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Ratgeber

Durchflussmessgeräte und Füllstandssensoren

Durchflussmessgeräte und Füllstandssensoren erfassen den Fluss von Flüssigkeiten und Gasen durch ein Rohr beziehungsweise den Füllstand von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in einem Tank oder Behälter. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie diese Detektoren funktionieren.



Was sind Durchflussmessgeräte?

Durchflussmesser oder Flowmeter sind in der Messtechnik Geräte zur Messung der Durchflussmenge eines flüssigen oder gasförmigen Stoffs. Sie werden in der Regel in einer Linie mit dem Rohr, das die Flüssigkeit führt, angebracht.

Sowohl der Gas- als auch der Flüssigkeitsdurchfluss lassen sich in physikalischen Größen wie Liter pro Sekunde oder Kilogramm pro Sekunde messen. Diese Größen sind durch die Dichte des Materials miteinander verbunden, wobei die Dichte einer Flüssigkeit in der Regel keinerlei Bedingungen unterliegt. Bei Gasen allerdings hängt die Dichte von Druck, Temperatur und in geringerem Maße auch von der Zusammensetzung ab.

Es gibt mechanische und elektrische Versionen von Flowmetern. Beispiele für einen Sensor zur elektrischen Durchflussmessung finden sich in Durchlauferhitzern, die damit die zirkulierende Durchflussmenge bestimmen, oder in Waschmaschinen, die den Trommelbehälter je nach Beladung bis zu verschiedenen Höhen füllen.



Wie funktionieren Durchflussmessgeräte?

Mechanische Geräte zur Durchflussmessung erfassen den Fluss einer Flüssigkeit oder eines Gases durch mechanische Teile wie ein Flügelrad. Sie zählen die Umdrehungen und leiten daraus die volumetrische Durchflussrate ab. Zu den Vorteilen mechanischer Durchflussmessgeräte gehören die niedrigen Anschaffungskosten, die Möglichkeit, sie in kleinen Größen herzustellen und die Eignung für Anwendungen mit extrem niedrigem Durchfluss.

Differenzdruck-Durchflussmessgeräte bewirken in der Regel einen Geschwindigkeitsanstieg des Fluids oder Gases und einen entsprechenden Druckabfall im System, wodurch ein Teil des Drucks in kinetische Energie oder Geschwindigkeit umgewandelt wird. Durch Messung des Druckabfalls lässt sich die Geschwindigkeit und damit der Durchfluss berechnen.

Wirbeldurchflussmessgeräte basieren auf einer turbulenten Strömung. Wenn eine Flüssigkeit mit dem Messstab eines Wirbelzählers in Berührung kommt, zählt die Piezo-Elektronik die Wirbel und wandelt sie in Durchflussraten um. Wirbelzähler sind relativ preiswert, können Flüssigkeiten oder Dämpfe messen, sind tolerant gegenüber Tröpfchen und besitzen keine stagnierenden Zonen.

Magnetische Durchflussmesser bestimmen den Durchfluss durch das Erzeugen eines Magnetfelds und dem Messen der entstehenden Spannung. Magnetische Sensoren zur Durchflussmessung sind im Allgemeinen preisgünstig, besitzen einen ungehinderten Durchflussweg und werden mit verschiedenen Elektrodenausführungen für unterschiedliche Anwendungen angeboten. Sie können jedoch nur leitende Flüssigkeiten messen.

Coriolis-Durchflussmessgeräte nutzen die Coriolis-Kraft, um den Massendurchfluss zu ermitteln. Die meisten Coriolis-Durchflussmessgeräte versetzen zwei Rohre in Schwingung und messen die Änderung der Schwingung, wenn der Durchfluss eingeleitet wird. Coriolis-Durchflussmessgeräte bieten eine extrem hohe Präzision und Messgenauigkeit.

Ultraschall-Durchflussmessgeräte verwenden Ultraschallimpulse zur Messung des Flüssigkeitsdurchflusses. Es gibt zwei Haupttypen: Laufzeit- und Dopplergeräte. Bei Durchflussmessern mit Laufzeitmessung werden mehrere Sensoren stromaufwärts und stromabwärts an der Außenseite einer Leitung angebracht. Da sich die Flüssigkeit mit dem einen Strahl und gegen den anderen bewegt, wird die Zeitdifferenz zwischen den beiden Strahlen zur Berechnung der Durchflussmenge verwendet.

Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser verwenden dagegen einen Sensor, der einen Ultraschallimpuls in die Leitung schickt, der von Partikeln und Blasen reflektiert wird. Aufgrund des Doppler-Effekts lassen sich Verschiebungen in der Impulsfrequenz messen und daraus die Durchflussrate ableiten. Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser erfordern allerdings Partikel oder Blasen im Strom, um zu funktionieren.

Optische Durchflussmesser verwenden zwei Lichter und entsprechende Sensoren zur Durchflussmessung. Die Geräte ermitteln, wie lange es dauert, bis ein Medium durchgelassen wird. Es gibt Laser-Doppelfokus-Messgeräte zum Erfassen von Partikeln und Blasen und Szintillationsgeräte zum Messen der Geschwindigkeit von Schatten und Unregelmäßigkeiten. Zu den Stärken optischer Durchflussmessgeräte gehören hohe Präzision, ein ungehinderter Durchflussweg, niedrige Kosten im Verhältnis zur Leitungsgröße, und sie sind ideal für wechselnde Flüssigkeiten.

Thermische Massen-Durchflussmesser basieren auf der Erkenntnis, dass die Wärmeausbreitung zwischen zwei Punkten in einem Strom proportional zum Massendurchfluss erfolgt. Durch Erhitzen eines Elements und dessen Anordnung vor einem Temperatursensor lässt sich der Massendurchfluss bestimmen. Die Vorteile thermischer Masse-Durchflussmesser liegen in ihrer Fähigkeit, die Masse direkt zu messen, in ihrer Verfügbarkeit als Einbautyp sowie in ihrer hohen Genauigkeit.



Was sind Füllstandssensoren?

Füllstandssensoren oder Füllstandsanzeiger dienen zur Bestimmung der Füllung von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in Tanks, Fässern oder Druckbehältern. Sie sind besonders dort von größter Bedeutung, wo es unmöglich oder gefährlich wäre, den Füllstand manuell zu ermitteln. Dazu gehören beispielsweise Tanks in Fahrzeugen oder für Ölheizungen.

Je nach Anwendung lassen sich Verfahren und Geräte für die Füllstandsmessung unterscheiden, zu den wichtigsten gehören transparente, röhrenförmige oder Reflex-Füllstandsanzeiger sowie magnetische Füllstandssensoren.



Wie funktionieren Füllstandssensoren?

Der Reflexions-Füllstandanzeiger funktioniert, indem er die Unterschiede im Brechungsindex zwischen Flüssigkeiten und Dämpfen erkennt. Sie sind langlebig, können hohen Temperaturen und Drücken standhalten und bestehen normalerweise aus Kohlenstoffstahl oder Edelstahl. In der Gas- oder Dampfphase reflektieren prismatischen Rillen des Glases das einfallende Licht. In der Flüssigkeitsphase wird das Licht absorbiert, so dass der Füllstand auf dem Schauglas dunkel erscheint. Reflexions-Füllstandsmessgeräte sind häufig zu finden, da sie geringe Anschaffungskosten, niedrige Betriebskosten und eine einfache Ablesung des Füllstands aufweisen.

Magnetische Sensoren zur Füllstandsmessung arbeiten nach dem archimedischen Auftriebsprinzip und sind äußerst langlebig. Der magnetische Schwimmer ist leichter als die ihn umgebende Flüssigkeit und schwimmt deshalb an der Oberfläche. Über einen oder mehrere Reed-Kontakte lässt sich seine Postion bestimmen. Einsatzbereiche sind oft Umgebungen mit hohem Druck, hohen Temperaturen und hochgiftigen oder korrosiven Stoffen. Sie dienen aber auch als berührungslose Füllstandsmessung zum Beispiel im Wasserbehälter einer Kaffeemaschine.

Der Röhren-Füllstandanzeiger ist die einfachste Form einer Anzeige zur Füllstandsmessung. Sein bevorzugter Einsatzbereich sind Umgebungen mit niedrigem und nichttoxischem Druck. Dieser Sensor meldet den Füllstand von Prozessflüssigkeiten durch direktes Ablesen an Tanks oder Behältern.



Gibt es auch mobile Durchflussmessgeräte?

Für den mobilen Einsatz existieren beispielsweise Ultraschall-Strömungsmessgeräte. Ihre Sensoren sind durch Kabel mit dem handlichen Gerät verbunden. Diese Messgeräte eignen sich besonders für Kontrollmessungen oder zur schnellen Ermittlung des Durchflusses in einer Rohrleitung.