[Abstract] Derzeit werden Technologien wie Electronic Design Automation (EDA), Computer-Aided Manufacturing (CAM), Computer-Aided Measurement (CAT), Digital Signal Processing (DSP), Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) und Surface Mount Technology weit verbreitet eingesetzt.
[Schlüsselwörter] Instrument
1.1 Differenzdruck-Durchflussmesser
Ein Differenzdruck-Durchflussmesser ist ein Instrument, das die Durchflussrate anhand des Differenzdrucks berechnet, der von einem in einer Rohrleitung installierten Durchflusssensorelement erzeugt wird, bekannter Fluidbedingungen sowie der geometrischen Abmessungen des Sensorelements und der Rohrleitung.
Differenzdruck-Durchflussmesser bestehen aus einem Primärgerät (Sensorelement) und einem Sekundärgerät (Differenzdruckumwandlungs- und Durchflussanzeigegerät). Sie werden typischerweise nach der Art des Sensorelements klassifiziert, z. B. in Blenden-, Venturi- und Pitot-Rohr-Durchflussmesser mit Mittelwertbildung.
Zu den Sekundärgeräten zählen verschiedene mechanische, elektronische und elektromechanische Differenzdruckmessgeräte, Differenzdruckmessumformer und Durchflussanzeigegeräte. Sie haben sich zu einer umfangreichen Gerätekategorie mit hohem Standardisierungsgrad, Generalisierungsgrad und Modularisierung entwickelt und umfassen eine Vielzahl von Typen und Spezifikationen. Diese Geräte können neben Durchflussparametern auch weitere Parameter wie Druck, Füllstand und Dichte messen.
Differenzdruck-Durchflussmesser können nach ihrem Funktionsprinzip in verschiedene Kategorien eingeteilt werden: Drosselvorrichtung, hydraulischer Widerstandstyp, Zentrifugaltyp, dynamischer Druckhöhentyp, dynamischer Druckgewinntyp und Strahltyp.
Die Testaufgaben lassen sich nach ihrem Standardisierungsgrad in zwei Kategorien einteilen: standardisierte und nicht standardisierte Aufgaben.
Bei einem sogenannten Standardprüfstück handelt es sich um ein Prüfstück, dessen Durchflusswert und Messfehler bestimmt und abgeschätzt werden können, sofern es gemäß den Standarddokumenten konstruiert, hergestellt, installiert und verwendet wird, ohne dass eine tatsächliche Durchflusskalibrierung erforderlich ist.
Nicht standardisierte Prüfstücke sind solche, die weniger ausgereift sind und noch nicht in internationale Normen aufgenommen wurden.
Differenzdruck-Durchflussmesser sind die am weitesten verbreitete Art von Durchflussmessern und stehen hinsichtlich ihrer Verwendung an erster Stelle aller Durchflussmessgeräte. In den letzten Jahren ist ihr Anteil aufgrund der Entwicklung verschiedener neuer Durchflussmessertypen zwar allmählich zurückgegangen, sie bleiben aber dennoch die wichtigste Art von Durchflussmesser.
Vorteile: (1) Das am weitesten verbreitete Blendenmessgerät zeichnet sich durch eine robuste Bauweise, stabile und zuverlässige Leistung sowie eine lange Lebensdauer aus; (2) Es hat ein breites Anwendungsspektrum und ist bis heute mit keinem anderen Durchflussmessgerät vergleichbar; (3) Die Detektionskomponenten, Messumformer und Anzeigegeräte werden von verschiedenen Herstellern gefertigt, was eine wirtschaftliche Massenproduktion ermöglicht.
Nachteile: (1) Die Messgenauigkeit ist im Allgemeinen gering; (2) Der Messbereich ist eng, in der Regel nur 3:1 bis 4:1; (3) Hohe Anforderungen an die Installationsbedingungen vor Ort; (4) Großer Druckverlust (bezogen auf Blenden, Düsen usw.).
Anwendungsübersicht: Differenzdruck-Durchflussmesser finden in einem besonders breiten Anwendungsbereich Verwendung. Sie werden zur Durchflussmessung in geschlossenen Rohrleitungen für verschiedene Fluide eingesetzt, darunter einphasige und mehrphasige, saubere, verschmutzte und viskose Strömungen. Sie eignen sich für Betriebsbedingungen wie Normaldruck, Hochdruck, Vakuum, Normaltemperatur, hohe und niedrige Temperatur, Rohrdurchmesser von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern sowie Strömungsarten wie Unterschall-, Schall- und pulsierende Strömungen. Sie machen etwa ein Viertel bis ein Drittel aller Durchflussmesser in verschiedenen Industriezweigen aus.
1.2 Schwimmer-Durchflussmesser
Ein Schwimmerdurchflussmesser, auch Rotordurchflussmesser genannt, ist ein Durchflussmesser mit variabler Querschnittsfläche. In einem vertikalen, sich von unten nach oben erweiternden Rohr wird das Gewicht eines Schwimmers mit kreisförmigem Querschnitt durch die hydrodynamische Kraft getragen, wodurch der Schwimmer im Rohr frei auf- und absteigen kann.
Schwimmerdurchflussmesser sind nach Differenzdruckdurchflussmessern die am zweithäufigsten eingesetzte Art von Durchflussmessern und spielen eine besonders wichtige Rolle bei der Messung kleiner und Mikro-Durchflussmengen.
Mitte der 1980er Jahre entfielen 15 bis 20 % des Absatzmarktes für Durchflussmesser auf Japan, Westeuropa und die USA. Die Produktion meines Landes wurde 1990 auf 120.000 bis 140.000 Einheiten geschätzt, wovon über 95 % Glaskegel-Durchflussmesser waren.
Merkmale: (1) Der Glaskegelrohr-Schwimmerdurchflussmesser zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion und Benutzerfreundlichkeit aus. Sein Nachteil liegt in der geringen Druckbeständigkeit und dem erhöhten Risiko eines Glasrohrbruchs. (2) Er eignet sich für kleine Rohrdurchmesser und geringe Durchflussmengen. (3) Er weist einen geringen Druckverlust auf.
1.3 Verdrängungsdurchflussmesser
Verdrängungsdurchflussmesser, auch bekannt als Konstantverdrängungsdurchflussmesser oder PD-Durchflussmesser, sind die genauesten Durchflussmesser. Sie nutzen mechanische Messelemente, um das Fluid kontinuierlich in einzelne, bekannte Volumenteile zu unterteilen und das Gesamtvolumen des Fluids zu messen, indem sie die Anzahl der Male messen, die die Messkammer mit diesem Volumenteil des Fluids gefüllt und entleert wird.
Nach ihren Messelementen lassen sich volumetrische Durchflussmesser in folgende Kategorien einteilen: Ovalrad-Durchflussmesser, Schaber-Durchflussmesser, Doppelrotor-Durchflussmesser, Drehkolben-Durchflussmesser, Hubkolben-Durchflussmesser, Scheiben-Durchflussmesser, Flüssigkeitsdichtungs-Drehtrommel-Durchflussmesser, Nassgas-Durchflussmesser und Membran-Gas-Durchflussmesser usw.
Vorteile: (1) Hohe Messgenauigkeit; (2) Die Installationsbedingungen der Rohrleitung haben keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit; (3) Kann zur Messung von hochviskosen Flüssigkeiten verwendet werden; (4) Großer Messbereich; (5) Das Direktablesegerät kann ohne externe Stromversorgung direkt kumulative und Gesamtwerte ermitteln und ist daher übersichtlich und einfach zu bedienen.
Nachteile: (1) Die Ergebnisse sind komplex und das Volumen ist groß; (2) Die Arten, Durchmesser und Betriebsbedingungen der gemessenen Medien sind begrenzt; (3) Es ist nicht für Anwendungen mit hohen und niedrigen Temperaturen geeignet; (4) Die meisten Instrumente eignen sich nur für saubere, einphasige Fluide; (5) Es erzeugt Lärm und Vibrationen.
Anwendungsübersicht: Verdrängungsdurchflussmesser zählen zusammen mit Differenzdruck-Durchflussmessern und Schwimmerdurchflussmessern zu den drei am häufigsten verwendeten Durchflussmessertypen und werden oft zur Gesamtvolumenmessung teurer Medien (Öl, Erdgas usw.) eingesetzt.
In den letzten Jahren lag der Umsatz mit PD-Durchflussmessern (ohne Haushaltsgas- und Haushaltswasserzähler) in den Industrieländern bei 13 % bis 23 % des Durchflussmessermarktes; in meinem Land beträgt er etwa 20 %. Die geschätzte Produktionsmenge im Jahr 1990 (ohne Haushaltsgaszähler) betrug 340.000 Einheiten, wovon etwa 70 % auf Ovalrad- und 20 % auf Losgelenk-Durchflussmesser entfielen.
1.4 Turbinen-Durchflussmesser
Turbinen-Durchflussmesser sind eine wichtige Art von Geschwindigkeits-Durchflussmessern. Sie verwenden einen mehrschaufeligen Rotor (Turbine), um die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zu erfassen und daraus den Durchfluss oder den Gesamtdurchfluss abzuleiten.
Es besteht typischerweise aus zwei Teilen: einem Sensor und einem Display, kann aber auch als einteilige Einheit gefertigt sein.
Turbinen-, Volumenstrom- und Coriolis-Massenstrommesser gelten als die drei Durchflussmessertypen mit der besten Wiederholgenauigkeit und Präzision. Als einer der zehn wichtigsten Durchflussmessertypen werden sie in zahlreichen Varianten und Serien in Serie gefertigt.
Vorteile: (1) Hohe Präzision, es ist das genaueste Durchflussmessgerät unter allen Durchflussmessgeräten; (2) Gute Wiederholgenauigkeit; (3) Keine Nullpunktdrift und gute Störfestigkeit; (4) Großer Messbereich; (5) Kompakte Bauweise.
Nachteile: (1) Kalibrierungseigenschaften können nicht über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden; (2) Die Fluideigenschaften haben einen erheblichen Einfluss auf die Strömungseigenschaften.
Anwendungsübersicht: Turbinen-Durchflussmesser finden breite Anwendung in der Messung von Erdöl, organischen und anorganischen Flüssigkeiten, Flüssiggas, Erdgas und kryogenen Fluiden. In Europa und den USA sind Turbinen-Durchflussmesser nach Blenden-Durchflussmessern das am zweithäufigsten eingesetzte Messgerät für Erdgas. Allein in den Niederlanden sind über 2.600 Gasturbinen-Durchflussmesser verschiedener Größen und Druckbereiche von 0,8 bis 6,5 MPa in Erdgasleitungen im Einsatz und haben sich als hervorragende Messgeräte für Erdgas etabliert.
1.5 Elektromagnetischer Durchflussmesser
Ein elektromagnetischer Durchflussmesser ist ein Instrument zur Messung leitfähiger Flüssigkeiten, das auf dem Faraday'schen Gesetz der elektromagnetischen Induktion basiert.
Elektromagnetische Durchflussmesser verfügen über eine Reihe hervorragender Eigenschaften, mit denen sich Probleme lösen lassen, die andere Durchflussmesser nicht so einfach lösen können, wie beispielsweise die Messung von verschmutzten oder korrosiven Medien.
In den 1970er und 1980er Jahren wurden bei elektromagnetischen Durchflussmessern bedeutende technologische Fortschritte erzielt, wodurch sie zu einem weit verbreiteten Durchflussmessertyp wurden, und ihr Einsatzanteil in Durchflussmessern hat stetig zugenommen.
Vorteile: (1) Der Messkanal ist ein glattes, gerades Rohr, das nicht verstopft und sich für die Messung von zweiphasigen Flüssigkeiten mit Feststoffpartikeln wie Zellstoff, Schlamm und Abwasser eignet; (2) Es entstehen keine Druckverluste durch die Durchflussmessung, wodurch der Energieverbrauch gering bleibt; (3) Der gemessene Volumenstrom wird durch Änderungen der Flüssigkeitsdichte, Viskosität, Temperatur, des Drucks und der Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinflusst; (4) Es bietet einen großen Durchflussbereich und einen weiten Durchmesserbereich; (5) Es kann für korrosive Flüssigkeiten eingesetzt werden.
Nachteile: (1) Kann keine Flüssigkeiten mit sehr geringer Leitfähigkeit, wie z. B. Erdölprodukte, messen; (2) Kann keine Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten mit großen Blasen messen; (3) Kann nicht bei höheren Temperaturen verwendet werden.
Anwendungsübersicht: Elektromagnetische Durchflussmesser finden in vielen Bereichen Anwendung. Geräte mit großem Durchmesser werden hauptsächlich in der Wasserversorgung und Abwasserentsorgung eingesetzt; Geräte mit kleinem und mittlerem Durchmesser kommen häufig in anspruchsvollen oder schwer messbaren Situationen zum Einsatz, beispielsweise zur Steuerung des Kühlwassers in Hochofendüsen der Stahlindustrie, zur Messung von Zellstoff und Schwarzlauge in der Papierindustrie, von hochkorrosiven Flüssigkeiten in der chemischen Industrie und von Mineralsuspensionen in der Nichteisenmetallurgie; Geräte mit kleinem und Mikro-Durchmesser werden häufig in Bereichen mit hohen Hygieneanforderungen wie der pharmazeutischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und der Biochemie verwendet.
1.6 Wirbelstrommesser
Ein Wirbelstrommesser ist ein Instrument, bei dem ein nicht stromlinienförmiger Wirbelerzeuger in das Fluid eingesetzt wird und das Fluid abwechselnd auf beiden Seiten des Erzeugers getrennt und freigegeben wird, wodurch zwei Stränge regelmäßig ineinandergreifender Wirbel entstehen.
Wirbeldurchflussmesser können nach ihrer Frequenzerkennungsmethode wie folgt klassifiziert werden: Spannungs-, Dehnungs-, kapazitive, thermische, Vibrationskörper-, fotoelektrische und Ultraschall-Durchflussmesser.
Wirbeldurchflussmesser zählen zu den neuesten Durchflussmessertypen, haben sich aber rasant weiterentwickelt und sind mittlerweile zu einem weit verbreiteten Durchflussmesser geworden.
Vorteile: (1) Einfache und robuste Konstruktion; (2) Geeignet für eine Vielzahl von Fluiden; (3) Hohe Präzision; (4) Großer Messbereich; (5) Geringer Druckverlust.
Nachteile: (1) Nicht geeignet für Messungen bei niedrigen Reynolds-Zahlen; (2) Erfordert ein langes gerades Rohrstück; (3) Der Instrumentenkoeffizient ist niedrig (im Vergleich zu Turbinen-Durchflussmessern); (4) Für das Instrument fehlen Anwendungserfahrungen bei pulsierender Strömung und Mehrphasenströmung.
1.7 Ultraschall-Durchflussmesser
Ein Ultraschall-Durchflussmesser ist ein Instrument, das die Durchflussrate misst, indem es die Wirkung der Flüssigkeitsströmung auf einen Ultraschallstrahl (oder Ultraschallimpuls) erfasst.
Auf der Grundlage des Signalerkennungsprinzips können Ultraschall-Durchflussmesser in verschiedene Verfahren eingeteilt werden, darunter Verfahren der Ausbreitungsgeschwindigkeitsdifferenz (direktes Zeitdifferenzverfahren, Zeitdifferenzverfahren, Phasendifferenzverfahren und Frequenzdifferenzverfahren), Strahlablenkungsverfahren, Dopplerverfahren, Kreuzkorrelationsverfahren, räumliche Filterverfahren und Rauschverfahren usw.
Wie elektromagnetische Durchflussmesser sind auch Ultraschall-Durchflussmesser ungehinderte Durchflussmesser, da im Strömungskanal keine Hindernisse vorhanden sind. Sie eignen sich besonders für die Lösung komplexer Durchflussmessprobleme, insbesondere bei großen Durchmessern, und bieten herausragende Vorteile. In den letzten Jahren haben sie sich zu einer der am schnellsten wachsenden Durchflussmesserarten entwickelt.
Vorteile: (1) Es ermöglicht berührungslose Messungen; (2) Es handelt sich um eine Messung ohne Strömungsbehinderung und ohne Druckverlust; (3) Es kann nichtleitende Flüssigkeiten messen und ist eine Ergänzung zu elektromagnetischen Durchflussmessern, die eine ungehinderte Messung ermöglichen.
Nachteile: (1) Die Laufzeitmethode kann nur für saubere Flüssigkeiten und Gase verwendet werden; die Doppler-Methode kann nur zur Messung von Flüssigkeiten verwendet werden, die eine gewisse Menge an suspendierten Partikeln und Blasen enthalten; (2) Die Doppler-Methode hat eine geringe Messgenauigkeit.
Anwendungsübersicht: (1) Die Laufzeitmethode eignet sich für saubere, einphasige Flüssigkeiten und Gase. Typische Anwendungsgebiete sind Industrieabwässer, Klärschlamm, Flüssigerdgas usw.; (2) Im Bereich der Gasanwendungen liegen bereits gute Erfahrungen mit Hochdruck-Erdgas vor; (3) Die Doppler-Methode ist geeignet für zweiphasige Fluide mit relativ geringem Heterogenitätsanteil, wie z. B. unbehandeltes Abwasser, Industrieabwässer und verschmutzte Prozessflüssigkeiten; sie ist im Allgemeinen nicht für sehr reine Flüssigkeiten geeignet.
1.8 Coriolis-Massenstrommesser
Der Coriolis-Massenstrommesser (CMF) ist ein direkter Massenstrommesser, der das Prinzip nutzt, dass eine Flüssigkeit, die durch ein vibrierendes Rohr strömt, eine Corioliskraft erzeugt, die proportional zum Massenstrom ist.
Die Anwendung von CMF begann in meinem Land relativ spät. In den letzten Jahren haben mehrere Hersteller (wie die Taihang Instrument Factory) eigenständig Geräte entwickelt und den Markt beliefert; andere Hersteller haben Joint Ventures gegründet oder ausländische Technologie übernommen, um eine Reihe von Instrumenten herzustellen.
1.9 Durchflussmesser für offene Gerinne
Im Gegensatz zu den zuvor genannten Typen handelt es sich um einen Durchflussmesser, der den natürlichen Durchfluss auf einer freien Oberfläche in einem nicht vollständig gefüllten, offenen Kanal misst.
Ein Wasserweg, der nicht vollständig mit Wasser gefüllt ist, wird als offener Kanal bezeichnet, und das Instrument, das zur Messung der Durchflussrate in einem offenen Kanal verwendet wird, heißt Durchflussmesser für offene Kanäle.
Neben kreisförmigen Ausführungen gibt es Durchflussmesser für offene Gerinne auch in verschiedenen anderen Formen, wie zum Beispiel U-förmig, trapezförmig und rechteckig.
Durchflussmesser für offene Gerinne finden in verschiedenen Anwendungsbereichen Verwendung, darunter städtische Wasserversorgungskanäle, Wasserzulauf- und -ablaufkanäle für Wärmekraftwerke, Abwasserzu- und -ablaufkanäle für Kläranlagen, Wasserabflüsse aus Industrie- und Bergbaubetrieben sowie Bewässerungskanäle für Wasserbauprojekte und die Landwirtschaft. Schätzungen gehen von 1995 Einheiten aus, was etwa 1,6 % des gesamten Durchflussmessermarktes entspricht. Für Anwendungen im Inland liegen jedoch keine Daten vor.
2 Forschung und Entwicklung von Durchflussmessern mit neuen Funktionsprinzipien
2.1 Elektrostatischer Durchflussmesser
Das Tokyo Institute of Technology in Japan hat einen elektrostatischen Durchflussmesser entwickelt, der sich zur Messung der Durchflussrate von Flüssigkeiten mit niedriger Leitfähigkeit in Ölpipelines eignet.
Das metallene Messrohr des elektrostatischen Durchflussmessers ist isoliert und an das Rohrleitungssystem angeschlossen. Die Ladung im Messrohr lässt sich durch Messung der statischen Ladung eines Kondensators bestimmen. Es wurden Durchflussversuche mit Geräten durchgeführt, deren Messrohre aus Kupfer, Edelstahl und Kunststoff mit Innendurchmessern von 4–8 mm bestanden. Die Versuche zeigten einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Durchflussrate und Ladung.
2.2 Kombinierte Effektanzeige
Das Instrument basiert auf dem Prinzip der Verformung, die durch die kombinierte Wirkung von Fluidimpuls und Druck auf den Instrumentenraum entsteht. Die Durchflussrate wird durch Messung der daraus resultierenden Verformung bestimmt. Entwickelt vom GMI Engineering and Management Institute in den USA, ist dieses Instrument mit zwei Patenten geschützt.
2.3 Tachometrischer Durchflusssensor
Dieses von der Firma für Industrieinstrumente des Russischen Wissenschafts- und Ingenieurzentrums entwickelte Instrument basiert auf dem Prinzip der Suspensionsströmung. Es wurde bereits erfolgreich in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt (beispielsweise wurden über 2.000 Einheiten in einem Kernkraftwerk zur Messung des Warmwasserdurchflusses installiert und sind dort seit acht Jahren im Dauerbetrieb). Die Weiterentwicklung zur Erweiterung der Anwendungsgebiete wird kontinuierlich vorangetrieben.
3. Anwendungen und Entwicklungstrends verschiedener Durchflussmesser
3.1 Coriolis-Massenstrommesser (CMF)
Foreign CMF hat über 30 Serien entwickelt. Der technische Schwerpunkt jeder Serienentwicklung liegt auf: innovativer Konstruktion der Durchflussmessrohrstruktur; Verbesserung der Nullpunktstabilität und Genauigkeit des Instruments; Erhöhung der Messrohrauslenkung zur Verbesserung der Empfindlichkeit; Verbesserung der Spannungsverteilung im Messrohr zur Reduzierung von Ermüdungsschäden; und Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationseinflüsse.
3.2 Elektromagnetischer Durchflussmesser (EMF)
Seitdem die elektromagnetische Feldmessung (EMF) Anfang der 1950er-Jahre in industriellen Anwendungen Einzug hielt, haben sich ihre Anwendungsgebiete stetig erweitert. Seit Ende der 1980er-Jahre macht sie in verschiedenen Ländern 16 bis 20 Prozent des Absatzes von Durchflussmessern aus.
Die heimische Produktion von ENFs in meinem Land hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt, mit geschätzten Verkaufszahlen von 6.500 bis 7.500 Einheiten im Jahr 1994. Die heimische Produktion umfasst mittlerweile ENFs mit Durchmessern von 2 bis 6 Metern sowie die Möglichkeit, Durchflusstests an ENFs mit 3 Metern Durchmesser durchzuführen.
3.3 Wirbelstrommesser (USF)
USF stieg Ende der 1960er-Jahre in industrielle Anwendungen ein und erreichte Ende der 1980er-Jahre einen Marktanteil von 4 bis 6 % am Umsatz mit Durchflussmessern in verschiedenen Ländern. 1992 wurde der weltweite Absatz auf 35.480 Einheiten geschätzt, während der Absatz im Inland im gleichen Zeitraum auf 8.000 bis 9.000 Einheiten geschätzt wurde.
4. Schlussfolgerung
Wie man oben sehen kann, sind Durchflussmesser zwar zunehmend ausgereifter geworden, es gibt aber immer noch eine große Vielfalt an Typen, und es gibt immer noch keinen Durchflussmesser, der für alle Anwendungsfälle geeignet ist.
Jeder Durchflussmessertyp hat seinen Anwendungsbereich und seine Grenzen. Daher ist Folgendes zu beachten: (1) Bei der Auswahl eines Messgeräts müssen wir sowohl das Messgerät als auch das zu messende Objekt kennen und weitere Faktoren berücksichtigen, um eine genaue Messung zu gewährleisten; (2) Wir sollten bestrebt sein, neue Messgerätetypen zu entwickeln und die bestehenden auf Basis weiter zu verbessern.
