Schwebekörper Durchflussmesser

Kontakte

Kontakte (Reed, Näherungsschalter, Hall, pneumatisch) Zur Überwachung der Durchflussmenge können die meisten Durchflussmessgeräte mit Kontakt ausgerüstet werden. Die häufigsten Kontaktarten sind Reed-Kontakte und Induktive Näherungsschalter, die nachfolgend genauer beschrieben werden.

Reed-Kontakt

Der Reed-Kontakt ist ein potentialfreier Kontakt, dh. für den eigentlichen Schaltvorgang wird keine zusätzliche Hilfsenergie benötigt. Sie bestehen aus einem mit Schutzgas gefüllten Glasröhren in dem Kontaktzungen eingeschmolzen sind. Die Schaltung erfolgt durch die im Schwebekörper des Durchflussmessers eingebauten Magnete.
Durch Verwendung von unterschiedlich starken Magneten oder Magnetpaketen und Reedkontakten mit unterschiedler Ansprechempfindlichkeit (AW-Zahl) oder auch Begrenzung des Schwebekörperhubes, kann eine punktgenaue Schaltung realisiert werden.
Die Reed-Kontakte sind in einem Kontaktgehäuse mit Stecker-oder Kabelanschluss verbaut und normalerweise verstellbar am Durchflussmesser montiert.

Schaltfunktion - Reedkontakt

Es stehen folgende Schaltfunktionen zur Auswahl

• Schließer (NO= normally open) -2-polig
  Die beiden Kontaktzungen sind geöffnet und ein Schließen des Stromkreises erfolgt erst nachdem der g ewünschte Durchflusswert erreicht ist und die im Schwebekörper eingelassenen Magnete die Kontaktzungen des Reed-Kontaktes schließen.
• Umschalter- / Wechslerkontakt (SPDT= Single Pole Double Throw) - 3-polig
  Der Umschaltkontakt hat 3 Kontaktzungen, dh. bei Erreichen des gewünschten Durchflusswertes schaltet der Kontakt von einem Pol auf den anderen um.

Kontaktart - Reed-Kontakt

Neben der Schaltfunktion ist zwischen monostabilen und bistabilen Kontakten zu unterscheiden.

• monostabil
  Der monostabile Reed-Kontakt hat nur eine „Wischer“-Funktion, dh die Kontaktzungen des Reedkontaktes sind nur geschlossen, wenn der gewünschte Durchflusswert erreicht ist. Bei weiterem Anstieg des Durchflusswertes öffnet der Kontakt wieder.
  Um einen eindeutigen Schaltzustand zu erhalten, wird herstellerseitig der Weg des Schwebekörper beschränkt und das Magnetfeld im Schwebekörper optimal an die Ansprechempfindlichkeit des Kontaktes angepasst.
  Anwenderseitig kann auch ein Schaltrelais mit Selbsthaltefunktion eingesetzt werden. Dieses benötigt 2 Schaltimpulse um den Schaltzustand zu ändern (1. Impuls: Schwebekörper erreicht den Grenzwert, 2. Impuls: Schwebekörper unterschreitet nach Überfahren des Grenzwertes wieder den Grenzwert).
• bistabil
  Bistabile Reed-Kontakte haben eine eindeutige Schaltfunktion, dh. der Kontakt ist geschlossen bei Erreichen oder Überschreitung des gewünschten Durchflusswertes und geöffnet wenn der Durchfluss kleiner als der eingestellte Grenzwert ist. Dies wird erreich indem die Kontaktzungen des Reed-Kontaktes, zB durch einen zusätzlichen kleinen Magneten am Reed-Kontakt, vormagnetisiert werden. Diese kleine Kraft reicht aus, um den Kontakt gerade in der jeweiligen Position zu halten, jedoch nicht um eine Änderung des Schaltzustandes auszulösen. Erst die zusätzliche Magnetkraft des Schwebekörpers löst den Schaltzustand aus.
  Beim Ansteigen des Schwebekörper wird die Magnetisierung der Kontaktzungen verstärkt, die Kontaktzungen schließen. Beim Abfallen des Schwebekörpers schwächt der andere Magnetpol im Schwebekörper die Magnetisierung und die Kontaktzungen öffnen.

Induktive Näherungsschalter

Induktive Näherungsschalter sind Sensoren, die bei Annäherung eines metallischen Schwebekörpers berührungslos schalten.
Dazu wird im Sensor mittels eines Oszillators ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, dass zur aktiven Fläche des Sensors geleitet wird, und dort austritt. Nähert sich ein metallischer Gegenstand dieser aktiven Fläche, so entstehen Wirbelströme, die dem Oszillator Energie entziehen. Durch nachgeschaltete, im Sensor integrierte, Elektronik wird daraus ein Schaltsignal erzeugt. Es sind unterschiedliche Schaltfunktionen (NPN/PNP, Schließer, Öffner usw.) erhältlich.
Der induktive Näherungsschalter muss durch eine externe Hilfsenergie versorgt werden. Dazu werden oft Schaltrelais verwendet, mit denen zusätzlich eine höhere Schaltleistung realisiert werden kann.

Bei Schwebekörper Durchflussmessern werden unterschiedliche Bauformen verwendet:

• Stabform
  Diese werden meist verschiebbar außerhalb eines nicht-metallischen Messrohres montiert. Das aktive elektrische Feld befindet sich an der Stirnseite des Sensors.
  Da die Sensoren nur bis zu einen maximalen Schaltabstand funktionieren muss eine genaue Auswahl des Sensors erfolgen.
  Dies gilt besonders bei Schwebekörper Durchflussmessern für große Durchflüsse bei denen im oberen Messbereich ein großer Abstand zwischen Schwebekörper und Sensor besteht. Gleichzeitig ist der Abstand zwischen Schwebekörper und Sensor im unteren Messbereich gering und es kann bei Verwendung von Sensoren mit großem Schaltabstand zu Beeinflussungen durch andere metallische Bauteile kommen; z.B. metallisches Schutzrohr für ein Glasmessrohr.
  
• Ringsensor
  Diese werden meist bei Schwebekörper Durchflussmessern für kleinere Durchflüsse, und somit Messrohren mit kleinem Durchmesser eingesetzt. Sie liegen um das Messrohr und sind verschiebbar außerhalb eines nicht-metallischen Messrohres montiert.
  Das aktive elektrische Feld befindet sich innerhalb des Sensorrings und ist somit unanfällig für außerhalb des Sensor-Innendurchmessers liegende metallische Teile.
  
• Schlitzsensor
  Diese werden meist bei Schwebekörper Durchflussmessern mit metallischen Messrohren eingesetzt.
  Dabei ist auf dem Zeigerwerk eine metallische Fahne montiert, die in die Schaltebene des Sensors eintaucht. Das aktive elektrische Feld befindet sich zwischen den beiden Schenkeln des Sensors.
  

Ventile

Zur Einstellung der Durchflussmenge werden die Geräte oft mit einem Einstellventil ausgestattet. Das kann ein extern in die Rohrleitung eingebautes Ventil sein oder ein Ventil, dass in die Armatur des Durchflussmessgerätes integriert ist.

In Abhängigkeit vom verwendeten Fluid, sollten unterschiedliche Einbaupositionen vorgesehen werden.

• Flüssigkeiten

  Flüssigkeiten sind nicht kompressibel und die Anordnung des Ventils kann beliebig gewählt werden.
  Üblicherweise ist das Ventil vor dem Gerät montiert.

• Gase

  Gase sind kompressibel und die Druckverhältnisse im Messrohr (p_kal) haben entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit des Durchflussmessers.
  Der bei der Kalibrierung der Geräte zugrunde gelegte Betriebsdruck (p_kal) sollte eingehalten und konstant sein. Die Lage des Ventils ist deshalb üblicherweise hinter dem Messgerät.
  Bei Messungen gegen konstanten Nachdruck (p_nach) z.B. Atmosphärendruck, kann das Ventil auch vor dem Gerät montiert werden.

Analogausgang / Summenzähler

Bei den Standard Schwebekörper Durchflussmessern wird der Messwert vor Ort, entweder auf der am Messrohr angebrachten Skala oder bei Geräten mit metallischem Messrohr auf einer am Gerät montierten Zeigeranzeige abgelesen.
Das ist, vor allem bei kleineren Anlagen, normalerweise ausreichend und gewährleistet die Messung auch ohne Hilfsenergie oder bei Ausfall der Hilfsenergie.
Durch zunehmende Automatisierung oder bei größeren Anlagen ist es jedoch notwendig, den vor Ort gemessenen Durchflusswert in eine Messwarte oder auf eine Steuerung zu übertragen.
Traditionell erfolgte das bei Geräten mit magnetgeführter Zeigeranzeiger durch mechanischer Verbindung der Zeigerachse mit einem Drehspulinstrument. Dieses wandelte die Drehbewegung der Zeigerachse, und damit den gemessenen Wert, in einen Widerstandswert um (Potentiometerprinzip).
Als Widerstand wird beim Drehspulinstrument ein Draht (Drehspulinstrument) oder bei moderneren Geräten eine Leitplastikscheibe benutzt.

Moderne Geräte benutzen heute oft magneto-elektrische Winkelaufnehmer, bei denen ein auf der Zeigerachse montierter Dauermagnet berührungslos die Drehbewegung des Zeigers auf einen Magnetfeldsensor überträgt.
Je nach Drehstellung des Magnetes haben die Magnet-Feldlinien eine unterschiedliche Position. Diese werden durch zwei senkrecht zu einander stehenden Hallsensoren im Sensorelement erfasst. Es resultiert, abhängig von der Position der Feldlinien, eine unterschiedliche Signalspannung, die einer Winkelstellung des Zeigers zugeordnet werden kann.
Dieses Prinzip funktioniert teilweise auch bei Geräten mit transparentem Messrohr und im Schwebekörper eingelassenen Dauermagneten.


Dem Drehwinkelgeber bzw. Magnetfeldsensor ist eine Elektronik nachgeschaltet, die das Signal in einen standardisierten Analogausgang (0)4-20 mA, 0-(5)-10 V oder binäre Signale umwandelt. Erweiterte Elektroniken haben Kommunikationsschnittstellen wie z.B. Profibus®, Fielbus®, Hart®, usw..
Oft wird auch die nicht lineare Messskale durch die nachgeschaltete Elektronik in ein lineares Ausgangssignal umgewandelt. Zur Aufsummierung der Gesamtmenge des durchgeflossenen Fluids werden auf Volumeneinheiten (z.B. m³, Nm³, usw.) justierte Stromzähler integriert.

Die neusten Gerätegenerationen haben eine menügeführte LED-Anzeige mit der die Geräteanzeige bzw. der Ausgang programmiert werden kann.
Es kann unter Anderem die Anzeige der Messgrößen z.B. in Betriebsvolumen, Normvolumen, oder Massedurchfluss, die Einheiten in (Nm³/h, NL/min, Kg/s usw., die Zählerfunktion, Fehler-/Servicemeldungen (Wartung, Ausfall) erfolgen. Die Einstellung des Ausganges, die Einstellung der Kontakte, usw. sind frei konfigurierbar.

Magnetfilter

Schwebekörper Durchflussmesser sind für die Durchflussmessung von sauberen, partikelfreien Fluiden geeignet. Größere Schmutzpartikel können zum Festklemmen des Schwebekörpers führen.
Es werden deshalb vor dem Gerät Schmutzfilter montierten. Doch auch kleinste ferromagnetische Teilchen, die nicht durch den Schmutzfilter zurückgehalten werden, können sich an den Magneten des Schwebekörpern ablagern und einen störenden Belag aufbauen.
Abhilfe schaffen Magnetabscheider, die in verschiedensten Ausführung erhältlich sind, zB.. Magnetabscheider mit gekapselten, spiralförmig angeordneten Magneten für die Zwischenflanschmontage, oder Schmutzfilter mit integriertem Magnetpaket als Magnetabscheider.

Vor-/Nachdruckregler

Durch Änderungen der Druckverhältnisse (Vor- oder Nachdruck) in der Rohrleitung, ändert sich auch der eingestellte Durchfluss. Durch Einsatz eines Vor- oder Nachdruckreglers kann diese Druckschwankung in gewissen Grenzen ausgeglichen und somit der Durchfluss konstant gehalten werden.
Eine komplette Messeinrichtung besteht aus fest miteinander montiertem Schwebekörper- Durchflussmesser, Ventil und Differenzdruckregler. Der Differenzdruckregler besteht aus einem Gehäuse und einer Membrane.
Nachdem der Durchfluss am Ventil des Durchflussmesser auf den gewünschten Wert eingestellt wurde, befindet sich die Membran des Differenzdruckreglers in einem Gleichgewichtszustand, der Druck auf beiden Seiten der Membran ist gleich. Ändert sich der Druck, je nach Reglertyp, auf der Ein-oder Auflaufseite, erfolgt über das Membranventil ein Druckausgleich, bis die Membran wieder im Gleichgewicht ist und der Durchfluss wieder dem eingestellten Wert entspricht. Zur einwandfreien Funktion benötigen die Regler einen Mindestdruck und sie sind durch einen max. zulässigen Druck begrenzt. Es sind 2 Typen von Differenzdruckreglern zu unterscheiden.

• Vordruck konstant, Nachdruck schwankt

• Vordruck schwankt, Nachdruck konstant

Auskleidung des Messrohres

Bei der Auswahl des Schwebekörper Durchflussmessgerätes ist darauf zu achten, dass die im Gerät verbauten Materialien beständig gegen das zu messende Fluid sind.
Es werden deshalb oft Glas oder beständige Kunststoffe als Material für das Messgerät eingesetzt.
Nachteil dieser Materialien ist, dass diese keine höheren Betriebsdrück aushalten. Es müssen deshalb Messgeräte mit Metallrohr eingesetzt werden, die eine höhere Druckbeständigkeit haben und für die chemische Beständigkeit aus hochwertigem Metall (zB. Monel, Titan, Hastelloy usw.) gefertigt sind. Da diese Metalle und die Herstellung eines Durchflussmessers aus diesen Materialien teuer ist, kann als Alternative oft ein Gerät mit einer Auskleidung aus Teflon verwendet werden.
Damit erhält man ein Gerät, dass sowohl chemisch beständig, als auch druckbeständig ist.

Wärmeisolierung / Heizung

Bei einigen zu messenden Fluiden ist es notwendig, dass das Fluid im Schwebekörper Durchflussmesser nicht abkühlt oder sich erwärmt. Oftmals ist es dazu ausreichend ein Messgerät mit magnetgeführter Anzeige und entsprechender kundenseitiger, externer Isolierung des Messrohres einzusetzen.
Bei höherer Anforderung werden dazu noch zusätzlich elektrische Begleitheizungen eingesetzt, die außen um das Messrohr gewickelt werden.
Weitere Infos zu elektrischen Begleitheizungen, z.B. auf der Internetseite der Firma Bartec.

Bei extrem schwierigen Medien oder Umgebungsbedingungen empfiehlt sich, Messgeräte in doppelwandiger Ausführung zu verwenden. Diese bestehen aus einem inneren Messrohr und einem darum liegenden Rohr durch das eine Heiz-/Kühlflüssigkeit (Thermo-Öl, Dampf oder Wasser) fließt und damit das Fluid auf der gewünschten Temperatur hält.

Gas-Dämpfung

Um eine Pulsation des Schwebekörper durch eine Kompressionspulsation zu vermeiden, können Schwebekörper Durchflussmesser mit einer Schwebekörper Dämpfung ausgerüstet werden. Je nach Hersteller oder Geräteaufbau sind verschiedene Ausführungen im Markt zu finden.
Das Grundprinzip basiert jedoch meistens auf dem „Stoßdämpferprinzip“, wie es auch bei den Stoßdämpfern im Auto angewendet wird.
Dazu wird ein Kolben auf dem Kopf des Schwebekörper montiert. Im Messrohr wird gegenüber ein einseitig geschlossener Zylinder montiert. Der Kolben fährt in den einseitig geschlossenen Zylinder und das darin befindliche Medium wird komprimiert. Das Medium im Zylinder wird zeitverzögert durch den Ringspalt zwischen Kolben und Zylinder herausgedrückt und somit eine Dämpfung erzeugt.
Zusätzlich wird bei einigen Anwendungen noch eine zusätzliche Dämpfungsfeder außerhalb des Dämpfungszylinders, montiert.
Die Schwebekörperdämpfung kann bei einigen Herstellern oder Gerätetypen auch nachgerüstet werden.
Durch den zusätlichen Kolben und das damit verbundene höhere Gewicht des Schwebekörpers, müssen die Skalen neu berechnet werden.