Vortex-Durchflussmesser – Messprinzip, Einsatzgebiete und Auswahl

Ein Vortex-Durchflussmesser oder auch Wirbelzähler-Durchflussmesser genannt, ist ein bewährtes Messgerät zur präzisen Bestimmung des Volumenstroms von Flüssigkeiten, Gasen und Dampf.
Das Messprinzip basiert auf der sogenannten Kármánschen Wirbelstraße (Vortex-Prinzip), bei der hinter einem Strömungshindernis Wirbel entstehen.
Die Frequenz dieser Wirbel ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und bildet die Grundlage der Durchflussmessung.
Dank seiner robusten Bauweise und der hohen Messgenauigkeit eignet sich das Vortex-Messprinzip besonders für industrielle Anwendungen in der Prozess-, Chemie-, Energie- sowie Lebensmittelindustrie.
Mit optional integriertem Druck- und Temperatursensor werden die Geräte häufig zur Messung von Dampf eingesetzt.

Messprinzip eines Vortex-Durchflussmessers

Im Inneren des Vortex-Durchflussmessers befindet sich ein speziell geformter Staukörper (Bluff Body), der in den Strömungsquerschnitt hineinragt. Strömt das Medium an diesem Hindernis vorbei, lösen sich hinter diesem Hindernis abwechselnd auf der linken und rechten Seite Wirbel ab.
Dieses physikalische Phänomen wird als Kármánsche Wirbelstraße bezeichnet.
Ein integrierter Sensor erkennt die entstehenden Druck- oder Schwingungsänderungen und erfasst die Wirbelfrequenz.
Diese Frequenz ist proportional zur Fließgeschwindigkeit, d.h. je schneller das Medium fließt, desto mehr Wirbel entstehen. Es besteht ein nahezu linearer Zusammenhang.
Aus der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit lässt sich durch Multiplikation mit dem Querschnittsfläche des Rohres der Volumenstrom bestimmen.


Das Messprinzip eines Vortex-Durchflussmessers lässt sich in vier aufeinanderfolgende Schritte unterteilen:

1. Staukörper
   

   Im Inneren des Vortex-Durchflussmessers befindet sich ein Staukörper (auch Bluff Body genannt), der in den Rohrquerschnitt hineinragt. Trifft die Strömung auf dieses Hindernis, wird sie gezielt beeinflusst.
   

   Je nach Hersteller kommen unterschiedliche Geometrien zum Einsatz, beispielsweise:

   • runde Staukörper
   • dreieckige Staukörper
   • deltaförmige Staukörper
   • herstellerspezifische Sonderformen (teils patentiert)

   In der Praxis hat sich insbesondere der deltaförmige Staukörper bewährt. Seine Geometrie sorgt für eine stabile und reproduzierbare Wirbelbildung (Wirbelfrequenz) über einen großen Messbereich.

   Die Form und Breite des Staukörpers bestimmen maßgeblich die entstehende Wirbelfrequenz. Ziel ist eine möglichst konstante Strouhal-Zahl, sodass die Wirbelfrequenz über einen weiten Bereich unabhängig von Druck, Temperatur und Dichte des Mediums bleibt.

2. Wirbelbildung
   

   Nachdem das Medium den Staukörper erreicht hat, beschleunigt es zunächst entlang dessen Seitenflächen. Hinter dem Staukörper fällt die Strömungsgeschwindigkeit wieder ab. Dabei kann die Strömung der Kontur nicht mehr folgen und löst sich ab.

   Durch den entstehenden Unterdruck bilden sich abwechselnd links und rechts hinter dem Staukörper rotierende Wirbel. Diese werden mit der Strömung weitertransportiert und bilden die sogenannte Kármánsche Wirbelstraße.

   Die Anzahl der entstehenden Wirbel pro Sekunde wird als Wirbelfrequenz bezeichnet. Sie steigt proportional mit der Strömungsgeschwindigkeit:

   Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto höher die Wirbelfrequenz.

3. Wirbelerfassung
   

   Die entstehenden Wirbel verursachen periodische Druckschwankungen beziehungsweise wechselnde Kräfte am Staukörper. Diese werden von einem hochsensiblen Sensor erfasst und in elektrische Signale umgewandelt.

   Je nach Ausführung verfügt der Vortex-Durchflussmesser zusätzlich über integrierte Druck- und Temperatursensoren oder nutzt externe Messaufnehmer. Dadurch kann neben dem Volumenstrom auch der Massendurchfluss präzise berechnet werden – insbesondere bei Gasen und Dampf.

4. Berechnung des Durchflusses
   

   Die Auswerteelektronik zählt die gemessenen Wirbel und bestimmt daraus zunächst die Strömungsgeschwindigkeit. Mithilfe des bekannten Rohrquerschnitts berechnet das Gerät anschließend den Volumenstrom. Werden zusätzlich Druck- und Temperaturwerte berücksichtigt, kann daraus auch der Massendurchfluss ermittelt werden.

Kármánsche Wirbelstraße

Das Messprinzip des Vortex-Durchflussmessers basiert auf der von dem Physiker Theodore von Kármán beschriebenen Gesetzmäßigkeit der periodischen Wirbelablösung hinter einem Strömungshindernis. Dieser Zusammenhang wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

f = (St x v) / d

Dabei gilt:
f = Wirbelfrequenz [hz]
St = Strouhal-Zahl [dimensionslos, abhängig von der Geometrie und Typ des Staukörpers]
v = mittlere Fließgeschwindigkeit [m/s]
d = Breite des Staukörpers [m]

Aufbau eines Vortex- Durchflussmessers

Ein typischer Vortex-Durchflussmesser besteht aus mehreren Komponenten:

• Messrohr
  Das Messrohr bildet den Strömungskanal des Durchflussmessers durch die die zu messende Flüssigkeit fließt. Das enthält keine beweglichen Bauteile, wodurch kein mechanischer Verschleiß entsteht. Der Bluff-Body und der Drucksensor erzeugen nur einen geringen Druckverlust.
  Je nach Anwendung wird das Messrohr aus Edelstahl oder anderen korrosionsbeständigen Werkstoffen gefertigt.
  Bei einigen kompakten Geräten besteht das Messrohr auch aus Kunststoff.
• Staukörper (Bluff Body)
  
• Sensor zur Wirbelerkennung (Optional mit Sensor zur Druck/Temperaturerkennung)
  
• Elektronik zur Signalverarbeitung
  Die Aufgaben sind:
  • Erfassung der Wirbelanzahl, optional: Erfassung der Mediumstemperatur und des Mediumsdruckes
  • Berechnung der Fließgeschwindigkeit und Umrechnung in den Volumenstrom.
    optional: Berechnung des Massendurchflusses
  • Erzeugung von Ausgangssignalen ((0)4 – 20 mA, Impuls, HART, PROFIBUS oder Modbus)
  • Zusäzliche Diagnosefunktionen
    Moderne Geräte verfügen häufig über digitale Signalverarbeitung, wodurch zB. Störungen durch Vibrationen zuverlässig herausgefiltert werden

Vorteile und Nachteile

Vorteile

• Keine beweglichen Teile und dadurch geringer Verschleiß
• Große Messbereichsspanne
• Hohe Messgenauigkeit
• Hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit
• Wartungsarm und langlebig
• Geeignet für Flüssigkeiten, Gase und besonders für Satt- oder Heißdampf
• Unempfindlich gegenüber Dichteänderungen bei Volumenstrommessungen
• Geringer Wartungsaufwand

Nachteile

• Begrenzter Messbereich bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
  Erst ab einer bestimmten Mindestströmung entstehen stabile Wirbel, die zuverlässig erfasst werden können.
• Empfindlichkeit gegenüber Strömungsstörungen (Pumpen, Rohrbogen, Ventile)
  Es sind ausreichend lange Ein- und Auslaufstrecken erforderlich.
• Nicht ideal für stark verschmutzte Medien
  Feststoffpartikel, Fasern oder Ablagerungen können den Strömungskörper oder den Sensor beeinträchtigen. Dies kann zu einer geringeren Messgenauigkeit und einem erhöhten Wartungsaufwand führen.
• Ungeeignet für Mehrphasenströmungen
  Probleme können auftreten bei: Flüssigkeiten mit Gasblasen Gasen mit Flüssigkeitströpfchen Dampf mit hohem Kondensatanteil Schäumenden Medien Mehrphasenströmungen verändern die Wirbelbildung und können zu erheblichen Messabweichungen führen.
• Druckverlust im Rohrsystem
  Da sich ein Strömungshindernis (Bluff Body) im Messrohr befindet, entsteht zwangsläufig ein zusätzlicher Druckverlust. Dieser fällt zwar meist moderat aus, kann jedoch bei energieeffizienten Anlagen oder großen Rohrleitungen berücksichtigt werden müssen.
• Einfluss von Rohrvibrationen
  Starke mechanische Vibrationen können die Signale des Sensors beeinflussen. Moderne Vortex-Durchflussmesser verfügen zwar über intelligente Signalfilter, dennoch sollten Messgeräte möglichst nicht direkt hinter stark vibrierenden Pumpen oder Kompressoren installiert werden.
• Begrenzte Eignung für hochviskose Medien
  Das Messprinzip funktioniert am besten bei Medien mit niedriger bis mittlerer Viskosität.

Einsatzgebiete

• Kraftwerke, Fernwärme- und Energieversorgung
• Wasser- und Abwassertechnik
• Chemische Industrie
• Lebensmittel- und Getränkeindustrie
• Petrochemie
• Maschinen- und Anlagenbau
• Energie- und Umwelttechnik
• Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik (HLK)

Typische Probleme und Fehlerquellen

Im Folgenden werden die häufigsten Fehlerquellen bei Vortex-Durchflussmessern erläutert und Möglichkeiten aufgezeigt, wie sich diese vermeiden lassen.

Ungünstige Strömungsverhältnisse

Eine der häufigsten Ursachen für Messabweichungen sind gestörte Strömungsprofile. Rohrbögen, T-Stücke, Ventile, Pumpen oder Querschnittsänderungen erzeugen Turbulenzen, die die regelmäßige Wirbelbildung beeinflussen können.
Um eine stabile Messung zu gewährleisten, sollten die vom Hersteller empfohlenen Ein- und Auslaufstrecken eingehalten werden. Falls dies aus Platzgründen nicht möglich ist, können Strömungsgleichrichter die Messgenauigkeit verbessern.

Zu geringe Strömungsgeschwindigkeit

Das Vortex-Messprinzip funktioniert nur, wenn sich hinter dem Strömungshindernis stabile Wirbel bilden. Bei sehr niedrigen Durchflussmengen wird die erforderliche Mindestströmung möglicherweise nicht erreicht. Die Folge sind instabile Messwerte oder eine vollständig ausbleibende Messung. Deshalb sollte der Messbereich des Geräts passend zur Anwendung ausgewählt werden.

Mehrphasenströmungen

Vortex-Durchflussmesser sind für einphasige Medien ausgelegt. Enthält das Medium gleichzeitig Flüssigkeit und Gas oder Dampf und Kondensat, verändert sich die Wirbelbildung erheblich.
Typische Beispiele, zu erheblichen Messabweichungen führen können, sind:

• Flüssigkeiten mit Gasblasen
• Gase mit Flüssigkeitströpfchen
• Nasser Dampf
• Schäumende Medien

Rohrvibrationen

Mechanische Schwingungen der Rohrleitung können vom Sensor als Wirbelsignale interpretiert werden. Besonders betroffen sind Messstellen in der Nähe von Pumpen, Kompressoren, Motoren und Verdichtern.
Moderne Vortex-Durchflussmesser verfügen über intelligente Signalfilter, dennoch sollte die Rohrleitung möglichst vibrationsarm ausgeführt werden.

Ablagerungen und Verschmutzungen

Im Laufe der Betriebszeit können sich Ablagerungen auf dem Strömungshindernis oder am Sensor bilden. Dadurch verändert sich die Geometrie des Messrohres und die Wirbelbildung wird beeinflusst. Regelmäßige Inspektionen und gegebenenfalls Reinigungen helfen, die Messgenauigkeit langfristig zu erhalten. Besonders kritisch sind:

• Kalkablagerungen
• Korrosionsprodukte
• Schlämme
• Fasern
• Kristallbildungen

Falsche Einbaulage

Die Einbaulage hat insbesondere bei Gas- und Dampfanwendungen einen erheblichen Einfluss auf die Messqualität.
Eine vollständig gefüllte Rohrleitung ist Voraussetzung für eine präzise Durchflussmessung.
Zu vermeiden sind beispielsweise:

• Luftpolster in Flüssigkeitsleitungen
• Kondensatansammlungen in Gasleitungen
• Teilweise gefüllte Rohrleitungen

Pulsierende Strömungen

Kolbenpumpen, Membranpumpen oder Verdichter erzeugen häufig pulsierende Durchflüsse. Diese führen zu unregelmäßigen Wirbelablösungen und können das Messergebnis verfälschen.
In solchen Anwendungen sollten Pulsationsdämpfer oder geeignete Beruhigungsstrecken vorgesehen werden.

Fehlerhafte Parametrierung

Auch bei technisch einwandfrei installierten Messgeräten können falsche Einstellungen zu erheblichen Messfehlern führen.
Häufige Parametrierungsfehler sind:

• falscher Rohrinnendurchmesser
• ungeeignete Messeinheiten
• fehlerhafte Mediumsdaten
• falsche Dichte- oder Temperaturwerte
• unpassende Ausgangssignale

Eine sorgfältige Inbetriebnahme und Plausibilitätsprüfung reduziert diese Fehlerquellen erheblich.

Ungeeignetes Messmedium

Nicht jedes Medium eignet sich für das Vortex-Messprinzip. Hochviskose Flüssigkeiten, stark abrasive Medien oder Medien mit hohem Feststoffanteil erschweren die Ausbildung einer stabilen Wirbelstraße. Vor der Auswahl eines Vortex-Durchflussmessers sollten daher die Eigenschaften des Messmediums genau analysiert werden.

Hersteller

• ABB Asea Brown Boveri Ltd Typen: FSV
• Endress+Hauser GmbH+Co. KG Typen: Proline, Prowirl
• Emerson Electric Co. Typen: Rosemount
• Heinrich Messtechnik GmbH Typen: DVH, DVE
• IFM electronic GmbH Typen: SV
• Kobold Messring GmbH Typen: DVZ
• KROHNE Messtechnik GmbH Typen: Optiswirl
• SIKA Dr. Siebert & Kühn GmbH & Co. KG Typen: VVX
• Yokogawa Deutschland GmbH Typen: OpreX, VY
• ...und Andere