Durchflussmesser – Verfahren und Messprinzipien der Durchflussmessung

Was ist Durchfluss?

Als Durchfluss bezeichnet man eine Menge, die in einer bestimmten Zeiteinheit transportiert wird.
Das Fluid (Gas oder Flüssigkeit) kann dabei in geschlossenen Rohren, Kanälen oder offenen Gerinnen wie z.B. Flüssen oder Wasserkanälen fließen.
Anstelle des Begriffes „Durchfluss“ wird auch der Begriff „Durchflussrate“ verwendet.

Man unterscheidet zwischen:

• Volumen-Durchfluss
  Volumen-Durchfluss= Volumen pro Zeiteinheit
  q_V=V/t
  Die SI-Einheit ist: [m³/s]. Diese wird aber in der Technik relativ selten verwendet.
  Üblich sind die Einheiten: L/h, L/min, m³/h oder im angloamerikanischen Raum GPH, GPM, SCFM. Da der Volumen-Durchfluss am einfachsten zu bestimmen ist, wird dieser in der Technik am häufigsten benutzt.
  Nachteil ist, besonders bei Gasen, die Abhängigkeit von Druck und Temperatur.
  Der Volumen-Durchfluss kann über die Dichte in den Massen-Durchfluss umgerechnet werden.
  
  
• Masse-Durchfluss
  Massen-Durchfluss= Masse pro Zeiteinheit
  q_m=m/t
  Die SI-Einheit ist: [kg/s]
  Wegen der Unabhängigkeit von Druck und Temperatur ist der Masse-Durchfluss die ideale Messgröße, die sich aber häufig direkt, nur über teure Messverfahren, wie Coriolis Masse-Durchflussmesser oder thermische Masse-Durchflussmesser, bestimmen lässt. Der Massen-Durchfluss kann über die Dichte in den Volumen-Durchfluss umgerechnet werden.
  
  
• Strömungsgeschwindigkeit
  Die Strömungsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich ein Medium (z. B. Wasser, Luft oder Gas) durch eine Leitung bewegt.
  Die Strömungsgeschwindigkeit steht in direktem Zusammenhang mit dem Durchfluss und ergibt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit und der Querschnittsfläche der Leitung:
  Die SI-Einheit ist: [m/s]
  Durchfluss = Strömungsgeschwindigkeit × Querschnittsfläche
  [m³/s] = [m/s] x [m²]
  Warum ist die Strömungsgeschwindigkeit wichtig?
  
  • Eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit kann Druckverluste, Geräuschentwicklung, erhöhten Verschleiß oder Kavitation verursachen.
  • Eine zu niedrige Geschwindigkeit kann Ablagerungen begünstigen oder die Effizienz einer Anlage verringern. Deshalb gibt es je nach Anwendung empfohlene Geschwindigkeitsbereiche.

Laminare und turbulente Strömung

Als Strömung bezeichnet man die Bewegung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums.
Sie beschreibt den Bewegungszustand des Mediums innerhalb eines Rohrleitungssystems oder eines offenen Strömungsraums.
Dagegen ist der Durchfluss das Volumen oder die Masse die in einer bestimmten Zeiteinheit fließt. Je nach Bewegungszustand unterscheidet man zwischen laminarer und turbulenter Strömung.
Auch Strömungsrichtung, Druckverteilung und Geschwindigkeitsverteilung können die Eigenschaften einer Strömung beschreiben.
Die Strömungsart beeinflusst das Geschwindigkeitsprofil, den Druckverlust und die Genauigkeit verschiedener Durchflussmessverfahren.

Laminare Strömung

Bei einer laminaren Strömung bewegt sich das Medium weitgehend geordnet in parallel verlaufenden Schichten.
Die einzelnen Fluidschichten vermischen sich nur wenig.
Bei einer laminaren Rohrströmung ist das Geschwindigkeitsprofil annähernd parabolisch. Die Strömungsgeschwindigkeit ist an der Rohrwand aufgrund der Reibung nahezu null und erreicht in der Rohrmitte ihr Maximum.
Eine laminare Strömung tritt insbesondere auf bei:

• niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
• kleinen Rohrdurchmessern
• Flüssigkeiten mit hoher Viskosität
• niedrigen Reynolds-Zahlen

Turbulente Strömung

Bei einer turbulenten Strömung ist die Bewegung des Mediums unregelmäßig.
Es entstehen Wirbel und Geschwindigkeitsschwankungen, wodurch eine intensive Durchmischung des Mediums erfolgt.
Das Geschwindigkeitsprofil einer turbulenten Rohrströmung ist wesentlich flacher als bei einer laminaren Strömung.
In industriellen Rohrleitungssystemen ist die Strömung häufig turbulent.
Turbulente Strömungen treten insbesondere auf bei:

• hohen Strömungsgeschwindigkeiten
• großen Rohrdurchmessern
• niedriger Viskosität
• hohen Reynolds-Zahlen

Übergang von laminarer zu turbulente Strömung

Zwischen laminarer und turbulenter Strömung gibt es keinen unter allen Bedingungen eindeutig abgegrenzten, abrupten Übergang
Insbesondere bei Rohrströmungen gibt es einen Übergangsbereich, in dem die Strömung zunehmend instabil wird und sowohl laminare als auch turbulente Strömungsstrukturen auftreten können. Steigt die Reynolds-Zahl weiter an bildet sich eine turbulente Strömung aus.

Ob eine Strömung laminar oder turbulent ist, wird bei Rohrströmungen üblicherweise mit der Reynolds-Zahl (Re) beurteilt.

Unterschied zwischen laminarer und turbulenter Strömung

Der wichtigste Unterschied besteht in der Bewegung und Durchmischung des Mediums.
Bei laminarer Strömung bewegen sich die Fluidschichten weitgehend geordnet, während bei turbulenter Strömung Wirbel und starke Geschwindigkeitsschwankungen auftreten.
Welche Strömungsform gewünscht ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Für die Durchflussmessung ist die Strömungsart von großer Bedeutung. Rohrbögen, Ventile, T-Stücke oder Pumpen können das Geschwindigkeitsprofil verändern und dadurch die Messgenauigkeit beeinflussen.
Deshalb benötigen viele Durchflussmessgeräte definierte Einlauf- und Auslaufstrecken.
Eine möglichst stabile und reproduzierbare Strömung ist eine wichtige Voraussetzung für genaue Durchflussmessungen.

Reynoldszahl - Kennzahl für Strömung und Durchfluss

Die Reynoldszahl (Re) ist eine dimensionslose Kennzahl zur Beurteilung des Strömungsverhaltens eines Mediums.
Bei der Durchflussmessung ist sie besonders wichtig, weil sie angibt, ob eine Strömung überwiegend laminar oder turbulent ist.
Die Reynoldszahl beschreibt das Verhältnis zwischen den Trägheitskräften und den Zähigkeitskräften innerhalb einer Strömung. Sie hängt unter anderem von der Strömungsgeschwindigkeit, der charakteristischen Länge, der Dichte und der dynamischen Viskosität des Mediums ab.
Für eine Strömung in einem Rohr wird die Reynoldszahl üblicherweise mit folgender Formel berechnet:
Re = Reynolds-Zahl [dimensionslos]
ρ = Dichte des Mediums [kg/m³]
v = mittlere Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
d = Rohrinnendurchmesser [m]
η = dynamische Viskosität [Pa·s]

Für eine Strömung im geraden Rohr gelten als typische Richtwerte:


Da die Strömungsgeschwindigkeit in direktem Zusammenhang mit dem Durchfluss steht, gilt bei bekanntem Rohrquerschnitt: Q = Durchfluss [m³/s]
v = mittlere Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
A = Rohrinnendurchmesser [m²]

Mit zunehmendem Durchfluss steigt daher auch die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Reynoldszahl.
Bei kleinen Reynoldszahlen überwiegen die Zähigkeitskräfte. Die Flüssigkeit oder das Gas bewegt sich dann überwiegend laminar, also in weitgehend geordneten Strömungsschichten.
Bei hohen Reynoldszahlen dominieren dagegen die Trägheitskräfte und es entsteht eine turbulente Strömung mit stärkeren Geschwindigkeits- und Druckschwankungen.

Rechner zur Berechnung der Reynoldszahl in Rohrleitungen
Anmerkung: Die Reynolds-Zahl wird nicht ausschließlich zur Beurteilung der Strömungsverhältnisse in Rohrleitungen eingesetzt. In der Strömungslehre beschreibt sie grundsätzlich das Verhältnis von Trägheitskräften zu Zähigkeitskräften und ist damit ein wichtiger Kennwert zur Charakterisierung von Strömungen.
Bei Rohrströmungen wird als charakteristische Länge in der Regel der Rohrinnendurchmesser verwendet.
Bei anderen Strömungsproblemen kann anstelle des Rohrdurchmessers eine andere, für die jeweilige Geometrie geeignete "charakteristische Länge" eingesetzt werden, beispielsweise die Länge eines Strömungskörpers in Strömungsrichtung.
Da geometrisch ähnliche Strömungen bei gleicher Reynolds-Zahl ein vergleichbares Strömungsverhalten aufweisen, können Strömungsvorgänge auch anhand verkleinerter Modelle untersucht werden. Dies wird beispielsweise im Automobil- und Flugzeugbau bei Versuchen im Windkanal genutzt. Voraussetzung ist dabei, dass für Modell und Original die maßgebenden Ähnlichkeitsbedingungen, insbesondere eine vergleichbare Reynolds-Zahl, berücksichtigt werden.

Ein- / Auslaufstrecken

Bei der Installation eines Durchflussmessgerätes müssen häufig bestimmte gerade Rohrstrecken vor und hinter dem Messgerät eingehalten werden.
Diese werden als Einlaufstrecke (upstream) und Auslaufstrecke (downstream) bezeichnet.
Sie sollen sicherstellen, dass das Messgerät unter definierten und möglichst reproduzierbaren Strömungsbedingungen arbeitet.
Die benötigten Ein-/und Auslaufstrecken können je nach Messverfahren, Rohrleitungsgeometrie und Art der Störung erheblich unterschiedlich sein.
Die Hersteller der Durchflussmessgeräte legen deshalb die Mindestlängen für die Einlauf- und Auslaufstrecke oft selbst fest.

• Einlaufstrecke

  Die Einlaufstrecke ist der gerade Rohrabschnitt vor dem Durchflussmessgerät.
  Sie dient dazu, Störungen der Strömung vor dem Messgerät zu reduzieren und ein möglichst geeignetes Strömungsprofil zu ermöglichen.
  Rohrleitungselemente wie Rohrbögen, T-Stücke, Ventile, Reduzierungen, Erweiterungen oder Pumpen können das Strömungsprofil verändern und zu Wirbeln, Drall oder asymmetrischer Geschwindigkeitsverteilung führen. Wird ein Durchflussmessgerät unmittelbar hinter einem solchen Einbau installiert, kann dies zu Messabweichungen führen.
  Die erforderliche Einlaufstrecke wird häufig als Vielfaches des Rohrinnendurchmessers (D) angegeben.
  Oft verwendete Faustformel:10 x D
  D = Rohrinnendurchmesser
  Beispiel: Bei einem Rohr mit 100 mm Innendurchmesser, sollte eine Einlaufstrecke von 1000 mm vorgesehen werden.
  

• Auslaufstrecke

  Die Auslaufstrecke ist der gerade Rohrabschnitt hinter dem Durchflussmessgerät.
  Sie kann erforderlich sein, um den Einfluss nachgeschalteter Rohrleitungselemente auf das Messgerät zu vermeiden oder zu reduzieren.
  Die erforderliche Auslaufstrecke ist häufig deutlich kürzer als die Einlaufstrecke, da Störungen vor dem MEssgerät oft wesentlich kritischer sind..
  Oft verwendete Faustformel:5 x D
  D = Rohrinnendurchmesser

Orientierungswerte für erforderliche Ein- und Auslaufstrecken nach Rohrleitungseinbauten

Grundsätzlich gelten die Einbauvorgaben des Messgeräte-Herstellers

Wie kann man den Durchfluss messen?

In der Technik stehen die unterschiedlichsten Messgeräte zur Bestimmung des Durchflusses zur Auswahl.
Die Auswahl des geeigneten Durchflussmessers erfolgt nach:

• Art des Fluids (Gas, Flüssigkeiten, Feststoff)
• Durchflussmenge
• Eigenschaften des Fluid (z.B.: Viskosität, Leitfähigkeit, Verunreinigung, Farbe)
• Chemische Beständigkeit gegenüber dem Fluid
• Betriebstemperatur, Betriebsdruck
• Gewünschte Genauigkeit, Reproduzierbarkeit
• Anschlussart (Gewinde, Flansch, Hygiene-/Sanitäranschluss)
• Gewünschte Anzeige (mechanische Vorortanzeige, Ausgänge zur Fernübertagung, Kontakte)
• Einsatzort (Umgebungsbedingungen, Indoor/Outdoor, Bergbau, Fahrzeuge usw.)
• Zertifikate/Zulassungen (ATEX, IECEx, SIL, Hart®, Fieldbus®, Modebus)
• Kosten