Magnetisch-induktive Durchflussmesser (MID) – Messprinzip, Einsatzgebiete und Auswahl

Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID) ist ein präzises Messgerät zur Bestimmung des Volumenstroms elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten. Das Messverfahren basiert auf dem Faradayschen Induktionsgesetz und ermöglicht eine berührungslose, verschleißarme und äußerst genaue Durchflussmessung.
Da keine beweglichen Teile im Messrohr vorhanden sind, zeichnen sich magnetisch-induktive Durchflussmesser durch eine hohe Zuverlässigkeit und einen geringen Wartungsaufwand aus.
Magnetisch-induktive Durchflussmesser (MID) kommen in zahlreichen Branchen zum Einsatz. Sie werden unter anderem in der Wasser- und Abwassertechnik, der Chemieindustrie, der Lebensmittel- und Getränkeproduktion, der Pharmaindustrie sowie in Energie- und Umweltanlagen verwendet. Überall dort, wo leitfähige Flüssigkeiten wie Wasser, Säuren, Laugen, Schlämme oder Suspensionen präzise gemessen werden müssen, gelten MID als bewährte Lösung.
Zu den wichtigsten Vorteilen eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers zählen die hohe Messgenauigkeit über einen großen Messbereich, der nahezu druckverlustfreie Betrieb sowie die Unempfindlichkeit gegenüber Dichte, Viskosität und Temperaturänderungen des Mediums. Voraussetzung für die Messung ist jedoch eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit, weshalb Gase, Dampf und die meisten Öle mit diesem Messverfahren nicht erfasst werden können.

Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers (MID)

Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser (MID) misst den Volumenstrom elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten berührungslos und mit hoher Präzision. Das Messprinzip basiert auf dem Faradayschen Induktionsgesetz, nach dem in einem elektrischen Leiter eine Spannung erzeugt wird, wenn er sich durch ein Magnetfeld bewegt.
Bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser übernimmt die fließende Flüssigkeit die Rolle des bewegten Leiters. Das Messrohr wird von einem Magnetfeld durchdrungen, das durch Spulen erzeugt wird. Strömt die elektrisch leitfähige Flüssigkeit durch dieses Magnetfeld, entsteht eine elektrische Spannung. Diese wird von gegenüberliegenden Elektroden erfasst und ausgewertet.
Da die induzierte Spannung proportional zur Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist, kann der Durchflussmesser daraus den Volumenstrom exakt berechnen.


Das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers lässt sich in vier Schritten erklären:

• Erzeugung eines Magnetfeldes
  Durch elektromagnetische Spulen wird durch die Rohrwandung ein definiertes Magnetfeld innerhalb des gesamten Messrohres erzeugt. Das Magnetfeld verläuft senkrecht zur Flussrichtung der Flüssigkeit.
• Durchströmung des Messrohres
  Als bewegter Leiter fließt eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit durch das Messrohr und somit durch das Magnetfeld.
• Induktion einer Messspannung
  
  • Kein Durchfluss vorhanden:
    Die elektrische Ladung in der Flüssigkeit ist gleichmäßig verteilt.
    Es kann keine Spannung gemessen werden.
    
  • Durchfluss vorhanden:
    Sobald die Flüssigkeit zu fließen beginnt, übt das Magnetfeld auf die geladenen Teilchen eine Kraft aus.
    Die positiv bzw. negativ Ladungen werden getrennt und sammeln sich im Bereich der beiden Elektroden an.
    Somit entsteht eine elektrische Spannung, die über die beide Elektroden erfasst und gemessen wird.
    Je höher die Fließgeschwindigkeit, desto größer ist die gemessene Spannung.
• Berechnung des Durchflusses
  In einer nachgeschalteten Auswerte-Elektronik wird das Spannungssignal gemssen und daraus die Fließgeschwindigkeit bzw. der Volumenstrom berechnet.

Faradaysches Induktionsgesetz

Das Messprinzip basiert auf folgender physikalischer Beziehung nach dem Faradayschen Induktionsgesetz:
U = B × L × v
Dabei gilt: U = induzierte Spannung
B = magnetische Flussdichte
L = Elektrodenabstand
v = mittlere Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit
Da Magnetfeld und Elektrodenabstand konstant sind, ist die gemessene Spannung direkt proportional zur Geschwindigkeit des Mediums.

Diese Formel beschreibt jedoch einen idealen Fall, bei dem ein homogener Leiter mit konstanter Geschwindigkeit senkrecht durch ein gleichmäßiges Magnetfeld bewegt wird.
In der Realität sind die Verhältnisse jedoch komplexer. Viele Hersteller ergänzen deshslb die Gleichung zu:
U = k × B × L × v

Dabei ist k ein dimensionsloser Korrektur- oder Kalibrierfaktor.
Der Faktor k berücksichtigt zusätzlich verschiedene reale Einflüsse wie die Sensorgeometrie, die Magnetfeldverteilung, das Strömungsprofil und Fertigungstoleranzen,die in der idealisierten Formel nicht enthalten sind.
Zum Beispiel:

• Strömungsprofil
  In einer Rohrleitung ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit nicht an allen Stellen konstant.
  Bei laminarer Strömung ist die Fließgeschwindigkeit in der Rohrmitte deutlich höher als am Rand. Die Elektroden erfassen jedoch die Spannung über den gesamten Querschnitt. Der Zusammenhang zwischen gemessener Spannung und mittlerer Fließgeschwindigkeit muss berücksichtigt werden.
• Magnetfeldverteilung
  Das Magnetfeld wird von Spulen erzeugt und ist nie vollkommen gleichmäßig.
  Auch die Elektroden erfassen die induzierte Spannung nicht über den gesamten Rohrquerschnitt gleichmäßig. Kleine Unterschiede in der Feldstärke beeinflussen die induzierte Spannung.
• Fertigungstoleranzen
  Auch hochwertige Sensoren weisen geringe Abweichungen auf, z.B. bei der Spulenposition, Auskleidung des Sensors, Rohrdurchmesserund Abstand der Elektroden.

Bei der Kalibrierung der Geräte werden diese Abweichungen erfasst und im Kalibrierfaktor "k" berücksichtigt.

Aufbau eines MID

Für die Durchlussmessung mit einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser (MID), muss ein Magnetfeld erzeugt, die induzierte Messspannung erfasst und daraus den Volumenstrom errechnet werden. Der Durchflussmesser besteht deshalb aus folgenden Grundbauteilen:

• Messrohr
  Das Messrohr bildet den Strömungskanal des Durchflussmessers durch die die zu messende Flüssigkeit fließt. Es enthält keine Einbauten oder beweglichen Bauteile, wodurch praktisch kein zusätzlicher Druckverlust und kein mechanischer Verschleiß entsteht.
  Je nach Anwendung wird das Messrohr aus Edelstahl oder anderen korrosionsbeständigen Werkstoffen gefertigt.
  Bei einigen kompakten Geräten besteht das Messrohr auch aus Kunststoff, wodurch eine Auskleidung des Rohres mit einer Isolierung entfällt.
• Auskleidung des Messrohres
  Zur Vermeidung, dass die induzierte Spannung über das metallische Messrohr kurzgeschlossen wird ist die Innenwand des Messrohres ist mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung versehen.
  Je nach Anwendung und Medium kommen unterschiedliche Auskleidungsmaterialien zum Einsatz, z.B.
  PTFE, PFA, Hartgummi, Weichgummi, Keramik oder Polyurethan.
  Die Auswahl richtet sich nach chemischer Beständigkeit gegen das Mediums, Temperatur, Druck und Abriebfestigkeit.
• Prozessanschlüsse
  Zum Einbau des Messrohres in die Rohrleitungen des Anwenders, werden die magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit handelsüblichen Anschlüssel geliefert., so z.B.:
  Flanschanschlüsse, hygienische Anschlüsse für Medizin- oder Lebensmittelanwendungen oder auch für den MAschinenbau mit Gewindeanschlüsse.
• Magnetspulen
  Außen am Messrohr sind zwei Magnetspulen befestigt. Sie erzeugen durch die Rohrwand hindurch ein definiertes Magnetfeld, das das Messrohr quer zur Fließrichtung durchsetzt.
  Bei einigen Typen werden zusätzlich Polschuhe montiert, die ein konstantes Magnetfeld über den gesamten Durchmesser des Messrohres erzeugen.
  Bei modernen Geräte werden die Magnetspulen mit einem gepulsten Gleichfeld oder einem niederfrequent wechselnden Magnetfeld gespeist.Dadurch werden Störeinflüsse reduziert und eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
• Messelektroden
  Im Messrohr sind 2 gegenüberliegend angeordnete Elektroden montiert, die direkt mit dem Medium in Kontakt sind.
  Diese nehmen die beim Durchströmen des Magnetfeldes entstehende elektrische Spannung auf.
  Diese Spannung liegt häufig nur im Milli- oder Mikrovoltbereich und wird daher mit hochempfindlicher Elektronik verstärkt.
  Mediumsabhängig bestehen die Elektroden aus unterschiedlichen Materialien.
  So zum Beispiel: Edelstahl, Titan, Hastelloy, Platin, Tantal
• Messumformer
  Das Herzstück des magnetisch-induktiven Durchflussmessers ist der Messumformer. Dieser ist dierkt am Gerät oder z.B. bei höheren Mediumstemperaturen exteren montiert.
  Seine Aufgaben sind:
  • Ansteuerung der Magnetspulen
  • Verstärkung der erzeugten Messspannung
  • Filterung von Störsignalen
  • Berechnung der Fließgeschwindigkeit und Umrechnung in den Volumenstrom
  • Erzeugung von Ausgangssignalen ((0)4 – 20 mA, Impuls, HART, PROFIBUS oder Modbus)
  • Zusäzliche Diagnosefunktionen, z.B. Leerrohrerkennung

Vorteile und Nachteile

Vorteile

• Keine beweglichen Teile und dadurch nahezu verschleißfrei
• Hohe Messgenauigkeit über einen großen Messbereich (bis 0,2% vom M.W.)
• Wartungsarmer Betrieb
• Kein zusätzlicher Druckverlust durch Einbauten im Messrohr
• Geeignet für verschmutzte, abrasive oder feststoffhaltige Medien
• Unempfindlich gegenüber Druck- und Temperaturschwankungen
• Bidirektionale Messung in beide Fließrichtungen möglich

Nachteile

• Nur für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten geeignet
• Mindest Leitfähigkeit des Mediums erforderlich
  typischerweise zwischen 5 und 20 µS/cm.
• Höhere Anschaffungskosten im Verleich zu meachanischen Messprinzipien
• Einfluss elektromagnetischer Störungen
  Starke elektromagnetische Felder, unzureichende Abschirmung der Signalleitungen oder unzureichende Erdung des Messsystems, können die Messsignalqualität beeinträchtigen

Einsatzgebiete

• Wasser und Abwasser
• Chemische Industrie
• Lebensmittel- und Getränkeindustrie
• Pharmaindustrie
• Bergbau und Schlämme
• Energie- und Umwelttechnik

Typische Probleme und Fehlerquellen

Fehlende Erdung

Eine fehlende oder mangelhafte Erdung beziehungsweise ein unzureichender Potenzialausgleich gehört zu den häufigsten Ursachen für Messfehler bei magnetisch-induktiven Durchflussmessern (MID). Da die induzierte Messspannung häufig nur im Milli- oder sogar Mikrovoltbereich liegt, können bereits geringe elektrische Störspannungen, Streuströme oder elektrostatische Aufladungen das Messsignal beeinflussen und zu ungenauen Messergebnissen führen.
Ein fachgerecht ausgeführter Potenzialausgleich stellt sicher, dass das Medium und die Messelektroden ein definiertes elektrisches Bezugspotenzial besitzen. Gleichzeitig werden Störspannungen reduziert und elektromagnetische Einflüsse minimiert.
Ohne einen definierten Bezugspunkt könnte die Auswerteelektronik nicht zuverlässig unterscheiden zwischen

• der gewünschten Messspannung (Differenzspannung zwischen den beiden Messelektroden) und
• einer gemeinsamen Störspannung (Gleichtaktspannung), die auf beiden Elektroden gleichzeitig anliegt,

Das Bezugspotenzial ist nicht Bestandteil der eigentlichen Durchflussmessung. Es dient ausschließlich als elektrische Referenz, damit die sehr kleine induzierte Messspannung präzise erfasst und von überlagerten Störsignalen getrennt werden kann.

Die Erdung der Geräte erfolgt über:

• Anschlussflansche der Rohrleitung
  Das ist die einfachste Variante. Nur für Rohrleitungen aus Metall, die nicht mit einem nicht-leitenden Material ausgekleidet sind.
• Erdungselektrode
Als Option wird werkseitig in den magentisch-induktiven Durchflussmesser eine Erdungselektrode eingebaut. Dies ist immer dann notwendig, wenn die Rohrleitung aus Kunststoff besteht oder nicht-leitend ausgekleidet ist.
Da diese Elektrode nur eine geringe Oberfläche hat, sollte diese Version nur verwendet werden, wenn mit relativ kleinen Ausgleichströmen zu rechnen ist.
• Erdungsringe
Erdungsringe werden beidseitig zwischen die Flansche des magnetisch-induktiven Durchflussmessers und den Flanschen der Rohrleitung eingebaut.
Erdungsringe sind immer dann notwendig, wenn die Rohrleitung aus Kunststoff besteht, nicht-leitend ausgekleidet ist oder mit größeren Ausgleichsströmen über die Rohrleitung zu rechnen ist.

Eine unzureichende Erdung kann sich auf verschiedene Weise bemerkbar machen:

• instabile Messwerte oder unplausible Durchflusswerte
• sporadische Messfehler, zB. beim Einschalten benachbarter elektrischer Geräte/Anlagen.
• erhöhte Messabweichungen
• stark schwankende Durchflussanzeigen
• Nullpunktdrift
• Störmeldungen des Messumformers (oft nur bei moderneren Geräten)

Hersteller

• ABB Asea Brown Boveri Ltd Typen: ProcessMaster, HygienicMaster
• Endress+Hauser GmbH+Co. KG Typen: Promag, Proline
• Emerson Electric Co. Typen: Rosemount
• Fischer & Porter gehört seit 1999 zu ABB
• Heinrich Messtechnik GmbH Typen: EPS, PIT
• IFM electronic GmbH Typen: SM, SMF
• Kobold Messring GmbH Typen: MIK, MIM, MIS
• KROHNE Messtechnik GmbH Typen: Optiflux, Waterflux
• Mecon GmbH Typen: mag-flux
• Siemens AG Typen: Sitrans
• SIKA Dr. Siebert & Kühn GmbH & Co. KG Typen: InduQ
• Yokogawa Deutschland GmbH Typen: ADMAG
• ...und Andere