Wirbeldurchflussmesser

Wirbeldurchflussmesser — Funktionsprinzip

Wirbeldurchflussmesser verwenden das Prinzip der Kármánschen Wirbelstraße, um die Durchflussrate einer Flüssigkeit oder eines Gases zu messen.

Was ist die Kármánsche Wirbelstraße?

Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte der ungarisch-amerikanischer Mathematiker und Physiker Theodore von Kármán, dass eine Flüssigkeit oder ein Gas, die an einem Wirbelkörper senkrecht vorbeiströmt, abwechselnd ein Muster aus sich wiederholenden Wirbeln auf beiden Seiten des Körpers erzeugt.  Der Pfad dieser Wirbel wird als Kármánsche Wirbelstraße bezeichnet.

Von Kármán fand heraus, dass, bei Messung der Frequenz dieser Wirbel, sich die Frequenz proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit verhält, welche die Wirbel erzeugt. Diese Frequenz wird als Wirbelfrequenz bezeichnet. Die Beziehung zwischen Frequenz und Strömungsgeschwindigkeit kann mathematisch anhand der folgenden Formel ausgedrückt werden:

Wir können hier erkennen, dass die Frequenz proportional zur Geschwindigkeit ist. Wenn wir die Frequenz (f) messen können, die Strouhal-Zahl (St) wissen und die Abmessung des umströmten Körpers, in diesem Falle die Breite des Abgabestabs, (d) kennen, können wir die Gleichung nach v (der Geschwindigkeit) auflösen.

Wie messen wir die Frequenz der Wirbel?

Wenn sich Wirbel bilden und vorbei am Staukörper (den umströmten Körper) ziehen, erzeugen sie im Vergleich zum Rest der Flüssigkeit einen niedrigen Druck. Dieser niedrige Druck erzeugt einen Differenzdruck (dp) über dem Staukörper. Die Hochdruckseite des dp übt eine Kraft auf den Abgabestab in Richtung des niedrigen Drucks aus. Da sich die Position der Niederdruckseite aufgrund der Bewegung der Wirbel wechselt, die stets von einer Seite zur anderen verlaufen, bewirkt die Richtungsänderung der ausgeübten Kraft, dass der Abgabestab in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingung entspricht der Wirbelfrequenz. 

Es gibt verschiedene Methoden am Markt, um diese Schwingung zu messen. Membranen oder Kapazitätssensoren sind zwei der häufigsten eingesetzten Varianten. Die beste Methode ist jedoch die Verwendung von piezoelektrischen Quarzkristallsensoren. Diese Sensoren erzeugen im komprimierten Zustand ein elektrisches Signal, das an die Elektronik des Durchflussmessers übermittelt werden kann. Nun da die Wirbelfrequenz gemessen wurde (und wenn wir St und d kennen), kann die Elektronik des Durchflussmessers einfache Berechnungen ausführen, um den Volumenstrom durch das Rohr zu bestimmen.

Welche Vorteile bietet die Verwendung von Wirbeldurchflussmessern?

• Hohe Genauigkeit

Die Genauigkeit des Wirbeldurchflussmessers beträgt ±1 % (Impulsausgabe) des angezeigten Wertes für Flüssigkeiten und Gase und liegt damit höher als bei Durchflussaufnehmern mit Messblende. Für Flüssigkeiten eine Genauigkeit von ±0,75 % je nach Art der Flüssigkeit und dessen Zustand möglich.

• Breites Messverhältnis

Das Messverhältnis ist definiert als das Verhältnis von Maximalwert zu Minimalwert des Messbereichs. Es ist das breite Messverhältnis, welches den Einsatz von Wirbeldurchflussmessern in Prozessen ermöglicht, bei denen der Messpunkt stark schwanken kann.

• Ausgabe proportional zur Durchflussrate

Da die Ausgabe direkt proportional zur Durchflussrate (Strömungsgeschwindigkeit) ist, ist keine Quadratwurzelberechnung erforderlich, während Durchflussaufnehmer mit Messblende eine Quadratwurzelberechnung erfordern.

• Keine Nullpunktschwankung

Da die Frequenz vom Sensor ausgegeben wird, kann keine Nullpunktverschiebung auftreten.

• Minimaler Druckverlust

Da nur der Staukörper im Rohr des Wirbeldurchflussmessers angeordnet ist, ist der Druckverlust der Flüssigkeit aufgrund der geringen Einschränkung im durchströmten Rohr im Vergleich zu einem Durchflussaufnehmer mit Messblende gering.