| Die Basis dieses Messverfahrens bildet das Faradaysche Induktionsgesetz: In einem elektrischen Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Dieses elektrische Feld lässt sich über eine Spannung zwischen den Leiterenden messen - es wird eine Spannung induziert. Hierbei entspricht die zu messende leitfähige Flüssigkeit dem bewegten Leiter. Das Magnetfeld mit konstanter Stärke wird durch zwei stromdurchflossene Feldspulen zu beiden Seiten des isolierenden Messrohres erzeugt. In der Praxis kommt überwiegend das Laufzeitverfahren zum Einsatz. Die beim Durchfliessen des Messstoffs erzeugte Spannung wird an den zwei an der Rohrinnenwand befindlichen Messelektroden abgegriffen. Die Durchflussgeschwindigkeit ist dabei proportional zu der induzierten Spannung, die durch einen geeigneten Messumformer in Standardsignale umgesetzt wird. |
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| Das Ultraschall-Durchfluss-Messverfahren kann in die folgenden vier unterschiedlichen Messprinzipien unterteilt werden: 1) Laufzeitverfahren Das Laufzeitverfahren nutzt den physikalischen Effekt, dass der Schall in einem strömenden Medium von der Strömung mitgenommen wird. Hierbei wird ein Ultraschallimpuls in Strömungs- und gegen Strömungsrichtung gesandt. Bei einem strömenden Medium ist nun die effektive Schallgeschwindigkeit um die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums größer - bzw. kleiner, wenn der Schall gegen den Strom läuft - als im ruhenden Medium. Aus dieser gemessenen Laufzeitdifferenz kann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. 2) Dopplerverfahren Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit wird beim Dopplerverfahren die Frequenzverschiebung von einem bewegten (inhomogenen) Partikel reflektierten Schallsignals ermittelt. Dieses Messverfahren setzt voraus, dass in dem zu messenden Medium also Feststoffe oder Gasblasen enthalten sind. 3) Driftverfahren Bei der Driftmessung wird senkrecht zur Strömung des zu messenden Mediums ein kontinuierliches Ultraschallsignal abgestrahlt. Nun wird die Intensitätsverteilung durch das Medium entsprechend der Strömungsrichtung abgelenkt. Aus der relativen Intensitätsverteilung des Ultraschallsignals auf die gegenüberliegenden Empfänger kann die relative Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. 4) Stroboskop-Verfahren Das Stroboskop-Meßverfahren arbeitet ähnlich wie das Dopplerverfahren mit reflektierten Schallsignalen von bewegten Partikeln. Es wird dabei, im Gegensatz zum Dopplerverfahren nicht die Frequenzverschiebung des Schallsignals genutzt, sondern die Zeit gemessen, die ein Partikel zum Durchlaufen einer definierten Wegstrecke in einem Schallkegel benötigt. Hierzu werden kurze Ultraschallimpulse in schneller Folge - ähnlich wie Stroboskopaufnahmen mit Licht - hintereinander ausgestrahlt. |
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| Das sogenannte Coriolis Prinzip zur Massendurchflussmessung nutzt die Coriolis Kräfte. Das sind Scheinkräfte, die an bewegten Massen in einem rotierenden Bezugssystem angreifen. Wird nun eine in Bewegung befindliche Masse einer Schwingung quer zur Bewegungsrichtung ausgesetzt, so treten (abhängig vom Massestrom) Corioliskräfte auf. Die Coriolis-Massendurchflussmesser bestehen aus ein oder zwei Messrohren, die mit einer Resonanzfrequenz von typischerweise 80 - 1000 Hz angeregt werden. Fließt nun ein Medium (= Masse) durch diese schwingenden Messrohre, so entstehen Corioliskräfte. Diese Kräfte ändern die Schwingungen um geringe Beträge. Das Zusammenspiel von Corioliskräften und Resonanzfrequenz führt zu einer kleinen Phasenverschiebung, die vom Messsystem mittels optischer oder induktiver Sensoren erfasst wird. Die Phasenverschiebung ist ein Maß für den Massedurchfluss. Gleichzeitig kann neben dem Massedurchfluss auch die Dichte des Mediums aus der Resonanzfrequenz bestimmt werden. Zur Kompensation von Temperaturabhängigkeiten wird zusätzlich die Messrohrtemperatur und damit die Medientemperatur erfasst. Somit liefert der Messumformer des Coriolis-Massendurchflussmessers die drei Messinformationen Massendurchfluss, die Mediendichte sowie die Temperatur des Mediums. |
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| Der Wirbelzähler (engl. vortex meter) nutzt die Wirbel, die an einem Störkörper in einem strömenden Medium entstehen. In dem Messrohr wird ein scharfkantiger, feststehender Störkörper vom Medium angeströmt. Hinter diesem Störkörper bilden sich abwechselnd auf beiden Seiten sehr regelmäßige Wirbel durch den Abriss der Strömung an den scharfen Kanten. Es bildet sich eine Kármánnsche Wirbelstraße aus. Die Frequenz der Wirbelablösung zu beiden Seiten des Störkörpers ist proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit des Mediums und damit zum Volumendurchfluss. Die abgelösten Wirbel stellen einen lokalen Unterdruck im Medium und damit auch im Messrohr dar. Dieser Unterdruck wird durch einen kapazitiven Sensor erfasst und als primär digitales, lineares Signal der Elektronik zugeführt. Das Messsignal unterliegt keiner Drift. Deshalb können Wirbelzähler über die gesamte Lebensdauer ohne Nachkalibrierung eingesetzt werden. Bei kapazitiven Sensoren mit integrierter Temperaturmessung ist zusätzlich z.B. der Massedurchsatz von Sattdampf direkt erfassbar. |
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| Das Verfahren basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung und des Wärmetransports in Flüssigkeiten und Gasen. Das Messverfahren beruht auf einer thermodynamischen Grundlage. Ein Körper mit höherer Temperatur als seine Umgebung gibt an eine vorbeiströmende Masse Energie in Form von Wärme ab. Das Ausmaß der Energieabgabe ist durch die Temperaturdifferenz Δt und durch die Größe des Massendurchflusses bestimmt. Das thermische Messverfahren beruht auf folgendem Prinzip: Die Temperaturdifferenz Δt des Messaufnehmers zur Umgebung wird durch eine elektrische Heizung konstant gehalten. Aus der Messung der Heizleistung wird der Massendurchfluss bestimmt. Dieses Verfahren wird als CTD (Constant-Temperature-Difference) Messverfahren bezeichnet. Zwei temperaturempfindliche Widerstände (Sensorelemente) werden vom Medium umströmt. Eines der Sensorelemente nimmt die Mediumstemperatur tM an, während das zweite Element vom integrierten Heizwiderstand auf die Temperatur tS erhitzt wird. Die Temperaturdifferenz Δt = tS - tM wird in Abhängigkeit der Art des Mediums von einem Regelkreis konstant gehalten. Der dazu erforderliche Heizstrom IH ist abhängig vom Massendurchfluss und kann somit zur Auswertung des Massestroms herangezogen werden. Einsetzbar ist das kalorimetrische Messverfahren zur Messung des Volumen- und Massenstroms als Durchflussmessgerät oder als Strömungswächter. Die Messdynamik liegt bei > 1:100. Vorteilhaft ist bei diesem Prinzip die Unabhängigkeit von der Viskosität und der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums. Die kleine und robuste Bauformen der Sensoren ist für alle Nennweiten geeignet. |
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