Clamp-On-Ultraschalldurchflussmessung Durchfluss eingriffsfrei messen

Autor / Redakteur: Jörg Sacher / Dr. Jörg Kempf

Der Markt für Durchflussmesser ist in Schwingung geraten. Gegenwärtig scheint es nur einen einzigen Trend zu geben: Coriolis. Sämtliche „Elefanten“ der Prozessinstrumentierung forcieren den Wettbewerb um leistungsfähigere, kleinere und preisgünstigere Coriolis-Massedurchflussmesser. Nur die Ultraschallexperten von Flexim beharren auf ihrem Credo: Durchfluss misst man am besten von außen. Lesen Sie warum ...

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Aufgrund ihrer Vorteile hat sich die eingriffsfreie Ultraschalltechnik in der Prozessindustrie längst als ein Standardverfahren etabliert. Eine Außenseitermesstechnik ist sie nur noch im technischen Sinne: Clamp-On-Ultraschallsensoren werden einfach außen auf dem Rohr angebracht, messen also gewissermaßen von der sicheren Seite.
Aufgrund ihrer Vorteile hat sich die eingriffsfreie Ultraschalltechnik in der Prozessindustrie längst als ein Standardverfahren etabliert. Eine Außenseitermesstechnik ist sie nur noch im technischen Sinne: Clamp-On-Ultraschallsensoren werden einfach außen auf dem Rohr angebracht, messen also gewissermaßen von der sicheren Seite.
(Bild: Flexim/Outotec)

„Schwingende Röhren sind gerade schwer in Mode“, stellt Ingrid Panicke fest: „Gegen Schwingungen haben wir natürlich gar nichts. Nur bevorzugen wir halt Ultraschall.“ Die Diplom-Ingenieurin betreut als Produktmanagerin bei Flexim die Durchflusssparte: Bange macht ihr der momentane Boom der Coriolis-Technik nicht: „Gewiss hat die Coriolis-Technik große Vorteile, insbesondere die hohe erreichbare Genauigkeit. In vielen Anwendungen ist es aber einfacher und besser, den Durchfluss eingriffsfrei mit Clamp-On-Ultraschalltechnik zu messen.“

Mehrheitsfähige Außenseiter

Aufgrund ihrer Vorteile hat sich die eingriffsfreie Ultraschalltechnik in der Prozessindustrie längst als ein Standardverfahren etabliert. Eine Außenseitermesstechnik ist sie nur noch im technischen Sinne: Clamp-On-Ultraschallsensoren werden einfach außen auf dem Rohr angebracht, messen also gewissermaßen von der sicheren Seite. Die Einrichtung einer Durchflussmessstelle mit Clamp-On-Ultraschalltechnik erfordert keinerlei Rohrarbeiten und somit auch keine Produktionsunterbrechungen: „Ultraschallsensoren auf dem Rohr aufspannen, Messumformer parametrieren, fertig“, fasst Ingrid Panicke die Prozedur kurz zusammen.

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Doch die Vorteile des eingriffsfreien Messverfahrens beschränken sich nicht auf die Installation im Handumdrehen: „Die Clamp-On-Ultraschallsensoren sind keinem Verschleiß durch das im Rohr fließende Medium ausgesetzt und verursachen absolut keinen Druckverlust“, nennt Ingrid Panicke als weitere Vorzüge: „Nicht zuletzt geht von der eingriffsfreien Messtechnik nicht das geringste Leckagerisiko aus.“ Darüber hinaus zeichnet sich das trägheitslose akustische Verfahren durch eine außerordentlich hohe Messdynamik aus und funktioniert völlig unabhängig von der Strömungsrichtung des Mediums.

Häufig – und insbesondere in chemischen Prozessen – interessiert jedoch weniger der Volumen- denn der temperatur- und druckunabhängige Massedurchfluss. Die stöchiometrischen Formeln der Chemie bezeichnen Massenverhältnisse. Entsprechend geht es auch bei der Verfahrensführung im industriellen Maßstab um die korrekte Dosierung von Stoffmengen in Form von Massenproportionen.

„Dass die am Schwingrohr des Coriolis-Durchflussmessers aufgenommene Phasenverschiebung direkt der Masse proportional ist, ist unbestreitbar ein riesiger Vorteil dieses Messprinzips“, gibt Ingrid Panicke freimütig zu: „Es wäre ja geradezu vermessen, die Vorteile von Coriolis leugnen zu wollen.“ Ebenso freimütig sprechen aber auch die Anbieter von Coriolis-Massedurchflussmessern über die Grenzen ihrer Technik: Aggressive und abrasive Medien führen schnell zu vorzeitigem Verschleiß und bedeuten daher unbefriedigende Standzeiten, bei größeren Nennweiten steigen die Kosten für die Geräte.

Volumen mal Dichte gleich Masse

Ingrid Panicke weiß noch weitere Gründe, warum Anlagenbetreiber gerne auf die eingriffsfreie Clamp-On-Ultraschalltechnik zurückgreifen: „Führt das im Rohr fließende Medium Festkörper mit sich, möchte man Rohrverengungen und Störkörper, an denen sich Ablagerungen bilden können, möglichst vermeiden“, erklärt sie: „Auch ist es mitunter nicht ganz einfach, einen Coriolis-Messer in eine Rohrleitung mit Begleitheizung zu integrieren. Insbesondere bei größeren Nennweiten ist dieser dann schwer zu beheizen.“

Der Umstand, dass der Ultraschalldurchflussmesser den Volumendurchfluss ermittelt, relativiert sich meist recht schnell. Volumen und Masse eines Stoffes sind bekanntlich über die Dichte miteinander verknüpft. „Viele Prozesse werden praktisch unter stets gleichbleibenden Bedingungen geführt, sodass man ruhigen Gewissens die Dichte als Konstante in den Messumformer eingeben und statt des Volumen- den Massedurchfluss ausgeben lassen kann“, berichtet Ingrid Panicke.

Kaum umständlicher ist die eingriffsfreie Massedurchflussmessung, wenn sich die Temperatur ändert. Dann muss diese lediglich an der Messstelle aufgenommen und in den Temperatureingang des Ultraschallsystems eingespeist werden. Die Dichtefunktionen der gebräuchlichsten Stoffe sind bereits in der Mediendatenbank der Ultraschalldurchflussmesser Fluxus von Flexim hinterlegt, weitere können eingespielt werden. Komplexer ist freilich die Angelegenheit, wenn in einem Gemisch auch die Stoffzusammensetzung bzw. die Konzentration variiert. Dann kommen die Prozessanalysesysteme Piox zum Einsatz.

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Multivariable Messung

„Zu den bekannten Vorteilen der Coriolis-Messer zählt, dass man mit ein und demselben Gerät gleichzeitig Massedurchfluss und Dichte messen kann“, konstatiert Frank Gerstmann: „Bei uns gehört das leider noch immer zu den eher unbekannten Vorteilen.“ Gerstmann ist bei Flexim als Produktmanager nicht nur Ingrid Panickes Pendant auf dem Gebiet der Prozessanalysentechnik, er teilt auch das Büro mit seiner Kollegin: „So müssen wir jedenfalls nicht langwierig Konferenzen anberaumen, um mögliche Synergien unserer Produktbereiche auszuloten.“

Ein glückliches Ergebnis des kurzen Dienstwegs ist das Ultraschallmesssystem Piox S Massflow. Ganz genauso wie die Ultraschalldurchflussmesser Fluxus arbeiten auch die Prozessanalysesysteme Piox S mit der Clamp-On-Ultraschalltechnik. Misst Fluxus die Differenz der Laufzeiten von Ultraschallsignalen in und gegen die Strömungsrichtung von in Rohren fließenden Stoffen, so misst Piox S zusätzlich die Laufzeiten über den durch die Messstellengeometrie exakt definierten Weg und bestimmt daraus die Schallgeschwindigkeit im Medium. Diese hängt von der Dichte und der Temperatur ab und ist eine stoffspezifische Größe.

Das neue Ultraschallmesssystem Piox S Massflow ist gewissermaßen die Kombination aus Fluxus und Piox S. Es misst beides, die Laufzeitdifferenz ebenso wie die Laufzeiten selbst. Zudem wird die Temperatur aufgenommen. Zeigt die Beziehung zwischen Schallgeschwindigkeit und Dichte bei dem zu messenden Stoff im zu beobachtenden Dichtebereich einen hinreichenden Messeffekt, kann problemlos auch bei variierender Dichte der Massefluss eingriffsfrei gemessen werden.

Standardanwendungsfall Säuren

„Klingt komplizierter, als es ist“, meint Dr. Jörg Wylamrzy. Als Vertriebsdirektor kümmert er sich um die weltweite Vermarktung der Prozessanalytiksysteme von Flexim: „Es haben sich schon einige Standardanwendungen herauskristallisiert, insbesondere natürlich zur simultanen Konzentrations- und Massedurchflussmessung besonders aggressiver Stoffe wie Säuren.“

So setzt der norwegische Düngemittelkonzern Yara die eingriffsfreie Messtechnik von Flexim auf seinen Abfüllstationen für Salpetersäure ein. Salpetersäure wird in verschiedenen Konzentrationen gehandelt. Gebräuchlich sind vor allem 68- und 60-prozentige Salpetersäure. Die niedrigere Konzentration wird einfach durch Verdünnung mit Wasser erreicht. Der Verdünnungsvorgang verläuft exotherm.

Sowohl die mechanische Beanspruchung durch die diskontinuierlichen Abfüllvorgänge als auch der thermische Stress durch die schnellen Temperaturwechsel setzte den zuvor an den Tankanlagen installierten Coriolis-Messern arg zu, sodass sie keine befriedigenden Standzeiten erreichten. Aufgrund der positiven Erfahrungen mit der eingriffsfreien Ultraschallmesstechnik werden bei Yara jetzt nicht nur weltweit die Abfüllstationen für Salpetersäure mit Piox S Massflow instrumentiert, darüber hinaus kommen die Clamp-On-Ultraschalldurchflussmesser mehr und mehr auch in der Produktion selbst zum Einsatz, wo sie an großen Nennweiten erst recht ihre Vorteile ausspielen können.

Ein weiterer Standardanwendungsfall für Piox S Massflow ist die Messung hochkonzentrierter Schwefelsäure. Wylamrzy kommt gerade aus den USA zurück, wo er in Riverside in Florida an der Umrüstung der Schwefelsäureanlagen des Weltmarktführers für Phosphatdünger, Mosaic, auf eingriffsfreie Ultraschallmesstechnik mitgewirkt hat. Entsprechend gelassen ist er angesichts der gegenwärtigen Coriolis-Euphorie: „Natürlich geht der Trend hin zu immer besseren und damit auch genaueren Messungen“, konstatiert Wylamrzy, betont allerdings auch: „Gleichzeitig geht ein Dauertrend hin zu maximaler Betriebssicherheit und Anlagenverfügbarkeit. Und hierfür bieten wir mit Fluxus und Piox überzeugende Lösungen.“

* Der Autor ist Mitarbeiter bei Flexim Flexible Industriemesstechnik GmbH, Berlin.

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