Durchflussmessungen mit Vortex Wirbelzähler haben sich in verfahrenstechnischen Anlagen seit Jahren bewährt, schließlich bietet das Messprinzip für einen breiten Anwendungsbereich handfeste Vorteile. Allerdings sind prinzipbedingt auch einige Einschränkungen in der Nutzung gegeben die in vielen Einsatzfällen Kompromisse erfordern. Besonders die Auswahl der richtigen Nennweite unter Berücksichtigung der messtechnischen Anforderungen und der gegebenen Einbausituation in der Prozessanlage ist für Planer und Anwender nicht immer einfach.
Emerson Process Management bietet mit dem Rosemount 8800C und 8800CR, einem Gerät mit integrierter Nennweitenreduzierung, eine Neuerung die eine deutliche Vereinfachung für Planer und Anwender beim Einsatz von Vortex Wirbelzählern bietet.
Erhöhter Nutzen für Anwender und Planer
Das Messprinzip der Karmanschen Wirbelstraße in Vortex Wirbelzählern hat in den letzten 10 Jahren verstärkt Zustimmung gefunden. Im direkten Vergleich zu anderen volumetrischen Messprinzipien sind allgemein sicherlich folgende Vorteile zu nennen:
geringere Installationskosten im Vergleich zu anderen Messprinzipien
relativ hohe Messdynamik und Genauigkeit
weniger Bauteile, damit weniger Schwachstellen in der Gesamtinstallation
hohe Zuverlässigkeit und geringer Wartungsaufwand
Den Vorteilen stehen aber auch einige Einschränkungen gegenüber. Diese Einschränkungen können physikalische oder auch konstruktive Hintergründe haben. Die physikalischen Grenzen des Messprinzips lassen sich nicht ändern und ergeben sich aus den strömungstechnischen Anforderungen in der Messung.
Eine wichtige Kenngröße ist hier die Reynoldszahl. Diese dimensionslose Zahl beschreibt, einfach ausgedrückt, das Fließprofil des Mediums und berücksichtigt dabei neben der Dichte und Viskosität des Mediums auch die auch die Durchflussmenge und den Durchmesser der Rohrleitung.
Prinzipiell wird der Kalibrierfaktor (K-Faktor) der Wirbelzähler als konstant angenommen, in Wirklichkeit jedoch ändert er sich mit der Reynoldszahl. Betrachtet man diese Zusammenhänge genauer, stellt man aber auch fest dass der K-Faktor über einen recht großen Bereich, auch bei veränderlicher Reynoldszahl, gleich bleibt. Da sich mit der Durchflussmenge auch die Reynoldszahl ändert, kann also nur dieser lineare Arbeitsbereich für eine zuverlässige Messung genutzt werden.
Hinsichtlich der Fließprofilabhängigkeit wird dieser Arbeitsbereich in der Praxis über die Reynoldszahl (Re) definiert:
Re min. 10.000 für Nennweiten bis 100 mm
Re min. 20.000 für Nennweiten ab 150 mm
In diesen Bereichen sind die Zusammenhänge zwischen Fließgeschwindigkeit (= Anzahl der Wirbelablösungen), K-Faktor und der daraus resultierende Volumenstrom linear. Diese physikalischen Begebenheiten können nicht verändert werden.
Störungen im Fließprofil, und damit auch Fehlmessungen, können auch durch andere Aspekte entstehen wie z.B. durch Rohrbögen, vorgeschaltete Ventile oder auch einen Nennweitenversatz zwischen Rohrleitung und Zählergehäuse des Wirbelzählers. Diese Aspekte können jedoch durch konstruktive Verbesserungen am Gerät und beim Einbau der Geräte in die Prozessanlage adressiert werden.
Werden Anwender zu ihren praktischen Erfahrungen mit Vortex Wirbelzählern gefragt, tauchen neben vielen positiven Aspekten auch immer wieder Punkte auf die in der praktischen Anwendung zu Problemen geführt haben.
Ausreichende Ein- und Auslaufstrecken waren praktisch in der Anlage nicht zu realisieren
Vibrationen in der Anlage führten zu falschen Messwerten
Geräteausfall durch verschmutzte oder verstopfte Sensoren
Veränderte Prozessdaten können eine andere Nennweite der Wirbelzählers ergeben
Teilweise erhöhter Installationsaufwand da die Rohrleitung dem Gerät angepasst werden muss
Gefährdung durch Undichtigkeiten zum Sensor bzw. zur elektromechanischen Signalerfassung
Diese Punkte sind konstruktiv bedingt und können nicht nur auf das Gerät bezogen werden, sondern müssen auch im Zusammenhang mit den Einbaubedingungen in den Prozessanlagen betrachtet werden.
Viele Geräte arbeiten im praktischen Einsatz leider mit nur eingeschränkter Messdynamik weil sie zu groß ausgelegt wurden. Auch zusätzliche Fehler durch verkürzte Ein- und Auslaufstrecken müssen akzeptiert werden, weil die Einbaubedingungen in den Prozessanlagen teilweise keine genügend großen Strecken ermöglichen. Im Alltag werden also einige Kompromisse eingegangen. Doch das muss nicht sein!
Nachfolgend werden nun Lösungen aufgezeigt, die sich an den praktischen Begebenheiten orientieren und somit für den Anwender und den Planer einen deutlichen Nutzen darstellen.
Konstruktive Besonderheiten des Rosemount Wirbelzählers 8800C
Der Wirbelzähler von Rosemount, einem Unternehmen der Emerson Process Management, Typ 8800C, hat seit seiner Markeinführung 1994 schon viele Kunden aufgrund seiner konstruktiven Besonderheiten überzeugt. Bei der Entwicklung wurden die praktischen Erfahrungen der Anwender berücksichtigt und inzwischen wird im wahrsten Sinne des Wortes ein Gerät "aus einem Guss" geliefert.
Das Zählergehäuse des 8800C ist komplett mit Störkörper und mechanischer Impulsübertragung aus einem Guss gefertigt. Der Piezo - Sensor ist außerhalb des Prozesses angeordnet. Die mechanische Übertragung der Impulse ist "Massen-symetrisch" konstruiert, d.h. die Masse die durch die wechselseitigen Druckimpulse bewegt wird, ist gleich der Masse die diese Impulse an den Piezo überträgt. Allein dadurch ergeben sich handfeste Vorteile:
hohe Unempfindlichkeit gegen Vibrationen durch massensymetrische Konstruktion und adaptive digitale Signalauswertung
problemloser und einfacher Sensortausch ohne das Gerät aus der Rohrleitung ausbauen zu müssen
hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit der Messung werden durch die Vollgusskonstruktion gewährleistet
hohe Unempfindlichkeit gegen Verschmutzungen, da sich der Sensor außerhalb des Messmediums befindet und keine Spalten oder Impulskanäle vorhanden sind
Neben dieser am Markt einzigartigen Konstruktion bietet der Typ 8800C auch in der Signalauswertung neueste Technologie. Die Signalverarbeitung über adaptive digitale Filter erhöht die Zuverlässigkeit und die Stabilität der Messung.
Auch die Handhabung bzw. Einstellung der Geräte ist sehr einfach. Die Elektronik errechnet bei Eingabe der Prozessparameter die zu erwartenden Signalstärken und Wirbelfrequenzen und stellt die digitalen Filter automatisch ein. Mit diesem hinterlegten Parametern lassen sich 95% aller Anwendungen ohne weitere Anpassungen erledigen. Nur selten muss manuell in die Filtereinstellungen eingegriffen werden.
Weiterhin stehen dem Anwender innerhalb der "advanced diagnostics" hilfreiche Informationen zur Geräte- und Prozessdiagnose zur Verfügung. So kann z.B "On-Line" die momentane Signalstärke der Wirbelablösung ausgelesen werden und somit eine eindeutige Aussage über die Stabilität und Zuverlässigkeit der Messung am momentanen Betriebspunkt getroffen werden!
Verkürzte Ein- und Auslaufstrecken ohne Kompromisse in der Messgenauigkeit
Mit den besonderen konstruktives Eigenschaften des 8800C lassen sich also einige Einschränkungen und Probleme in der praktischen Anwendung lösen oder vermeiden. Aber auch hinsichtlich der Einbindung der Geräte in Prozessanlagen bietet das Gerät mehr Nutzen als bisher üblich.
Um kürzere Einlaufstrecken zu erreichen würden normalerweise Strömungsgleichrichter eingesetzt. Diese Lösung hat jedoch auch Nachteile wie z.B. einen erhöhten Druckverlust an der Messstelle und stellt zusätzlich eine weitere Schwachstelle hinsichtlich Verschmutzungen dar.
Rosemount bietet hier mit dem 8800C eine einfachere Lösung in der eine rechnerische Kompensation der Einflüsse durch verkürzte Ein- und Auslaufstrecken im Gerät vorgenommen wird.
Dadurch kann z.B. eine Verkürzung der Einlaufstrecke auf 10 D erreicht werden, ohne dass der Anwender dadurch einen zusätzlichen Messfehler hinnehmen muss!
Rosemount hat in einer Vielfalt von Simulationen auf Prüfständen verschiedene Einbausituationen mit verkürzten Einlaufstrecken nachgestellt und dabei den Einfluss auf die Messabweichung ermittelt. Um diese zu korrigieren ist eine Anpassung des Kalibrierfaktors (K-Faktor) erforderlich. Wie sich dieser über die Einbausituation ändert zeigen die folgenden Abbildungen.
Integrierte Nennweitenreduzierung im Rosemount 8800CR
Eine weitere Innovation von Rosemount wird nun mit dem Typ 8800CR vorgestellt. Bei dieser Baureihe wird die anfangs bereits diskutierte Problematik der richtigen Nennweitenauswahl adressiert.
Wie zuvor ausgeführt, sind über 60% aller Wirbelzähler hinsichtlich der Messfunktion nicht optimal ausgelegt. Viele Geräte sind zu groß dimensioniert sind und arbeiten daher mit nur eingeschränkter Messdynamik. Orientiert man sich nur an der Dimension der Rohrleitung, kann der Wirbelzähler in der Regel die gewünschte Messdynamik nicht realisieren. Geht man von der optimalen Messdynamik aus, müssen Reduzierungen in der Rohrleitung eingebaut werden. Es muss also ein Kompromiss gefunden werden der Druckverlust, Messfunktion und Installationsaufwand berücksichtigt. Selbst wenn sich hier ein guter Kompromiss finden lässt, so bleiben bei allen Zugeständnissen doch einige Nachteile:
erhöhter Planungsaufwand
erhöhter Installationsaufwand
erhöhter Kostenaufwand
erhöhte Anzahl von Leckagestellen durch zusätzliche Flanschverbindungen
Bei der Planung einer Neuanlage lassen sich diese Aspekte sicherlich leichter berücksichtigen und der erhöhte Aufwand etwas relativieren. Allerdings wird bei der Projektbearbeitung auch schon sehr früh mit der Rohrleitungsplanung begonnen und idealerweise sind die Nennweiten der Inline - Geräte dabei bereits spezifiziert. Oftmals sind in diesem Stadium der Planung aber noch Änderungen der Verfahrensdaten möglich. Das hat in vielen Fällen sicherlich schon dazu geführt, dass die Planungen der Rohrleitungen überarbeitet werden mussten, was natürlich Mehraufwand bedeutet.
Bei der Lösung von Rosemount wird diesen alltäglichen Problemen begegnet, indem beim Typ 8800CR eine Nennweitenreduzierung im Gerät integriert ist. Praktisch werden dabei in jeder Nennweite zwei Geräte mit identischen Einbauabmessungen angeboten, wobei der Typ 8800CR dann ein um eine Nennweite kleineres Zählergehäuse hat. So kann z.B. bei einem Vortex Wirbelzähler in der Nennweite DN100 zwischen zwei Ausführungen gewählt werden:
8800C040 mit Messbereichen von 6,9 bis 225 m3/hr (hier bezogen auf Wasser) 8800CR040 mit Messbereichen von 4,0 bis 130 m3/hr (hier bezogen auf Wasser)
In diesem Fall, also bei einem Gerät mit DN100 Flanschen und DN80 Zählergehäuse, ist der Druckverlust zwar 15% höher als bei einem vergleichbaren regulären DN80 Gerät, allerdings hätte eine herkömmliche Reduzierung in der Rohrleitung natürlich auch einen höheren Druckverlust an der Messstelle zur Folge. Diese Lösung von Rosemount ist nicht nur simpel, sondern bietet auch handfeste Vorteile!
In der Planung kann sich schon früh auf eine Nennweite festgelegt werden. Geänderte Verfahrensdaten können dann durch geeignete Auswahl des Wirbelzählers berücksichtigt werden. Dadurch reduzierten sich Risiko und Aufwand bei der Planung und Geräteauslegung.
Auch später ist ein einfacher Austausch der Geräte möglich, falls eine Veränderung des messbaren Bereiches erforderlich sein sollte.
geringere Installationskosten da keine Reduzierung der Rohrleitung
geringeres Risiko da keine zusätzlichen Leckagestellen entstehen
Interessanterweise passt sich also hier das Messgerät der Anlage an, und nicht umgekehrt. Eigentlich ein logischer Ansatz, der sich mit dem 8800C einfach realisieren lässt.
Zur Zeit bietet Rosemount für alle Nennweiten in Flanschbauform zwischen DN25 und DN300 neben den normalen Geräten auch eine Version mit integrierter Nennweitenreduzierung an.
Lösungen von Emerson Process Management:
Unter dem Motto "Consider it solved" stellen sich alle Gesellschaften der Emerson Gruppe dem Anspruch Lösungen zu entwickeln die den Nutzen unserer Produkte und Dienstleistungen für unsere Kunden weiter steigern. Auch der Vortex Wirbelzähler 8800C kann diesem Anspruch gerecht werden da seine besonderen Merkmale für viele praktischen Probleme eine Lösung bieten.
hohe Sicherheit durch Vollguss-Konstruktion
verkürzte Ein-/Auslaufstrecken durch rechnerischen Kompensation
einfache Inbetriebnauhme durch digitale Signalverarbeitung und adaptive Filter
unempfindlich bei Vibrationen durch massensymetrische Signalerfassung
unempfindlich gegen Verschmutzungen da keine Spalten oder Impulskanäle
einfacher Sensoraustausch durch externen Piezo
Durch die Erweiterung der Baureihe mit dem neuen 8800CR mit integrierter Nennweitenreduzierung bietet Emerson eine weitere Innovation die die Einbindung in die Prozessanlage erleichtert und die Einsatzmöglichkeiten erweitert...... "Consider it solved"!
Emerson Prozess Management (www.emersonprocess.de), eine Geschäftseinheit des Emerson Konzerns, ist ein weltweit führender Anbieter für Lösungen in der Prozessautomatisierung für die Industriebereiche Chemie, Öl&Gas, Raffinerie, Papier, Energie, Nahrungsmittel&Getränke sowie der Pharmaproduktion.
