GRX-Q - Angeströmte Körper

Bei dieser Art der Durchflussmessung werden schwebende Körper, Federscheiben oder Klappen angeströmt. Nach dem Wirkdruckverfahren ist vor allem die Schwebekörperdurchflussmessung eines der am häufigsten verwendeten Verfahren. Im Folgenden wird auf die Schwebekörperdurchflussmesser sowie die Federscheiben- und Klappendurchflussmessung näher eingegangen.

Schwebekörperdurchflussmesser

Das Verfahren wird für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten und Gasen verwendet. Der Durchflussmesser ist nach dem Wirkdruckverfahren eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren und zeichnet sich durch ein gutes Preis-Leistungsverhältnis aus. Dabei ist dieser einfach zu montieren und weist eine gute Robustheit auf.

Die Durchflussmessung wird mit Hilfe eines Widerstandskörpers in einem konischen Messrohr oder einem konischen Widerstandskörper in einer Messblende realisiert. Das Messprinzip beruht auf einem senkrecht von unten nach oben fließenden Fluid, das den Widerstandskörper umströmt. Bei konstanten Bedingungen entsteht hierbei ein Kräftegleichgewicht zwischen dem Fluid und dem umströmten Widerstandskörper (siehe Bild 2‑12 - freigeschnittenes System).

Aus der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids resultiert eine Höhenänderung (Hubhöhe h) des Schwebekörpers, die durch die Abhängigkeit des von der vom Fluid ausgeübten Kraft ausgelöst wird. Der Zusammenhang der Kraft mit der Strömungsgeschwindigkeit beruht auf dem Widerstandsgesetz.

Die Gewichts- und Auftriebskraft des Schwebekörpers bleiben konstant. Der Widerstandsbeiwert ändert sich durch das konische Rohr mit der Hubhöhe des Körpers und der Re-Zahl. Die daraus resultierende Gleichgewichtsgleichung kann wie folgt beschrieben werden:

daraus ergibt sich Gleichgewichtsbedingung:

Bei einer Messanordnung sind die Größen VK, ρK, ρM, g und AK konstant. Daraus resultiert, dass eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit vM ausschließlich den Widerstandsbei­wert cW ändert. Somit ist der Zusammenhang der Hubhöhe h und der Strömungsgeschwindig­keit vM im Widerstandbeiwert cW enthalten. Daraus ergibt sich, dass der Widerstandsbeiwert eine Funktion von h und Re-Zahl ist.

Dies hat zur Folge, dass eine Berechnung des Widerstandsbeiwerts nicht zugänglich ist. Die Werte müssen empirisch über Eichung der Messanordnung ermittelt werden. Diese Ermittlung kann mit Hilfe der VDI/VDE 3513 durchgeführt werden. Die Richtlinie verhilft dem Anwender eine Durchflussskala in Verbindung mit den Kennwerten des Fluids und des Messgerätes zu erstellen. Mit der Richtlinie kann auch eine vorhandene Skala für den Durchfluss, auf einen anderen Messstoff übertragen werden.

Die Schwebekörperdurchflussmesser können auf nahezu jedes gasförmige oder flüssige Medium angewendet werden. Sehr weit verbreitet sind diese Messgeräte mit einem Glaskonus, auf dem die Skala aufgedruckt ist und so direkt abgelesen werden kann. Für opake Gase oder Flüssigkeiten eignen sich Schwebekörperdurchflussmesser die gänzlich aus Metall hergestellt werden.

Dieses Messverfahren ist unempfindlich gegen Verschmutzungen und Verunreinigungen, sofern die Partikelgröße der Verunreinigung nicht die Ringspaltbreite zwischen dem Schwebekörper und dem konischen Messrohr überschreitet. Schwebekörperdurchflussmesser benötigen keine gerade Einlaufstrecke und können direkt hinter Rohrkrümmungen oder Ventilen eingesetzt werden. Die Druckverluste der Geräte sind niedrig und können bei entsprechender Dimensionierung auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden. Die Genauigkeit der Sensoren ist mit 2 % angegeben, sie kann jedoch nach aufwendiger Kalibrierung auf bis zu 1 % gesenkt werden.

Federscheibendurchflussmesser

Federscheibendurchflussmesser arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip, wie die Schwebekörperdurchflussmesser. Anstelle des Gewichtes vom Widerstandkörper erzeugt die Gegenkraft eine Messfeder und bildet so das Gleichgewicht mit dem umströmenden Fluid. [BON-02]

Die Messfeder ist auf der einen Seite starr am Einlauf des konischen Messrohres, auf der anderen Seite mit einer frei verschiebbaren Federscheibe verbunden (siehe Bild 2‑13). Die Feder wird so bemessen, dass sie auch bei maximaler Auslenkung, weit unterhalb der Elastizitätsgrenze bleibt. Dadurch wird eine lange Lebensdauer der Feder gewährleistet. Die Messfeder mit der Federscheibe werden konzentrisch auf einer Stange innerhalb des konischen Messrohres geführt, auf der sie sich nahezu reibungsfrei verschieben lassen.

Die Feder wird durch die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des umströmenden Fluids so lange ausgelenkt, bis sich wieder ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Das bedeutet, dass die Stellung der Federscheibe das Maß für den jeweiligen Durchfluss ist.

Die folgenden physikalischen Grundlagen beruhen auf einem dynamischen Gleichgewicht zwischen der Strömungs- und der Federkraft:

Der Volumenstrom q_v errechnet sich aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v_M und dem Querschnitt des Ringspalts A_R

Mit den Gleichungen (Gl. 2-15) und (Gl. 2-16)

erhält man nach Gleichsetzen und Auflösen, den Volumenstrom q_v.

Der Anwendungsbereich bzw. die Einsatzmöglichkeiten des Federscheibendurchflussmessers, sind gleich dem des Schwebekörperdurchflussmessers. Das Gerät zeichnet sich insbesondere durch den einfachen Austausch der Messfeder mit Skala aus. Durch den Austausch kann der Messbereich an die jeweilige Bedingung angepasst werden. Der Durchflussmesser wird wie beim Schwebekörperverfahren in die Rohrleitung implementiert und benötigt keinerlei Vorlaufstrecke. Vorteilhaft sind auch die relativ kleinen bewegten Massen, die die dynamischen Eigenschaften des Systems begünstigen. Ein großer Unterschied gegenüber den Schwebekörperdurchflussmesser ist die unabhängige Einbaulage. Durch die verwendete Messfeder kann der Federscheibendurchflussmesser auch in horizontal verlaufende Leitungen eingesetzt werden.