 bar.

Diese Angaben zeigen sehr deutlich

dass ein angegebener Gas-Messbereich nicht unabhängig von:

Dichte + Druck + Temperatur + Gasart

betrachtet werden darf.

Für eine konkrete Anwendung

kann das Gerät deshalb mit einer zur Anwendung passenden Produktskala ausgelegt werden.

Das ist grundsätzlich vorzuziehen

wenn die Betriebsbedingungen bereits bei Bestellung bekannt sind.

Eine passend ausgelegte Skala reduziert spätere Umrechnungsfehler erheblich.

Warum immer mit Absolutdruck gerechnet werden muss

Einer der häufigsten Fehler bei Gasumrechnungen ist die Verwendung von Überdruck anstelle von Absolutdruck.

Ein Manometer zeigt beispielsweise

5 bar

an.

Das bedeutet normalerweise

5 bar Überdruck

Für die Gaszustandsrechnung wird jedoch benötigt

pabs

Näherungsweise gilt

pabs = pe + patm

Bei einem atmosphärischen Druck von ungefähr 1,013 bar ergibt sich

5 bar(g) ≈ 6,013 bar(a)

Die Rechnung mit lediglich 5 bar

würde deshalb einen systematischen Fehler verursachen.

Grundregel

Gasumrechnungen werden mit Absolutdruck durchgeführt.

Warum die Gastemperatur in Kelvin eingesetzt wird

Auch die Temperatur darf nicht einfach in Grad Celsius in eine Gasgleichung eingesetzt werden.

Verwendet wird die absolute Temperatur

in Kelvin:

T [K] = t [°C] + 273,15

Beispiel

20 °C = 293,15 K

und

50 °C = 323,15 K

Warum ist das wichtig?

Eine Berechnung mit:

20 / 0

für 20 °C gegenüber 0 °C wäre physikalisch nicht sinnvoll.

Mit Kelvin lässt sich dagegen das Verhältnis der absoluten Temperaturen korrekt darstellen.

Wie Druck und Temperatur die Gasdichte verändern

Für ein näherungsweise ideales Gas gilt:

ρ ∝ p / T

Die Gasdichte steigt daher

wenn:

• der Absolutdruck steigt,
• die Temperatur sinkt.

Die Gasdichte sinkt

wenn:

• der Absolutdruck fällt,
• die Temperatur steigt.

Dieser Zusammenhang beeinflusst unmittelbar

die Kräfte am Schwebekörper.

Bei gleichem Gas

kann die Dichte näherungsweise über:

ρ2 / ρ1 ≈ (p2 / p1) × (T1 / T2)

verglichen werden.

Bei hohen Drücken

kann das reale Gasverhalten zunehmend von der idealen Gasgleichung abweichen.

Dann muss gegebenenfalls zusätzlich der:

Kompressibilitätsfaktor Z

berücksichtigt werden.

Zwei unterschiedliche Umrechnungen nicht verwechseln

Bei Schwebekörper-Durchflussmessern werden häufig zwei verschiedene Berechnungen miteinander vermischt.

1. Zustandsumrechnung eines Gasvolumens

Hier wird ein bereits bekannter tatsächlicher Volumenstrom von einem Druck- und Temperaturniveau auf ein anderes umgerechnet.

Grundlage ist die Gasgleichung.

2. Korrektur einer Schwebekörper-Skala

Hier muss berücksichtigt werden, dass die Gasdichte selbst die Stellung des Schwebekörpers beeinflusst.

Deshalb tritt bei der näherungsweisen Korrektur:

eine Quadratwurzelbeziehung

auf.

Das bedeutet

Die einfache Normvolumenformel darf nicht direkt als Korrekturformel für eine unverändert verwendete Schwebekörper-Skala eingesetzt werden.

Schwebekörper-Skala bei verändertem Druck und Temperatur korrigieren

Wenn derselbe Gastyp verwendet wird und eine vorhandene Schwebekörper-Skala auf andere Druck- und Temperaturbedingungen bezogen ist, kann eine überschlägige Korrektur vorgenommen werden.

Für eine auf Norm- beziehungsweise Bezugsvolumen skalierte Anzeige kann näherungsweise gelten

Qkorr ≈ QAnzeige × √[(pB,abs / pRef,abs) × (TRef / TB)]

Dabei sind

• QAnzeige = abgelesener Durchfluss,
• pB,abs = tatsächlicher Absolutdruck am Messgerät,
• pRef,abs = Referenz-Absolutdruck der Skala,
• TB = tatsächliche Gastemperatur in Kelvin,
• TRef = Referenztemperatur in Kelvin.

Wichtig

Diese Beziehung ist eine technische Näherung.

Bei einer exakten Auslegung können zusätzlich relevant sein:

• Gasart,
• Schwebekörperdichte,
• Viskosität,
• Reynolds-Zahl,
• Kompressibilitätsfaktor,
• konkrete Messrohr- und Schwebekörpergeometrie.

Deshalb ist bei der Neuauslegung

eine werkseitig auf die tatsächlichen Prozessbedingungen ausgelegte Skala einer nachträglichen Näherungskorrektur vorzuziehen.

Betriebsvolumen in Normvolumen umrechnen

Ist der tatsächliche Betriebsvolumenstrom bereits bekannt, erfolgt die reine Zustandsumrechnung anders.

Für ein idealisiertes Gas gilt näherungsweise

QN = QB × (pB,abs / pN,abs) × (TN / TB)

Mit realem Gasverhalten kann zusätzlich gelten

QN = QB × (pB,abs / pN,abs) × (TN / TB) × (ZN / ZB)

Diese Formel beantwortet die Frage

Welches Volumen würde dieselbe Gasmenge unter Normbedingungen einnehmen?

Sie beantwortet nicht unmittelbar die Frage

Wie muss eine falsch skalierte Schwebekörperanzeige korrigiert werden?

Was passiert bei einer anderen Gasart?

Eine Schwebekörper-Skala ist nicht nur druck- und temperaturabhängig, sondern auch von der verwendeten Gasart abhängig.

Der Grund

ist insbesondere die unterschiedliche Gasdichte.

Beispiele

Die Dichte von:

• Wasserstoff,
• Helium,
• Stickstoff,
• Luft,
• Argon,
• Kohlendioxid

unterscheidet sich erheblich.

Eine für Luft ausgelegte Skala

kann deshalb nicht ohne Prüfung für:

CO₂

oder:

Wasserstoff

verwendet werden.

Als überschlägige Näherung

kann bei vergleichbaren Betriebsbedingungen eine Dichtekorrektur über eine Quadratwurzelbeziehung erfolgen.

Für eine belastbare Geräteauslegung

sollte jedoch die tatsächliche Gasart bereits bei der Auslegung angegeben werden.

Praxisbeispiel zur Druck- und Temperaturkorrektur

Ein vorhandener Schwebekörper-Durchflussmesser besitzt eine Gasskala, die auf einen Referenzzustand von ungefähr 0 °C und Atmosphärendruck bezogen wurde. Später soll dasselbe Gas bei erhöhtem Betriebsdruck verwendet werden.

Referenzbedingungen

pRef,abs = 1,013 bar

TRef = 273,15 K

Tatsächliche Betriebsbedingungen

Überdruck:

pe = 2,0 bar

Damit beträgt der Absolutdruck ungefähr

pB,abs = 3,013 bar

Gastemperatur

20 °C = 293,15 K

Abgelesener Skalenwert

QAnzeige = 6,0 m³/h

Überschlägiger Korrekturfaktor

K ≈ √[(3,013 / 1,013) × (273,15 / 293,15)]

Damit ergibt sich ungefähr

K ≈ 1,67

Der korrigierte bezogene Durchfluss liegt damit näherungsweise bei

Qkorr ≈ 6,0 × 1,67 ≈ 10,0 m³/h

Die entscheidende Erkenntnis

Ein identischer Skalenwert bei Atmosphärendruck und bei 2 bar Überdruck repräsentiert bei einem Gas nicht automatisch dieselbe Gasmenge.

Für eine reale Messstelle

sollte die endgültige Berechnung mit den tatsächlichen:

• Skalenbedingungen,
• Gasdaten,
• Prozessbedingungen,
• Gerätedaten

durchgeführt werden.

Druckregler vor oder hinter dem Durchflussmesser?

Bei Gasversorgungen befindet sich häufig ein Druckregler oder Regelventil in unmittelbarer Nähe des Schwebekörper-Durchflussmessers.

Die Position ist wichtig

weil sie beeinflusst, welcher Druck tatsächlich:

im Messrohr

herrscht.

Ein Durchflussmesser vor einem Drosselventil

kann beispielsweise unter einem deutlich höheren Druck arbeiten als ein Gerät, das hinter dem Druckminderer montiert wird.

Für die Auslegung ist deshalb nicht ausreichend

nur den Flaschendruck oder den Druck am Kompressor zu kennen.

Benötigt wird

der tatsächliche Betriebsdruck:

am Schwebekörper-Durchflussmesser

Bei schwankendem Gegendruck

kann sich auch die Gasdichte am Messgerät verändern.

Dadurch kann die Anzeige schwanken beziehungsweise systematisch beeinflusst werden.

Druckverlust des Schwebekörper-Durchflussmessers berücksichtigen

Auch ein Schwebekörper-Durchflussmesser erzeugt einen Druckverlust.

Bei Gasen ist deshalb

nicht nur der Versorgungsdruck relevant.

Es muss sichergestellt werden

dass der zur Verfügung stehende Differenzdruck für:

• Messgerät,
• Rohrleitung,
• Ventile,
• nachgeschaltete Verbraucher

ausreichend ist.

Für den SITRANS FVA250

gibt Siemens als Randbedingung an, dass der minimale Betriebsdruck größer als das Zweifache des jeweiligen Druckverlusts sein soll.

Bei sehr niedrigen Gasdrücken

kann dieser Punkt deshalb bereits bei der Geräteauswahl relevant werden.

Einbaulage und Strömungsrichtung

Das klassische Schwebekörperprinzip nutzt die Gewichtskraft als Bestandteil des Kräftegleichgewichts.

Für den SITRANS FVA250 ist die vorgesehene Einbaulage

vertikal

mit Strömungsrichtung

von unten nach oben

angegeben.

Eine falsche Einbaulage verändert das Kräftegleichgewicht und kann zu einer fehlerhaften Anzeige führen.

Bei der Montage sollten außerdem

• mechanische Rohrleitungsspannungen vermieden,
• Vibrationen reduziert,
• Prozessanschlüsse korrekt ausgerichtet

werden.

Pulsation und schwankende Anzeige bei Gasen

Gasleitungen können durch Kompressoren, Regler oder schnell schaltende Ventile ausgeprägte Druck- und Durchflussschwankungen aufweisen.

Das kann dazu führen

dass der Schwebekörper:

• schwingt,
• springt,
• keine stabile Position erreicht.

Siemens empfiehlt beim SITRANS FVA250 eine Dämpfung grundsätzlich bei der Messung von Gasen

beziehungsweise insbesondere dann, wenn Druckstöße, Turbulenzen oder andere Instabilitäten auftreten.

Eine stark schwankende Anzeige

sollte deshalb nicht sofort als:

Messfehler des Geräts

interpretiert werden.

Zunächst sollte geprüft werden

• ob der Gasdruck stabil ist,
• ob das Regelventil schwingt,
• ob Pulsationen vorhanden sind,
• ob der Durchfluss langsam aufgebaut wird.

Messbereich richtig auswählen

Ein Schwebekörper-Durchflussmesser sollte nicht allein nach dem maximal möglichen Gasdurchfluss ausgewählt werden.

Der normale Arbeitsbereich

sollte einen ausreichend gut ablesbaren Teil der Skala nutzen.

Beim SITRANS FVA250

nennt Siemens für die Messbereiche eine Dynamik von:

1:10

Beispiel

Wenn eine Anwendung normalerweise:

8 … 10 Nm³/h

benötigt, ist ein Messgerät mit:

0 … 100 Nm³/h

in vielen Fällen unnötig groß dimensioniert.

Eine passendere Skalierung

verbessert:

• Ablesbarkeit,
• Auflösung,
• Erkennung kleiner Durchflussänderungen.

Reserve ist trotzdem notwendig

für:

• Maximalbetrieb,
• Prozessschwankungen,
• Anfahrzustände.

Typische Fehler bei Schwebekörper-Durchflussmessern für Gase

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Anzeige passt nicht zum erwarteten Gasverbrauch	Skala für andere Druck- oder Temperaturbedingungen	Skalenreferenz und Betriebsdaten vergleichen
Messwert ändert sich nach Erhöhung des Leitungsdrucks	Veränderte Gasdichte	Absolutdruck und erforderliche Korrektur prüfen
Normvolumen und Betriebsvolumen werden verwechselt	Unklare Durchflusseinheit	Bezugszustand der Einheit feststellen
Umrechnung liefert deutlich falsche Werte	Überdruck statt Absolutdruck verwendet	pabs = pe + patm berücksichtigen
Temperaturkorrektur ist unplausibel	Grad Celsius direkt in Verhältnis eingesetzt	Temperatur in Kelvin umrechnen
Messgerät wurde für Luft ausgelegt, misst aber anderes Gas	Abweichende Gasdichte und Viskosität	Gasart neu berechnen beziehungsweise Skala neu auslegen
Schwebekörper schwankt stark	Pulsierender Gasstrom oder Druckschwankungen	Druckregelung und Dämpfung prüfen
Schwebekörper bleibt instabil	Zu geringer Betriebsdruck oder ungünstige Strömungsverhältnisse	Druckverlust und Betriebsdruck prüfen
Anzeige ist konstant systematisch verschoben	Falsche Referenzbedingungen	Skalierungsdaten mit realem Prozess vergleichen
Durchfluss stimmt nur bei einem bestimmten Betriebsdruck	Direktskala wurde für genau diesen Druck ausgelegt	Anwendungsdaten der ursprünglichen Auslegung prüfen
Anzeige liegt ständig am unteren Skalenrand	Messbereich zu groß gewählt	Kleineren Messbereich prüfen

Welche Daten werden für die Auslegung benötigt?

Für die zuverlässige Auslegung eines Schwebekörper-Durchflussmessers für Gase sollten die Prozessdaten möglichst vollständig angegeben werden.

1. Gasart

Zum Beispiel:

• Luft,
• Stickstoff,
• Argon,
• Kohlendioxid,
• Wasserstoff,
• Erdgas,
• Gasgemisch.

2. Gewünschter Durchflussbereich

Zum Beispiel:

2 … 20 Nm³/h

3. Gewünschte Durchflusseinheit

Es muss festgelegt werden, ob die Anzeige beispielsweise:

• l/h,
• m³/h Betriebszustand,
• Nl/min,
• Nm³/h

darstellen soll.

4. Bezugszustand

Bei Norm- oder Standardvolumeneinheiten müssen Temperatur und Druck des Bezugspunkts definiert werden.

5. Betriebsdruck am Messgerät

Wichtig ist:

Druck direkt an der Messstelle

und nicht lediglich der Druck der vorgelagerten Versorgung.

6. Gastemperatur

Sowohl:

• Normaltemperatur,
• Minimaltemperatur,
• Maximaltemperatur

sollten angegeben werden.

7. Prozessanschluss und Nennweite

Diese müssen zur Rohrleitung und zum benötigten Messbereich passen.

8. Werkstoffe

Die medienberührten Werkstoffe müssen mit dem Gas kompatibel sein.

9. Prozessdynamik

Zu berücksichtigen sind:

• Pulsationen,
• schnelle Ventilbewegungen,
• Kompressoren,
• stark wechselnder Gegendruck.

10. Signalübertragung

Wenn der Durchfluss nicht nur lokal abgelesen werden soll, muss geklärt werden, ob:

• Grenzschalter,
• Messumformer,
• elektrische Fernübertragung

benötigt werden.

Praxisfall: Stickstoffversorgung unter erhöhtem Druck

In einer Produktionsanlage soll Stickstoff zu mehreren Verbrauchern verteilt werden. Der vorhandene Schwebekörper-Durchflussmesser wurde ursprünglich für einen nahezu atmosphärischen Gasdruck ausgelegt. Nach einer Anlagenänderung wird die Messstelle jedoch hinter einem Druckregler mit deutlich höherem Druck betrieben.

Der Bediener stellt fest

dass die bisher bekannten Skalenwerte nicht mehr mit dem tatsächlichen Stickstoffverbrauch übereinstimmen.

Bei der Analyse werden zunächst folgende Daten erfasst

• Gasart: Stickstoff,
• gewünschter Normvolumenstrom,
• Betriebsdruck am Durchflussmesser,
• Gastemperatur,
• Bezugsbedingungen der vorhandenen Skala.

Dabei zeigt sich

dass die ursprüngliche Skala für eine deutlich niedrigere Gasdichte ausgelegt wurde.

Die höhere Gasdichte im neuen Betriebszustand

verändert das Kräftegleichgewicht am Schwebekörper und damit den Zusammenhang zwischen:

Schwebekörperposition ↔ Gasdurchfluss

Eine einfache Übernahme des alten Skalenwerts

ist deshalb nicht zulässig.

Für den dauerhaften Anlagenbetrieb

wird der Schwebekörper-Durchflussmesser passend zu:

• Stickstoff,
• tatsächlichem Betriebsdruck,
• tatsächlicher Gastemperatur,
• gewünschter Normvolumeneinheit

ausgelegt.

Ergebnis

Durch die anwendungsbezogene Skalierung kann der Bediener den benötigten Gasdurchfluss anschließend direkt ablesen, ohne bei jedem Messwert eine manuelle Druck- und Temperaturkorrektur durchführen zu müssen.

Siemens SITRANS FVA250 bei ICS Schneider

Für industrielle Anwendungen mit Gasen führt ICS Schneider den:

Siemens SITRANS FVA250 Schwebekörper-Durchflussmesser

Der FVA250 arbeitet nach dem Schwebekörperprinzip

und eignet sich für:

• Flüssigkeiten,
• Gase,
• Dampf.

ICS nennt unter anderem folgende Merkmale

• robuste Ganzmetallausführung,
• schlagfester Gehäusedeckel,
• Einsatz bei hohen Drücken und Temperaturen,
• Eignung für korrosive und brennbare Medien abhängig von der Ausführung,
• Produkt- und Prozentskalen,
• verschmutzungsresistente Schwebekörperführung,
• optional Heiz- oder Kühlmantel,
• optional Messumformer,
• optional Endschalter.

Für Gasdurchflussmessungen besonders relevant

ist die Möglichkeit, die Skala an die konkrete Anwendung anzupassen.

Für die Referenz-Messbereichsdaten bei Gas nennt Siemens

ρ = 1,293 kg/m³

bei:

0 °C

und:

pe = 0 bar

Die Messbereichsdynamik beträgt

1:10

Für Gase nennt Siemens als Messgenauigkeit

±2,0 % nach VDI/VDE 3513-2 bei qG = 50 %

Die vorgesehene Einbaulage ist

vertikal / Durchfluss von unten nach oben

Abhängig von der Ausführung

stehen unterschiedliche:

• Nennweiten,
• Druckstufen,
• Werkstoffe,
• Temperaturbereiche,
• Messbereiche

zur Verfügung.

Damit eignet sich der FVA250 insbesondere

für industrielle Gasdurchflussmessungen, bei denen:

Gasart + Betriebsdruck + Temperatur + gewünschter Skalenbezug

bereits bei der Auslegung berücksichtigt werden sollen.

Fazit

Bei einem Schwebekörper-Durchflussmesser für Gase reicht es nicht aus, lediglich den gewünschten Durchflussbereich zu kennen. Da die Gasdichte unmittelbar von Druck, Temperatur und Gasart abhängt, müssen diese Größen bereits bei der Auslegung des Messgeräts berücksichtigt werden.

Betriebsvolumen und Normvolumen sind unterschiedliche Größen

m³/h Betriebszustand ≠ Nm³/h

Der Bezugszustand muss eindeutig definiert sein

Insbesondere die Referenztemperatur und der Referenzdruck gehören zu jeder eindeutigen Normvolumenangabe.

Bei Druckberechnungen ist der Absolutdruck entscheidend

pabs = pe + patm

Temperaturen müssen absolut eingesetzt werden

T [K] = t [°C] + 273,15

Die normale Gaszustandsumrechnung darf nicht mit der Korrektur der Schwebekörper-Skala verwechselt werden

Die Schwebekörperposition selbst ist von der Gasdichte abhängig. Deshalb tritt bei der Skalierung beziehungsweise überschlägigen Korrektur eine Quadratwurzelbeziehung auf.

Für neue Messstellen ist eine passende Produktskala die bessere Lösung

Wenn Gasart, Betriebsdruck und Temperatur bekannt sind, sollte das Gerät möglichst direkt für diese Bedingungen ausgelegt werden.

Der SITRANS FVA250 bietet hierfür eine industrielle Lösung

mit robuster Ganzmetallausführung, unterschiedlichen Prozessausführungen sowie Produkt- und Prozentskalen.

Für die Praxis gilt

Gasart festlegen → gewünschten Durchflussbereich bestimmen → klären, ob Betriebs- oder Normvolumen angezeigt werden soll → Bezugszustand definieren → Betriebsdruck direkt am Messgerät bestimmen → Druck in Absolutdruck umrechnen → Gastemperatur erfassen → Temperatur in Kelvin betrachten → Gasdichte beziehungsweise Skalierungsbedingungen prüfen → Messbereich und Nennweite auswählen → Druckverlust berücksichtigen → vertikale Einbaulage sicherstellen → bei Gasen Pulsationen und Dämpfung berücksichtigen → passende Produktskala bestellen → Messwert nach der Inbetriebnahme plausibilisieren.

FAQ: Schwebekörper-Durchflussmesser für Gase richtig auslegen

Warum muss bei einem Schwebekörper-Durchflussmesser für Gas der Druck angegeben werden?

Weil sich die Gasdichte mit dem Druck verändert und die Gasdichte wiederum die Position des Schwebekörpers beeinflusst.

Warum muss auch die Gastemperatur bekannt sein?

Die Gasdichte sinkt mit steigender absoluter Temperatur. Dadurch verändert sich ebenfalls der Zusammenhang zwischen Schwebekörperposition und Durchfluss.

Was bedeutet Nm³/h?

Nm³/h bezeichnet einen Gasvolumenstrom, der auf definierte Normbedingungen bezogen wurde.

Ist Nm³/h dasselbe wie m³/h?

Nein. m³/h kann einen tatsächlichen Betriebsvolumenstrom beschreiben, während Nm³/h auf definierte Druck- und Temperaturbedingungen zurückgerechnet ist.

Welche Normbedingungen gelten für Nm³/h?

Häufig werden 0 °C und 1,01325 bar absolut verwendet. Der konkrete Bezugszustand sollte jedoch immer ausdrücklich angegeben beziehungsweise geprüft werden.

Warum darf ich bei der Umrechnung nicht mit Überdruck rechnen?

Gasdichte und Gasgleichungen beziehen sich auf den Absolutdruck. Zu einem angezeigten Überdruck muss daher der atmosphärische Druck addiert werden.

Wie rechne ich Überdruck in Absolutdruck um?

Näherungsweise mit pabs = pe + patm.

Wie viel Absolutdruck entsprechen 5 bar Überdruck?

Bei ungefähr 1,013 bar Atmosphärendruck sind das rund 6,013 bar absolut.

Warum muss die Temperatur in Kelvin eingesetzt werden?

Gasgleichungen verwenden absolute Temperaturverhältnisse. Daher gilt T [K] = t [°C] + 273,15.

Wie viel Kelvin entsprechen 20 °C?

293,15 K.

Was passiert mit der Gasdichte, wenn der Druck steigt?

Bei gleicher Temperatur steigt die Gasdichte mit zunehmendem Absolutdruck.

Was passiert mit der Gasdichte, wenn die Temperatur steigt?

Bei gleichem Druck sinkt die Gasdichte mit steigender Temperatur.

Warum verändert die Gasdichte die Anzeige eines Rotameters?

Weil das Kräftegleichgewicht des Schwebekörpers unter anderem durch Auftrieb und Strömungskräfte bestimmt wird, die von der Mediumsdichte abhängen.

Kann ich ein für Luft ausgelegtes Rotameter für Stickstoff verwenden?

Nur nach Prüfung beziehungsweise entsprechender Korrektur oder Neuauslegung. Auch bei ähnlichen Gasen unterscheiden sich die Dichten.

Kann ich ein Luft-Rotameter für CO₂ verwenden?

Nicht ohne Anpassung. Die deutlich andere Gasdichte verändert den Zusammenhang zwischen Durchfluss und Schwebekörperposition.

Kann ich einfach die ideale Gasgleichung verwenden, um die Rotameter-Anzeige zu korrigieren?

Nicht direkt. Die reine Gaszustandsumrechnung und die Korrektur einer Schwebekörper-Skala sind zwei unterschiedliche Vorgänge.

Warum enthält die Skalenkorrektur eine Quadratwurzel?

Weil der Zusammenhang zwischen Gasdichte, Strömungskräften und der Gleichgewichtslage des Schwebekörpers nicht linear zum Volumenstrom ist.

Ist die Quadratwurzelformel immer exakt?

Nein. Sie ist eine Näherung. Für eine genaue Auslegung können Gasart, Viskosität, Schwebekörpergeometrie, Reynolds-Zahl und reales Gasverhalten relevant sein.

Wann sollte eine neue Skala ausgelegt werden?

Wenn sich Gasart oder Betriebsbedingungen dauerhaft deutlich von den ursprünglichen Skalierungsbedingungen unterscheiden, ist eine passende Neuauslegung vorzuziehen.

Welcher Druck ist für die Auslegung wichtig?

Der tatsächliche Druck am Schwebekörper-Durchflussmesser beziehungsweise im Messbereich ist entscheidend.

Reicht es aus, den Kompressordruck anzugeben?

Nein. Druckregler, Ventile und Leitungsverluste können dazu führen, dass am Messgerät ein deutlich anderer Druck vorliegt.

Spielt der Gegendruck eine Rolle?

Ja. Ein veränderlicher Gegendruck kann den Druck und damit die Gasdichte im Messgerät verändern.

Hat ein Schwebekörper-Durchflussmesser einen Druckverlust?

Ja. Der jeweilige Druckverlust hängt von Gerät, Messbereich und Ausführung ab und muss bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden.

Wie muss der SITRANS FVA250 eingebaut werden?

Siemens gibt eine vertikale Einbaulage mit Durchfluss von unten nach oben an.

Warum schwankt der Schwebekörper bei Gas?

Mögliche Ursachen sind pulsierender Durchfluss, Druckschwankungen, Reglerbewegungen, Turbulenzen oder schnelle Ventilvorgänge.

Ist bei Gasen eine Dämpfung sinnvoll?

Ja. Siemens empfiehlt beim FVA250 eine Dämpfung grundsätzlich für Gasmessungen beziehungsweise bei instabilen Strömungsbedingungen.

Welche Messbereichsdynamik besitzt der SITRANS FVA250?

Siemens nennt für die Messbereiche eine Dynamik von 1:10.

Wie genau misst der SITRANS FVA250 bei Gasen?

Siemens nennt eine Messgenauigkeit von ±2,0 % nach VDI/VDE 3513-2 bei qG = 50 %.

Für welche Medien eignet sich der SITRANS FVA250?

ICS nennt Flüssigkeiten, Gase und Dampf.

Kann der SITRANS FVA250 bei hohen Drücken eingesetzt werden?

Ja. ICS beschreibt das Gerät ausdrücklich als für hohe Drücke und hohe Temperaturen geeignet. Die zulässige Druckstufe hängt von der konkreten Geräteausführung ab.

Kann der SITRANS FVA250 auch bei korrosiven Medien eingesetzt werden?

ICS nennt entsprechende Ausführungen für korrosive Medien. Die konkrete Werkstoffauswahl muss zum jeweiligen Medium passen.

Gibt es beim SITRANS FVA250 eine elektrische Signalübertragung?

Ja. ICS nennt Messumformer und Endschalter als verfügbare Optionen.

Gibt es beim SITRANS FVA250 unterschiedliche Skalen?

Ja. ICS nennt Produkt- und Prozentskalen.

Welche Angaben sollte ich für eine Anfrage zu einem Gas-Rotameter machen?

Mindestens Gasart, gewünschten Durchflussbereich, gewünschte Einheit, Bezugszustand, Betriebsdruck am Messgerät, Gastemperatur, Nennweite beziehungsweise Anschluss, Werkstoffanforderungen und gegebenenfalls gewünschte elektrische Signale.

Wo finde ich den SITRANS FVA250 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens SITRANS FVA250 Schwebekörper-Durchflussmessgerät bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Schwebekörper-Durchflussmesser bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter Schwebekörper-Durchflussmesser bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter Durchflussmesstechnik bei ICS Schneider.