Druckluft-Durchflussmessung

Warum ist es so wichtig, den Druckluftdurchfluss zu messen?

Weil wir daraus Folgendes ermitteln können:

• die Leistungsfähigkeit der Kompressoren
• den Druckluftverbrauch
• Luftleckagen durch Undichtigkeiten

Durchfluss ist nicht gleich Durchfluss

Mit dem Wort Gasdurchfluss können im Wesentlichen drei verschiedene Größen bezeichnet werden:

• Geschwindigkeitsdurchfluss (m/s) – die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des gemessenen Mediums
• Massendurchfluss (kg/s) – die Masse der Luft, die pro Zeiteinheit durch die Rohrleitung fließt
• Volumendurchfluss (m3/h) – das Volumen der Flüssigkeit, das pro Zeiteinheit t durch die Rohrleitung fließt.

Der Volumendurchfluss als Maßstab für die Kompressorleistung

Der Volumendurchfluss ist in den Datenblättern der Kompressoren zu finden und bezeichnet eigentlich die Leistung des Kompressors. Bei kleinen Kompressoren wird die Einheit l/min verwendet, bei großen Kompressoren die Einheit m3/h (1 m3 = 1.000 l). Auf dem Bild ist ein Ausschnitt des E-Shops www.kompresory-vzduchotechnika.cz zu sehen, wo der Volumendurchfluss die aus der Atmosphäre angesaugte Luftmenge und die in den Windkessel strömende Luftmenge (Füllmenge) ausdrückt.

Der Volumendurchfluss hilft uns auch dabei, die Leistungen einzelner Kompressoren zu vergleichen.
Wir können die spezifische Leistung, Pspec, berechnen – sie verrät uns, wie viele kW benötigt werden, um einen Einheitsvolumendurchfluss von 1 m3/min zu erzeugen.

Vorsicht beim Vergleich von Volumendurchflüssen – wichtig sind auch Temperatur, Druck und Messort

Volumendurchflüsse können nur dann miteinander verglichen werden, wenn sie auf den gleichen Druck und die gleiche Temperatur bezogen sind. Daher müssen wir darauf achten, für welche Bedingungen der jeweilige Durchflusswert gilt.

Umrechnung auf Normbedingungen

Durchflüsse und Gasmengen lassen sich nur vergleichen, wenn sie auf Normbedingungen (Druck und Temperatur) umgerechnet werden. Es werden jedoch zwei Normen verwendet.

Normbedingungen für den Volumendurchfluss:

Der Unterschied zwischen beiden Durchflüssen bei zwei verschiedenen Normbedingungen beträgt 8,7 %. Messen Sie den Volumendurchfluss unter Bedingungen, die erheblich von den Normbedingungen abweichen? Erst nach der Umrechnung können Sie daraus auf die Menge des angesaugten Gases, des verbrauchten Gases oder die Menge des aufgrund von Undichtigkeiten entichenen Gases schließen.

p = Absolutdruck in bar, V = Volumen, T = absolute Temperatur in K (absolute Temperatur in K = Temperatur in °C + 274,15).

Eigenschaften von Gasen gemäß Gleichung

Eine wichtige Eigenschaft von Gasen ist, dass ihr Volumen mit steigender Temperatur zunimmt – dies wird z. B. in Heißluftballons genutzt. Am einfachsten beschreibt die ideale Gasgleichung diese Eigenschaften und das daraus resultierende Verhalten von Gasen:

p.V = m.R.T

wobei p der Druck, V das Volumen, m die Masse, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur in K ist (absolute Temperatur in K = Temperatur in °C + 274,15).

Aus der Gleichung folgt, dass sich das Volumen (gemessen z. B. in Kubikmetern) und die Dichte des Gases mit Druck und Temperatur ändern, seine Masse (in Kilogramm, Pfund usw.) jedoch unverändert bleibt (Gesetz der Massenerhaltung).

Was beim Verdichten von Luft passiert

Beim Verdichten steigen Druck und Dichte, während das Luftvolumen abnimmt. Die Masse bleibt unverändert – für sie gilt das Gesetz der Massenerhaltung.

Die Luftmasse bleibt also gleich. Was bedeutet das für die Durchflussmessung?

Auf dem Bild sehen wir den Unterschied zwischen einer Messung mit einem Massenmessgerät und einem Volumenmessgerät:

• Ein thermischer Massendurchflussmesser ermittelt den Durchfluss anhand der Masse und zeigt unabhängig von Temperatur und Druck immer den gleichen Wert an.
• Ein Flügelrad-Durchflussmesser misst die Strömungsgeschwindigkeit, die je nach Rohrleitungsquerschnitt in den Volumendurchfluss umgerechnet wird. Der gemessene Wert muss auf Normbedingungen umgerechnet werden.

Methoden der Durchflussmessung

a) Massendurchflussmesser Der Vorteil dieser Durchflussmesser besteht darin, dass sie den Massendurchfluss direkt und unabhängig von Druck und Temperatur messen, sodass nichts umgerechnet werden muss. Thermische Massendurchflussmesser In den Luftstrom wird ein Sensor installiert, der aus zwei Platin-Widerständen besteht: R1 misst die Gastemperatur R2 wird beheizt, um eine konstante Temperatur zu erreichen, und wird durch das strömende Gas abgekühlt Je größer der Bedarf ist, die Temperatur von R2 konstant zu halten, desto größer ist der Massendurchfluss. Die Leistung, die benötigt wird, um den Körper auf dieser Temperatur zu halten, ist proportional zum Massendurchfluss des Gases.

Kalorimetrische Durchflussmesser In einem Bypass-Kanal des beheizten Kanals wird die Lufterwärmung im Abschnitt zwischen zwei Widerstandstemperaturfühlern S1 und S2 gemessen. Die Wärmequelle H befindet sich in der Mitte des Kanals. Bei einem Durchfluss von Null (m0) breitet sich die Temperatur gleichmäßig zu beiden Seiten der Wärmequelle aus. Bei Luftströmung (m1) wird die Wärme vom Heizkörper H in Strömungsrichtung zu einem der Temperaturfühler getragen. Dadurch gerät die Brücke aus dem Gleichgewicht und die Differenzspannung wird verstärkt; dieser Sensorausgang ist proportional zur Strömung des Mediums.

Coriolis-Durchflussmesser

Zu den Massenmessgeräten gehören auch Coriolis-Durchflussmesser. Diese messen den Massendurchfluss ebenfalls direkt, indem sie die Phasenverschiebung der Schwingungen von zwangsweise oszillierenden Messrohren erfassen. Es handelt sich um präzise und teure Geräte.

b) Geschwindigkeitsdurchflussmesser

Diese messen die Strömungsgeschwindigkeit der Luft. Aus der Geschwindigkeit lässt sich der Volumendurchfluss anhand des Querschnitts der Rohrleitung berechnen, in der das gemessene Medium strömt.

Turbinen- und Flügelrad-Durchflussmesser

• die strömende Luft versetzt eine Turbine, ein Flügelrad oder ein Schraubenrad in Rotation
• die Rotationsgeschwindigkeit ist proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit

Wirbel-Durchflussmesser (Vortex)

In die Rohrleitung wird ein Störkörper eingebracht, der eine Änderung von Druck und Geschwindigkeit bewirkt. Die hervorgerufene Änderung wird z. B. durch einen piezoelektrischen oder kapazitiven Differenzsensor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Störkörper in Wirbel-Durchflussmessern kann verschiedene Formen und Lagerungen haben.

Ultraschall-Durchflussmesser Die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst, wie schnell sich Ultraschallwellen im strömenden Medium ausbreiten. An der Rohrleitung werden nacheinander zwei Sender V1 und V2 und gegenüber zwei Empfänger P1 und P2 für Ultraschallwellen platziert. Ein Sender V1 sendet in Strömungsrichtung und der zweite V2 gegen die Richtung. Es wird die Laufzeit der Welle gemessen. Die Differenz der Zeiten, die für den Durchgang durch das Medium benötigt werden, ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit.
Durchflussmesser mit Differenzdruckmessung a) Messung mit Blende: Der Rohrquerschnitt wird durch ein Drosselorgan verengt: Blende, Düse, Venturidüse. Vor und nach der Verengung wird der Druck mit einem Differenzdruckmesser gemessen. Die Druckdifferenz ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit.
b) Messung mit Sonde Eine Mehrlochsonde wird quer zur strömenden Substanz in die Rohrleitung eingeführt. Zur Messung wird die Umwandlung von kinetischer Energie des strömenden Fluids in Druckenergie genutzt. Der dynamische Druck pdyn wird aus dem gemessenen Gesamtdruck pc und dem statischen Druck pstat berechnet: pdyn = pc – pstat

Die Messanordnung besteht aus mehreren Elementen:

• Drosselorgan – Blende, Düse, Venturidüse, Staurohr
• Differenzdruckmesser – Erfassung der Druckdifferenz am Drosselelement
• Ventilsatz – ermöglicht den Anschluss des Differenzdruckmessers sowie das Spülen und Entlüften der Signalleitungen

Auf dem Markt gibt es auch Kompaktmessgeräte, die mit Blende, Ventilanschluss, Differenzdrucksensor und intelligentem Messumformer ausgestattet sind.

Installation von Durchflussmessern – Wahl des geeigneten Ortes

Wählen Sie für die Installation des Durchflussmessers eine gerade Stelle ohne Formstücke aus, an der keine Turbulenzen auftreten dürfen. Auf dem Bild sehen wir: den Rohrabschnitt vor der Messstelle – Einlaufstrecke L1 den Rohrabschnitt nach der Messstelle – Auslaufstrecke L2 Die Mindestlänge der Auslaufstrecke L2 soll üblicherweise das Fünffache des Rohrdurchmessers betragen, L2 = min. 5× D. Die Mindestlänge der Einlaufstrecke L1 unterscheidet sich bei den einzelnen Durchflussmessern: thermische Massendurchflussmesser L1 = min. 15× D Wirbel-Durchflussmesser L1 = min. 20× D Ultraschall-Durchflussmesser L1 = min. 10 bis 20× D Flügelrad- und Turbinen-Durchflussmesser L1 = min. 15 bis 20× D

Die Einlaufstrecke muss länger sein, bis zu 50× D, wenn in der Rohrleitung eine Armatur installiert ist oder sich darin ein Bogen oder eine Verengung befindet.

Die Streckenlängen vor und nach der Messstelle entnehmen Sie bitte immer der Dokumentation der Geräte. Beispiel für detaillierte Anweisungen für thermische Massendurchflussmesser:

Installation von Durchflussmessern – Schaffung einer Messstelle

Für den Durchflussmesser muss immer eine Messstelle geschaffen werden. In der Gerätedokumentation finden Sie eine detaillierte Beschreibung, wie die Messstelle zu erstellen ist. Hier führen wir ein Beispiel für die Messstelle eines thermischen Massendurchflussmessers an:

1. Wählen Sie für die Messstelle eine dieser Möglichkeiten:

Kalibrierung von Durchflussmessern

Durchflussmesser, die für kommerzielle Zwecke genutzt werden, müssen gemäß dem Metrologiegesetz kalibriert werden.
In Kalibrierlaboratorien wird mit Hilfe eines präziseren Messgeräts geprüft, ob die Genauigkeit des Durchflussmessers zufriedenstellend ist.