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HomeMy WebLinkAboutAD_KROHNE_Reader_de_Fundamentals EMF_031101_7023381200_R00 KROHNE ©KROHNE 11/2003 7.02338.12.00 Grundlagen Magnetisch- Induktive Durchflussmessung 3.Auflage von Dipl.-Ing.Friedrich Hofmann KROHNE Messtechnik GmbH&Co.KG Duisburg,2003 i I \` E� J Friedrich Hofmann Grundlagen Magnetisch- Induktive Durchflussmessung 1 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Magnetisch-induktive Durchflussgerate(MID) 6 Prinzip und Theorie,kurzgefasst: 6 Prinzip 6 Theorie des MID 7 2 Aufbau magnetisch-induktiver Durchflussgerate(MID) fur geschlossene,vollstandig gefullte Rohrleitungen 10 Der Messwertaufnehmer 10 Der Messumformer 13 3 Eigenschaften des MID fur vollstandig gefullte Rohrleitungen 17 Vorteile 17 Einsatzgrenzen fur MID 21 MID fur vollstandig gefullte Rohrleitungen, Einsatzbereiche,Einsatzbedingungen 21 4 Technische Ausfuhrungen 25 Signal-Erzeugung und-Verarbeitung 25 Zwei-und Mehrleiter-MID 29 MID-Bauformen 33 Getrennte und kompakte Ausfuhrung 36 5 Gerateauswahl,Planung,Projektierung,Einbau 39 Gerate-Auswahl bei MID fur vollstandig gefullte Rohrleitungen 39 Auswahl der medienberuhrenden Materialien 40 Auswahl der Bauform 44 Auswahl Installationsort Messumformer (Elektronikeinheit) 48 Erdung des MID 49 Einbau 51 6 Spezielle Ausfuhrungen fur spezielle Einsatzbereiche 52 MID fur teilgefullte Rohrleitungen 52 Schnelle volumetrische Abfullung mit MID 54 Magnetisch-induktive Durchfluss-Kontrollgerate 56 4 MID 1 Inhaltsverzeichnis Seite 7 Einsatzbereiche mit besonderen Anforderungen 58 Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen: 58 Eichpflichtiger Verkehr 58 Messung pulsierenden Durchflusses 58 Einsatz in Bereichen mit starken Magnetfeldern 59 8 Wartung and Prufung von MID 59 Wartungsfrei? Im Prinzip ja! 59 Genauigkeits-Prufung durch Kalibrierung auf einem akkreditierten Prilfstand 61 Prufung and Dokumentation mit intelligenten Priifgeraten 61 9 Bewahrte MID-Technik 63 10 Notwendige Angaben fur Lieferanten 66 Messstoff 66 Betriebsbedingungen 66 Geratetyp Messwertaufnehmer/ Messumformer 66 Hinweise auf besondere Betriebsbedingungen: 67 Einstelldaten,z.B: 67 Zusatzliche Anforderungen 67 Normen/ Standards fur magnetisch-induktive Durchflussgerate bzw.deren Prufung 67 11 Literaturverzeichnis 68 12 Abbildungen 70 MID 5 1 Magnetisch-induktive Durchflussgerate (MID) Dipl.-Ing.Friedrich Hofmann,D-47058 Duisburg Prinzip and Theorie,kurzgefasst: Prinzip Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines magnetisch induktiven Durchflussgerates(MID)fur vollstandig gefullte Rohr- leitungen. Prinzip des magnetisch induktiven Durchflussgerates (MID) `J U B D u Der MID besteht aus einem nicht-ferromagnetischen Messrohr mit innen elektrisch isolierender Oberflache,diametral auf dem Rohr montierten Magnetspulen and Elektroden,die durch die Rohnaand hindurch mit dem Messstoff in Kontakt stehen. Die stromdurchflossenen Feldspulen erzeugen ein Magnetfeld mit der Induktion B senkrecht zur Rohrlangsachse. 6 MID 1 Dieses Magnetfeld durchdringt das Messrohr and den darin fliegenden Messstoff,der elektrisch leitfahig sein muss. Entsprechend dem Induktionsgesetz wird im Messstoff eine Spannung UI induziert,die der mittleren Flieggeschwindigkeit v des Messstoffes,der Induktion B and dem Rohr-Innendurchmesser D proportional ist.Es gilt vereinfacht: UI=k• B • D•v Diese Signalspannung UI wird durch Elektroden abgegriffen,die mit dem Messstoff in Kontakt stehen and isoliert durch die Rohrwand durchgefuhrt werden.Mit q=v•7L• D2/4 wird die Signalspannung UI von einem Messumformer in eine Durchfluss-Anzeige qI 9t • D qI=UI .4• k• B umgerechnet and fOr die Prozessf0hrung geeignete Standard- Signale umgesetzt. Theorie des MID Faraday[1]fand 1832 das Induktionsgesetz.Dieses Gesetz beschreibt die Spannung Ui,die in einem elektrischen Ieitfahigen Korper bei Bewegung durch ein Magnetfeld induziert wird: UI =(v x B) • L mit UI =induzierte Spannung(Vektor) B=Induktion(Vektor) L=Lange des durch ein Magnetfeld bewegten Leiters and v=dessen Geschwindigkeit(Vektor) Faraday versuchte schon 1832,die Stromungsgeschwindigkeit der Themse durch Messung der Spannung zu bestimmen,die vom Erdmagnetfeld im stromenden Wasser induziert wird. MID 7 1 ThUrlemann [2],Shercliff[3] untersuchten die Eigenschaften mag- netisch incluktiver Durchflussgerate.Fur ein theoretisches Modell mit langem homogenem Magnetfeld and punktf6rmigen Elektroden wurde festgestellt,class die Messspannung unabhangig vom Stromungs- profil im Messrohr ist,solange clas Stromungsprofil radialsymme- trisch ist. Nur unter diesen Annahmen ergibt sich die durchflussproportionale Signalspannung Uj zu: Ui=k• B • D•v mit Ul = incluzierte durchflussproportionale Signalspannung k = climensionslose Konstante B = Induktion D = Elektrodenabstand (Messrohr-Innendurchmesser) v = mittlere Geschwindigkeit des Messstoffes Shercliff erkannte,class der Beitrag der einzelnen Stromungsfaden im Messrohr zur Gesamt-Signalspannung abhangig vom Ort im Messrohr gewichtet wird,and entwickelte den Begriff des Wertig- keitsvektors.Ausgehend von den Maxwellschen Gleichungen zeigte er,class fOr die Elektroden-Signalspannung U gilt: Ui = f (W x B) v dx dy dz X,Y,Z (Raum-Integral Ober den vom Magnetfeld clurchsetzten Bereich des Messrohres). Der Wertigkeitsvektor W bestimmt den Beitrag einzelner Stromungs- faclen zur Signalspannung abhangig von der ortlichen Lage des Str6mungsfaclens im Messrohr.Die Abbildung zeigt die Komponente des Wertigkeitsvektors in Richtung der Elektrodenachse. 8 MID 1 Wertigkeitsfunktion des MID-Modells nach Shercliff / — 3,75-4,00 3,50-3,75 ■3,25-3,50 N 3,00-3,25 ■2,75-3,00 2,50-2,75 2,25-2,50 7 2,00-2,25 1,75-2,00 1,50-1,75 ■1,25-1,50 ■1,00-1,25 0,75-1,00 0,50-0.75 Elektroden Is 0,25-0,50 Die deutlich erkennbare h6here Empfindlichkeit in Elektroden-Nahe Komponente des ergibt sich aus bestimmten Annahmen fOr dieses theoretische Wertigkeitsvektors w Modell.Untersuchungen inhomogener Magnetfeldformen mit dem in Richtung der Ziel der Reduzierung des Einflusses asymmetrischer Str6mungs- Elektrodenachse profile auf die Messgenauigkeit des MID finden sich z.B.in [4],[6], (Shercliff) [8],[11].Einen detaillierten Uberblick Ober die Theorie des magne- tisch-induktiven Durchflussmessers and praktische Ausfuhrungsformen gibt[5]. MID 9 2 Aufbau magnetisch-induktiver Durch- flussgerate (MID) fur geschlossene, vollstandig geflullte Rohrleitungen Der Messwertaufnehmer Messrohr des MID Das Magnetfeld muss den Messstoff durch die Rohrwand hindurch durchsetzen.Daher dart das Messrohr nicht ferromagnetisch sein. Blick in das Messrohr eines MID (Beispiel:Messrohr mit Teflon®-PFA- Auskleidung and Hastelloy-Elektroden) Die im Messstoff induzierte Signalspannung dart nicht durch elek- trisch leitfahige Rohnaande kurzgeschlossen werden.Die Messrohre werden daher aus einem elektrisch isolierenden Rohrmaterial wie Keramik oder Kunststoff hergestellt oder aus einem Metallrohr,z.B. nicht ferromagnetischem Edelstahl,dessen Innenwand mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung oder Beschichtung versehen ist. 10 MID s Die Rohrinnenwand ist medienber6hrt,das Material muss gegen- uber dem jeweiligen Messstoff korrosionsbestandig sein. Eine Obersicht fiber Anwendungseigenschaften verschiedener Messrohrmaterialien zeigt die Tabelle auf Seite 41. Elektroden,Signalabgriffe Die Elektroden stehen direkt in Kontakt mit dem Messstoff. Ihr Material muss ausreichend korrosionsbestandig sein and einen guten elektrischen Ubergang zum Messstoff gewahrleisten. Die gebrauchlichsten Elektrodenmaterialien sind Edelstahle, CrNi-Legierungen,daneben Platin,Tantal,Titan,Zirkonium. Bei Messwertaufnehmern mit Keramik-Messrohren auch eingesin- terte„CERMEF-Elektroden(Mischung aus CERamics and METall). Die Auswahl des richtigen Materials(nicht nur chemisch bestandig, sondern auch mit gutem elektrischen Ubergang zum Messstoff) kann entscheidend fur eine gute Funktion des MID sein. MID 11 s Elektrodenlose MID mit kapazitivem Signalabgriff Fur Messstoffe mit extrem niedriger elektrischer Leitfahigkeit and fur Medien,die isolierende Ablagerungen auf der Rohrwand bilden and damit den Kontakt zwischen Messstoff and Elektrode unter- brechen,gibt es MID mit beruhrungslosem kapazitivem Signalabgriff [101,[ 131. Hier sind die Elektroden als gro6fl6chige Kondensatorplatten auf der Augenseite der Auskleidung oder des nicht leitenden Messrohres angebracht.Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung eines MID mit kapazitivem Signalabgriff,bei deco die Signalabgriffe unter Nutzung von Methoden der Mikrosystemtechnik starr and piezo- effektfrei auf die Aluminiumoxid-Messrohre aufgesintert sind. MID CAPAFLUX mit kapazitivem Signal- abgriff and A1203-Keramik- Messrohr �p0 12 MID 2 Diese gro9fl6chigen beruhrungslosen Signalabgriffe bieten eine Reihe Vorteile gegenuber klassischen medienberuhrenden Elektroden: • Mindestleitfahigkeit des Messstoffes nur 0,05 pS/cm Empfehlung jedoch: Unterhalb 0,3 pS/cm Vorabklarung mit dem MID-Hersteller! • Kein Ausfall der Messung bei isolierenden Ablagerungen auf der Messrohr-Innenwand • Keine Notwendigkeit mehr,das Elektrodenmaterial abhangig vom Messstoff auszuwahlen • Ruhigere Anzeige auch bei inhomogenen Medien(z.B.mit hohen Feststoffanteilen oder hinter Mischstellen) Konstruktionsbedingt weisen einzelne Bauformen solcher MID mit beruhrungslosem Signalabgriff Grenzen bei der Vibrationsfestigkeit auf.Herstellerspezifikationen genau beachten,im Zweifelsfall nach- fragen! Feldspulen Diametral auf dem Rohr senkrecht zur Elektroden-Achse angebrach- te Feldspulen,die im Regelfall durch den Messumformer mit ein- gepragtem Strom gespeist werden,erzeugen das Magnetfeld.Die Feldform(raumliche Verteilung der Induktion im Messrohr)beein- flusst Linearitat and Str6mungsprofilabh6ngigkeit der Anzeige des MID.Die Feldspulen liegen geschutzt im Gehause des MID. Der Messumformer Die Signalspannung,deren Gr6ge durchflussabhangig pV bis mV betragt,wird einem Messumformer zugefuhrt,dessen Aufgabe ist vor allem die Umwandlung der induzierten Signalspannung U in ein elektrisches Standardsignal. MID 13 s Dazu gehoren: • Ruckwirkungsfreie Verstarkung der Signalspannung. Der Eingangsverstarker des Messumformers muss sehr hoch- ohmig sein,damit der Innenwiderstand des Elektrodenkreises keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit hat. • Wandlung der verstarkten Signalspannung in Digitalwerte • Filterung der Signalspannung,Befreiung von uberlagerten Stor- spannungen,die um Zehnerpotenzen grofier sein konnen als die durchflussproportionale Signalspannung.Dazu werden zum Teil komplexe digitale Signalverarbeitungs Techniken eingesetzt. • Skalierung entsprechend den eingegebenen Betriebsparametern (Messbereichsendwert,Nennweite des Messwertaufnehmers, Spanne des mA-Ausganges usw.) • Wandlung der skalierten Digitalwerte in geeignete Standard- signale fur die Prozessfuhrung Q.B.4..20mA,in Volumenein- heiten skalierte Impulse zur Mengenzahlung oder auch fiber Rechnerschnittstellen direkt zu Prozessleitsystemen Obertragbare Digitalwerte) • Ausgabe dieser Werte • Anzeige des Durchflusses,Mengenzahlung auf der ortlichen Anzeige • Bei MID mit geschaltetem Gleichfeld hat der Messumformer auch die Funktion eines Speisegerates,das Strom zur Erzeugung des Magnetfeldes in die den Feldspulen des Messwertaufnehmers einpragt. 14 MID 2 In der Abbildung sind these Funktionen anhand einerAufbauskizze eines realen Messumformers dargestellt. Imtn+menberusgs VwslarMw Elaktrod— lEngangsverstOrkerl BP—wO Anzege-,ZJM-and yP1 Beden-EinMit S►gnrl V yP2 tMakwung a ■ ■ FunkBons- Bmar-Ausgbnge umd, EEPROM Bearbeitung oder Bus Schntlstelk FNdstrorn T Feldspuk mA-Ausgangi ,r,. __- �� FNdstrom fiir Wfs EnergK `I MagnetspAen Elektroden Netzted and Ausgangskarte Messronr Messwertaufnehme Funktions-Einheiten in einem uP-MID- Messumformer MID 15 2 Seit 1995 haben sich MID-Messumformer mit einem internen Geratebus Q.B.IMoCom=Interne Modulare Communication) durchgesetzt(s.folgende Abbildung). Interne Busstruktur --- (IMoCom) des KROHNE I/P-MID- scl�.�W Messumformers 1 s°"P IFC 110 A xwgw w B.oM.,E-" h�o naln IM-C=-5tecke,f r Pddij"e .dw PC fir Pru", DukumeMSBM.A NIyee, Duff I.....-A uhewM.Ing Die induzierte Signalspannung wird nach Umwandlung in Digital- werte vom ersten pP digital gefiltert,entsprechend den program- mierten Betriebsparametern skaliert and auf einem internen Gerate- bus zu verschiedenen Ausgabe-Einheiten Obertragen.Dazu geh6ren die 6rtliche Anzeige-and Bedieneineinheit,analoge(mA)and binare Ausgangsstufen,digitale Schnittstellen wie HART,IRS 485,Profibus oder auch die Schnittstelle des internen Geratebusses selbst.Sie erm6glicht Ober Anschluss eines PC oder spezieller intelligenter Prof- gerate Prufung and Dokumentation der Genauigkeit,Funktionsfahig- keit and der Unversehrtheit der eingestellten Betriebspara meter. Mit dem PC kann auch der Durchflussverlauf Ober these Schnitt- stelle online oszillographiert,gespeichert and sp5ter mit einem Tabellenkalkulationsprogramm ausgewertet werden.Das erlaubt z.B. Aussagen Ober das Str6mungsverhalten,das SchlieSverhalten von Ventilen,die GOte oder korrekte Funktion von Pulsationsdampfern. 16 MID 3 Eigenschaften des MID fur vollstandig geflullte Rohrleitungen Vorteile Freier Rohrquerschnitt • Kein zusatzlicher Druckverlust: Erlaubt daher Einsatz bei Gefalleforderung,z.B.in der Abwassertechnik,auch bei geringen Gefallen ohne Erhiihung des Ruckstaues and spart Energie(keine zusatzliche Pumpleistung niitig!) • Erlaubt Messung von Medien mit hohen Feststoff-Anteilen Q.B.Erz-oder Baggertruben),ohne Verstopfungsgefahr,bei geringster Abrasionsgefahr • Nennweite des MID meist identisch zur Nennweite des Prozessrohres! Keine mechanisch bewegten Teile • Der MID ist daher praktisch verschleigfrei,extrem langlebig, uberlastsicher • Keine Anlaufschwelle: Der MID kann also bis herunter zu niedrigsten Flieggeschwindig- keiten (bis herunter zu Null)messen.Fur bestimmte Anwen- dungen kann eine Anlaufschwelle aber im Messumformer ein- gestellt werden(„Schleichmengen-Unterdriickung'),z.B.um den Einfluss thermisch verursachter Reststriimungen wahrend Still- standszeiten auf die Mengenzahlung auszuschalten). MID 17 3 Hohe Genauigkeit auch unter schwierigen Betriebsbedingungen MID zeigen nur geringe Messabweichungen(bis unter 0,2%vom Messwert unter Referenzbedingungen),hohe Linearitat and weite Messspannen (fiber 1:100 bei Messabweichungen unterhalb 1% vom Messwert)aufgrund des linearen Messprinzips. Typische MID-Fehiergrenzen unter Referenz-Bedingungen 1 o,s 0,s CD 0,7 a o,s 0,5 yp 0,4 e r 0,3 3 0,2 a y 0,1 0 1 2 3 4 8 9 10 11 12 Lineares Messprinzip Der lineare Zusammenhang zwischen Flieggeschwindigkeit v(Durch- fluss q)and der Signalspannung U erlaubt eine lineare Signal- verarbeitung and damit auch eine einfache and weite Einstellung der Messbereiche sowie prazise Messungen von pulsierendem Durchfluss. Weitestgehend unabhangig von Viskositat and Dichte Bei Obergang von turbulenter zu laminarer Stromung(oder um- gekehrt)k6nnen je nach Konstruktion des Messwertaufnehmers geringe Messabweichungen auftreten. 18 MID 3 Weitestgehend unabhangig vom Stromungsprofil Kurze Einlaufstrecken! Die Messergebnisse in der folgenden Abbildung zeigen den nur geringen Einfluss gestorter Stromungsprofile auf die Messgenauigkeit von MID.Das Bild zeigt,dass bei gleichem Innendurchmesser von MID and Rohrleitung eine gerade ungest6rte Einlaufstrecke von nur 5 x D(D= Innendurchmesser)schon hohe Messgenauigkeit sichert. In Einzelfallen kann such these„kurze"Einlaufstrecke bauliche Probleme verursachen(bei DN 1000 immerhin auch schon 5m!). Dann kann z.B.durch Einsatz von Reduzierungen and eines MID mit etwas kleinerer DN die Einlaufstrecke bis zu ca.einen Faktor 2 ver- kurz!werden.Dabei tritt allerdings ein geringer zusatzlicher Druck- Stromungsprofil- verlust auf. Einfluss bei MID MaUere Fhellgeschwmdigked [m/s] 0 1 2 3 4 5 6 1 1 0,8 ? 08 Daten aus 0.8-- 06 SIREP-Test 0.4 04 E 1747 S 94 E and a 02 f - 02 KROHNE 0 0 IFM 4080, g+ .02 - -- -0 2 DN 50(2"). u -0 4 Kromer 5D vor MID -0 4 Messumformer -0.5 KrOmmerebene parallel zur Elektrodenachse 0 6 IFC 080 -0.8 - +'DraA. -0 8 zwei 90'-KrOmmer 5D vor MID -1 -t 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Durchfluss[Umm] MID 19 3 Messung in beiden Durchflussrichtungen Der MID kann mit gleicher Genauigkeit in beiden Durchfluss- richtungen messen(vorausgesetzt,es sind beidseits ausreichend lange ungestorte Einlaufstrecken vorhanden). Messung von pulsierendem Durchfluss Nur wenige Durchflussgerate beherrschen die Messung pulsierenden Durchflusses ohne Pulsationsdampfer direkt hinter Verdranger- pumpen.-MID konnen das. Pulsierender Too Durchfluss(170 Hube/min)direkt ODD - - _ ................._. M wu 0m1 hinter Membran —ni cn Nh]T=+0. pumpe.Gemessen mit KROHNE-MID IFC 400 ------ ........ ------- 110 mit geschalte- tem Gleichfeld 300 -. _ .. .. .......... _.... o- zoa .— — 100 +00 aoo a10 aao sa0 J4 . ow eoo 000 ++°o +aoo uao -100 tf-si Die Abbildung zeigt die digitalisierten Durchflusswerte auf deco inter- nen Geratebus(IMoCom)im KROHN E-Messu mformer IFC 110 nach deco ersten digitalen Filter. Allerdings ist nichtjeder MID Typ jedes Lieferanten dafiir geeignet, evtl.sind spezielle Einstellungen n6tig.Hier wird Riicksprache mit deco Lieferanten empfohlen(vor der Bestellung!). Auskleidung macht chemisch bestandig Das richtig gewahlte Auskleidungsmaterial schafft einen hervor- ragenden Korrosionsschutz auch bei sehr aggressiven Medien. 20 MID 3 Einsatzgrenzen fur MID M i ndestleitfahigkeit Der Messstoff muss eine bestimmte elektrische Mindestleitfahigkeit aufweisen. Die Herstellerangaben fur these Mindestleitfahigkeit liegen ausfoh- rungs-,messstoff-and applikationsabhangig bei 0,05-50 uS/cm. MID sind daher nicht geeignet fur die Messung von Kohlenwasser- stoffen(Benzin,61...)oder von Gasen. Unterhalb der angegebenen Mindestleitfahigkeit konnen messtech- nische Probleme auftreten (Messabweichungen,unruhige Anzeige). Hohere Leitfahigkeiten haben keinen Einfluss auf die Eigenschaften des MID. MID fur vollstandig gefullte Rohrleitungen, Einsatzbereiche, Einsatzbedingungen Baugrofien,Durchmesser MID sind erhaltlich in Nennweiten von DN 1 (lichter Durchmesser ca. 1mm)bis DN 3000(Innendurchmesser 3 m).Damit konnen DurchflOsse von ca. 1 I/h bis weit fiber 100.000 m3/h exakt gemessen werden. Druckstufen NenndrOcke bis fiber 1500 bar sind moglich. Medientemperatur Die max.Temperatur ist vor allem vom Material der Auskleidung abhangig,typische Herstellerangabe bei PTFE-oder PFA-Aus- kleidungen and Keramik-Messrohren bis zu 180°C,Sonderaus- fOhrungen mit Keramik-Messrohr bis 250°C. MID 21 3 Explosionsgeschutzte Ausfuhrungen Fur den Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen sind entspre- chend zugelassene„Ex-Ausfuhrungen"erhaltlich. Einsatz im eichpflichtigen Verkehr Fiir die Mengenmessung von Kaltwasser,Flilssigkeiten ausser Wasser und die Durchflussmessung bei der Messung thermischer Energie(Warmemengenmessung)sind Gerateausfuhrungen mit den entsprechenden Zulassungen lieferbar. Schutzart Bis IP 68(dauernd ilberflutbar) Beispiele ublicher Messstoffe in unterschiedlichen Industrien Ernahrungsindustrie: Milch,flussiger Brotteig,Flussig-Ei, Speiseeis,Ketchup,Joghurt,... Getrankeindustrie: Bier,Limonaden,Wein,Fruchtsafte und-maischen,... Chemische Industrie: Sauren,Laugen, Suspensionen,... Wasserversorgung: Roh-und Trinkwasser,Chlordioxid-L6sung, Flockungsmittel,... Abwasserbehandlung: Rohabwasser,Schlamme bis 30%TS Energieversorgung: Gipssuspension in der Rauchgas- Entschwefelung,Kiihlwasser, Messung thermischer Energie,... Erzaufbereitung,Bergbau: Erztruben,Bohrloch-Spulflussigkeiten,... Bauindustrie: Putz-,Estrich,Beton,... Papier-und Zellstoff: Hochkonsistente Pulpen,Papierbrei, Fullmittel,Bleichmittel,Spuckstoff,... 22 MID 3 Messstoffe: Was ist zu beachten? Elektrische Mindestleitfahigkeit Typische Herstellerangabe 5pS/cm. Abhangig von der Gerate-Ausfohrung,vom Messstoff und von der Applikation sind 0,05-50 uS/cm miiglich,bei MID mit berohrungs- losem kapazitivem Signalabgriff bis hinunter zu 0,05 pS/cm. Homogenitat des Messstoffes Schlecht durchmischte Medien mit raumlich inhomogen verteilter elektrischer Leitfahigkeit konnen zu Messfehlern fohren.Auch nicht abgeschlossene chemische Reaktionen(und die damit verbundenen elektrochemischen Vorgange)konnen zu Storspannungen im Mess- stoff,an den Messelektroden und daherzu unruhigerAnzeige foh- ren.Deswegen soll der MID vor Misch-,Injektions-und Neutralisa- tionsstellen installiert werden. Feststoffe im Messstoff Wegen seines freien Rohrquerschnittes und derTatsache,class sich das Magnetfeld auch durch Feststoffe ungest6rt ausbreiten kann,ist der MID das ideate Durchflussgerat for hydraulischen Transport.MID messen z.B.auf Baggerschiffen Troben mit Feststoff-Anteilen von ca. 50%mit„Partikel"-Gr6gen bis zu 50 cm bei Flieggeschwindigkeiten von ca. 15 m/s. Folgende Punkte sind bei Einsatz von MID im hydraulischen Transport von abrasiven Feststoffen zu beachten: • Das Messrohrmaterial muss ausreichend abrasionsbestandig sein • Die Flieggeschwindigkeit muss hoch genug sein,um Absetzen zu vermeiden,aber nicht so hoch,class das Messrohr zu schnell durch Abrasion zerstort wird. • Optimal ist hier Einbau des MID in eine senkrechte(Steig-)- Leitung. MID 23 3 Mitgefuhrte Feststoffe k6nnen auf die Elektroden auftreffen.Das kann zu unruhigerAnzeige des MID fuhren.Fur Medien mit hohen Feststoffanteilen werden spezielle MID-Ausfuhrungen angeboten. Informieren Sie den MID-Hersteller schon in der Anfrage-Phase Ober diesen Einsatzfall! Mitgefdhrtes Gas Der MID ist ein Volumendurchflussgerat,d.h.in der FlOssigkeit dispergiertes Gas wird als Volumen mitgemessen.Es wird das Gesamtvolumen angezeigt.Weil Gas meist ungewollt in die FlOssig- keit gerat and nur der Volumendurchfluss der flOssigen Phase bestimmt werden soll,sieht die Anzeige des Durchflussgerates zu hoch aus.(Dieses Verhalten zeigen nahezu alle Durchflussgerate.) Augerdem kann die Anzeige des MID unruhig werden. Solche Effekte lassen sich durch Gasabscheider,ausreichend tiefe Lage von Entnahmepunkten aus Speichern and Installation des MID auf der Druckseite von Pumpen(nicht auf der Saugseite!) vermeiden. Auf der Druckseite der Pumpe wird das mitgefbhrte Gas kompri- miert,der reale Volumenanteil des Gases and die dadurch verur- sachten Abweichungen zwischen gemessenem Gesamtvolumen (inkl.Gas)and real transportiertem FlOssigkeitsvolumen werden sehr klein. Bei Installation auf der Saugseite der Pumpe ist der Druck niedrig(bis hin zu Unterdruck),das Gasvolumen wird sehr grog, entsprechend hoherwird der Anzeigefehler. 24 MID 4 Technische Ausf6hrungen Signal-Erzeugung and Nerarbeitung Die Elektrodenspannung des MID Die durchflussproportionale Signalspannung an den Elektroden betragt wenige mV,evt.nur einige uV bei sehr niedrigem Durchfluss. Die verfugbare Leistung dieses Signalkreises liegt in der Grofien- ordnung von 10-18W bis 10-12W.Fur sichere storungsfreie Erzeugung and Ubertragung so Heiner Signale sind Magnahmen wie Schirmung der Signalleitung and Erdung des Messwertaufnehmers notig. Die durchflussproportionale Signalspannung wird uberlagert von elektrochemischen Stor-Gleichspannungen,die sich an der Grenz- schicht zwischen Elektroden and Flussigkeit einstellen.Diese Stor- Gleichspannungen konnen bis fiber 100 mV betragen and Sind einige Zehnerpotenzen gr6ger als die auszuwertende durchfluss- proportionale Signalspannung.Zusatzlich Oberlagern haufig netz- frequente Storspannungen die Signalspannung. Zeitlicher Verlauf des Magnetfeldes Ein einfacher Weg,zwischen dieser Stor-Gleichspannung and der Signalspannung zu unterscheiden,ist die gezielte zeitabhangige Variation der Signalspannung,die sich durch Modulation der Induktion,also des Feldstromes in den Spulen des MID-Mess- wertaufnehmers erreichen lasst.Bei Induktion B=0 ist die Signal- spannung U=0.Erhoht man den Feldstrom durch die Spulen, steigt die Induktion B and damit die Signalspannung U entspre- chend an.Bei Umkehrung des Spulenstromes,also bei invertiertem B,kehrt U ebenfalls das Vorzeichen um.Dieser Effekt wird in ver- schiedenen Formen bei MID benutzt,um die Signalspannung von der elektrochemischen Storgleichspannung zu diskriminieren. MID 25 4 MID mit zeitlich sinusformigem Wechselfeld Bei den ersten industriellen MID wurden die Feldspulen einfach an die Netz-Wechselspannung angeschlossen.Der netzfrequente sinus- f6rmige Feldstrom erzeugt ein netzfrequentes sinusf6rmiges Magnet- feld - B(t)=B •sin(w•t) and dementsprechend eine induzierte Signalspannung: UI(t)=k• D•v• B•sin((o-t) Diese Signal-Wechselspannung lasst sich sehr einfach von der elektrochemischen Gleichspannung diskriminieren and ungest6rt davon weiterverarbeiten.Folgende st6rende Nebeneffekte traten bei diesen Wechselfeld-MID auf and konnten wohl nie vollstandig be- hoben werden: • Netzfrequente Fremdstr6me Ober Rohrleitung and Messstoff (Isolationsfehlerstr6me,z.B.von Pumpenantrieben),Potential- ausgleichsstr6me sowie interne Verkopplungen zwischen Feld- spulen (230 V,Leistungsaufnahme bis zu kVA) and Signalkreis erzeugen im Messstoff and an den Elektroden des MID netz- frequente St6rspannungen. • Der Messumformer kann these netzfrequenten St6rspannungen nicht vollstandig von der netzfrequenten Signalspannung dis- kriminieren,weil these St6rspannungen gleiche Frequenz and Kurvenform haben wie die induzierte Signalspannung.Diese St6rspannungen fuhren also zu einerVerfalschung der Anzeige. • Die Einstellung des Anzeige-Nullpunktes muss daher lifter kon- trolliert werden.Das ist nur bei stehendem Messstoff m6glich, die Rohrleitung muss dafur abgesperrt werden.Die dafur notwen- digen Absperrorgane fuhren zu hohen Messstellenkosten,der Wartungsaufwand ist hoch and oft nur schwer mit betrieblichen Anforderungen zu vereinbaren. Wechselfeld-MID werden fur Neuanlagen heute fast nicht mehr ein- gesetzt and sind fast vollstandig durch MID mit geschaltetem Gleichfeld ersetzt worden. 26 MID 4 MID mit geschaltetem Gleichfeld Hier werden die Feldspulen des Messwertaufnehmers mit einem eingepragten Strom versorgt,der einen ungefahr trapezfbrmigen Verlauf besitzt. Typischer zeitlicher Verlauf von Feldstrom and Elektrodenspannung bei MID mit - 4 T[ms] geschaltetem _o —Feldstrom, c 1D 2 30 50 6 70 8 Induktion B Gleichfeld N 9 N LL r 3 4 T[ms] Ill Abtast- Intervall c o 30 70 —U(Signal) v 10 50 +U(St6r) o —U(Signal) Y N W an � U=kxBxDxv c c N A ,e`_n 30 40 70 80 IN Abgetastete d o Signal- 10 20 50 60 spannung w d en a Q MID 27 4 Die durch das Umschalten des Feldstromes kurzzeitig auftretenden transformatorischen Storspannungen sind deutlich zu erkennen.Der Messumformer ubernimmt die Elektrodenspannung aber erst dann, wenn these Storspannungsspitzen ausreichend weit abgeklungen sind. Das ist dann der Fall,wenn der Feldstrom and damit die Induktion konstant ist(wie bei einem Gleichfeld,z.B.eines Dauermagneten) Ar=A•dB/dt=0). Damit ist der Einfluss dieser Storspannungen auf die Messgenauig- keit sicher eliminiert. Die UnterdrOckung netzfrequenter Storspannungen ist einfach,weil die Feld-and Signalfrequenz von MID mit geschaltetem Gleichfeld bewusst abweichend von der Netzfrequenz festgelegt wurden.Die Signalverarbeitung kann also die Signalspannung mit ihrer anderen Frequenz einfach von den netzfrequenten Storungen unterscheiden. Weitere Details beschreibt z.B.[7].Die elektrochemische Storgleich- spannung kann durch eine Hoch pass-Kondensatorkoppl ung oder Bildung der Differenz aufeinanderfolgender Abtastwerte oder kom- plexere Techniken wie das von KROHNE schon 1973 eingefuhrte Interpolationsverfahren unterdruckt werden. Die Schwachen des MID mit Wechselfeld wurden damit vollstandig eliminiert. Der MID wurde durch die Einfbhrung des geschalteten Gleichfeldes (1973)zu einem robusten,wartungsfreien Betriebs-and Prazisions- messgerat. 28 MID 4 Zwei-and Mehrleiter-MID Kurz der prinzipielle Unterschied zwischen Zwei-and Mehrleiter- Messgeraten: Mehrleiter-Messgerate besitzen einen Hilfsenergie-Anschluss,Ober den sie einer separaten Hilfsenergie-Quelle jede benotigte Leistung (z.B.20 Watt)entnehmen konnen. ---------- - -- --- Messumformer ----- Mehrleiter- -——————— MID Messwertaufnehmer Sensor- speisung Netzteil ' +IF i Hilfsenergie, i z.B. 230V,20VA + Ausgangs- U signal i0 4-20mA i Ui i Signal- ; L Verarbei — ———— ; •-•-•-•.-•---•-•-•--.-•-•-•--- -- - -- - - - - - -- - - - - - - - - - - Klassische Mehrleiter-MID Mehrleiter-MID haben einen separaten Hilfsenergie-Anschluss,der „unbegrenzte" Leistungsaufnahme erlaubt(s.Abb.).Sie haben meist recht komfortable Ausgangs-Optionen,z.B.mehrere aktive Ausgange, die ohne zusatzliche Hilfsenergie fur diesen Ausgang einen passiven mA-Anzeiger(z.B.das klassische Drehspulinstrument)speisen oder mit Strom-oder Spannungspul-sen auch Zahler schalten konnen. MID 29 4 Diese MID speisen die Feldspulen mit einer typischen Leistung von ca.0,4- 1,5 Watt(fur spezielle Einsatzfalle sogar ca. 15 W). Das schafft starke Magnetfelder and somit vergleichsweise hohe Signalspannungs-Pegel.Storspannungen wie schwankende elektro- chemische Spannungen bei inhomogenen Medien oder noch laufen- den chemische Reaktionen,Rauschen durch niedrige Leitfahigkeit oder Feststoffe and Gasblasen im Medium,elektrische Storungen aus dem Umfeld konnen mit klassischen(auch digitalen) Signalverarbeitungs-Methoden sicher unterdriickt werden. Zweileiter-MID Zweileiter-MID entstanden aus dem Wunsch nach einfacher kosten- gunstiger Verkabelung,wie sie schon lange z.B.fur Differenzdruck- sensoren bei Wirkdruck-Durchflussgeraten ublich ist. Messumformer Zweileiter- ---------— MID Messwertaufnehmer I Sensor- "Pt"'U"15Netnei, Ausgangs-signal (Speisung) 4-20mA uiI Signal- Verarbeitung ____I ; Fiir MID war these Forderung viel schwieriger zu erfilllen,auch wenn das Prinzip des Zweileiter-MID eine frappierende Ahnlichkeit mit dem des Mehrleiter-MID hat.DerTeufel steckt hier in einem kleinen Detail: 30 MID 4 Der Zweileiter-4-20 mA-Anschluss stellt mit einer Hilfsspannung von z.B. 15 V nur 0,06-0,3 W zur Verfugung. Auch wenn davon bei kleinem Durchfluss ca.0,04 W(also fast 70%)fOr die Sensorspeisung and damit fOr die Erzeugung des Messsignals zur Verf6gung stehen,ist das immer noch ein Faktor 10-40 weniger als bei klassischen Mehrleiter-MID. Dieses Manko schr6nkte den Applikationsbereich fruher Zwei- leiter-MID spurbar ein.Ein klares Indiz fur die Einschr6nkung des Applikationsbereiches bei diesen fruhen Zweileiter-MID ist die Angabe einer kleinsten zul6ssigen Messstoff-Leitf6higkeit von 50 pS/cm. Moderne Zweileiter-MID bieten die gleiche Einsatzgrenze von 5 pS/cm wie klassische Standard-MID. Das wird erreicht durch modernste Elektronik-Komponenten,neue digitale Filtertechniken zur UnterdrOckung von St6rungen and durch innovative Methoden,wie z.B.ein intelligentes Netzteil,das alle ver- fugbare Energie optimal fur die Sensorspeisung and damit fur groge st6rsichere Signale nutzt[161. Trotz der niedrigen fOr den Zweileiter-MID Sensor verfugbaren Leistung ALTOFLUX 2W von besitzen moderneZweileiter '20mA KROHNEin MID ein hervorragendes Signal- Flanschausfuhrung St6r-Verh5ltnis and damit den vollen Einsatzbereich klassi- scher Standard-MID bis herun- ter zu 5pS/cm. In extrem schwierigen Einsatz- f6llen k6nnen bei dem Zwei- leiter-MID zus6tzliche applika- tionsspezifische Digitalfilter Ober das Bedienmenb aktiviert werden,um St6rungen auszu- blenden. MID 31 4 Die wichtigsten Vorteile von Zweileiter-MID • Einfache,kostengiinstige Verkabelung(It.Aussagen aus der Chem ie-Industrie Einsparpotential von ca. 1800.-€ pro Mess- stelle gegenuber Mehrleiter-MID) • Einfache Einbindung in beliebige Ex-Konzepte: Beim Zweileiter-MID von KROHNE kann der Anwender aufgrund des flexiblen Ex-Konzepts frei wahlen zwischen den Zundschutz- arten „i",„e"oder„d". • Einfache Integration in Anlagen mit eigensicherem Ex-Konzept • Einfaches Upgrading von Messstellen mit herkommlichen mecha- nischen oder wirkdruckbasierten Durchflussgeraten durch MID, ohne Notwendigkeit,die bestehende Verkabelung zu verandern. • Niedrige Betriebskosten(„cost of ownership"): Praktisch wartungsfrei,weitgehende Diagnosefunktionen,niedrige Leistungsaufnahme und... • Hohe Messgenauigkeit: 0,5%vom Messwert bei v> 1m/s • Moderne Zweileiter-MID konnen fast alle MID-Einsatzbereiche mit vergleichbarer Performance,aber mit niedrigeren Installations- kosten als Vierleiter-MID abdecken. 32 MID 4 MID-Bauformen Bauformen des Messwertaufnehmers nach Prozess-Anschlussen Flanschausfahrung: Diese Ausfuhrung besitzt Flansche(unterschiedliche Druckstufen, nationale Standards,wie DIN,ANSI,ISO,JIS)zum Anschluss an die Prozessleitung. MID-Messwert- aufnehmer in Flanschausfuhrung, ALTOFLUX DN 3000 mm, Messbereich 0-100.000 m3/h Typische Auskleidungsmaterialien sind Hartgummi,Weichgummi, Fluor-Kunststoffe wie Teflon° PTFE oderTeflon° PFA bzw.ETFE (TEFZEL°). Oder auch Irathane(spezielles PU) bei sehr abrasiven Messstoffen. MID 33 4 Zwischenflansch-(Sandwich-oder Wafer-)-Ausfdhrung Die Zwischenflansch-oder Sandwich-Ausfuhrung wird durch Zug- bolzen zwischen den Flanschen der Rohrleitung eingeklemmt.Diese Ausfuhrung wird mit unterschiedlichen Auskleidungen(Hartgummi, Fluor-Kunststoffe oder auch Keramik)geliefert. Zwischenflansch-MID mit hochdichten Aluminiumoxid-oder Zirkonoxid-Keramik-Messrohren bieten wegen der Formstabilitat and des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieses Materials besonders hohe Messgenauigkeit and Langzeitstabilitat auch bei hohen Medientemperaturen. Der in der folgenden Abbildung gezeigte KROHNE-MID 5000 glattet durch die eingebaute konische Reduzierung zudem stark verzerrte Stromungsprofile and reduziert so Messfehler bei ungunstigen Einbaubedingungen. Zwischenflansch-MID KROHNE PROFIFLUX 5000 mit strdmungs- optimierendem A1203 Keramik- Messrohr 1, 34 MID 4 Steril-Ausfuhrunoen In der Nahrungsmittel-/Getranke-Industrie and in der pharmazeu- tischen Industrie mussen alle Armaturen Reinigung and Sterilisier- ung(CIP)durch chemische Verfahren and durch Heigdampf(SIP) erlauben.Augerdem durfen keine Spalte oderTotraume auftreten, in denen sich Bakterien einnisten konnen.Daher werden spezielle Abdichtungsmethoden verwendet(z.B.wie in folgenderAbbildung gezeigt) L-formige Dichtungen mitTrapezdichtlippe,die in Kooperation mit Hygiene-I nstituten wie EHEDG entwickelt and gepruft wurden. Steril-MID VARIFLUX 6000 in Kompaktbauweise. Obergang vom ausgekleideten Messrohr auf die Prozessleitung oder auf Anschluss- adapter mit spaltfrei abdichtender L-fdrmiger Dichtung _I mit Trapez-Dichtlippe Die verwendeten Materialien durfen keine Fremdstoffe in das Medium abgeben(mussen nahrungsmitteltauglich sein,z.B.FDA- approbiert).Als Auskleidungsmaterial wird bblicherweise PFA oder PTFE verwendet.Die Prozessanschlusse sind in unterschiedlichsten Normen,z.B.Milchrohr-Verschraubungen,Clamps,Sterilflansche usw.oder auch als Einschweigverbindungen Iieferbar.Adapter zu diesen Anschlussen konnen modular,einfach,sicher and hygienisch an den gezeigten MID angeschraubt werden. MID 35 4 Getrennte and kompakte Ausf6hrung Getrennte Ausfahrung Messwertaufnehmer and Messumformer(Elektronikeinheit mit Signalverarbeitung,Bedien-and Anzeigeeinheit and Speiseeinheit fOr die Feldspulen)sind zwei raumlich getrennte Einheiten.Jede besitzt einen eigenen Anschlusskasten.Sie Sind verbunden durch eine geschirmte Signalleitung and eine Feldstromleitung,die die Hilfsenergie fur die Feldspulen des Messwertaufnehmers Obertragt. Messwertaufnehmer bei getrennterAusfuhrung Der Messwertaufnehmer besitzt keine bewegten Teile oder elektroni- schen Komponenten.Er ist daher besonders robust,kann hohe Medientemperaturen,hohe Vibrationspegel,Rohrleitungsschlage and Umgebungsfeuchte(bei entsprechender Schutzart auch bis zur dau- ernden vollstandigen Uberflutung)problemlos auch Ober lange Zeit vertragen. Flansch-MID in getrennter Ausfuhrung. ALTOFLUX 4000 mit IFC 110 aa�+• Messumformer Signal,z.B. Hilfs- 4-20 mA energie Messwertaufnehmer 36 MID 4 In getrennter Bauart sind Fla nsch-Messwertaufnehmer,Zwischen- flansch-and Steril-Ausfuhrungen lieferbar. Messumformer bei getrennterAusfuhrung Messumformer in getrennter Ausfuhrung konnen an gut zugang- lichen,vor Oberflutung and direkter Sonneneinstrahlung and evt. hoher Rohrleitungstemperatur geschutzten Stellen montiert werden. Vibrationen der Rohrleitung werden nicht auf ihn Obertragen.Daher zeigen Messumformer in getrennter Ausfuhrung die hochste Zuverlassigkeit. Sionalleituno bei MID in getrennterAusfuhrung Die kleine Signalspannung U(Millivolt,Picowatt)muss Ober eine geschirmte Signalleitung vom Messwertaufnehmer zum Messum- former Obertragen werden.Die MID-Hersteller bieten dafur spezielle geschirmte Leitungen an.Diese haben bei einzelnen Herstellern te einen zusatzlichen magnetischen Schirm,der vor St6rungen durch ROH r NE K - RDH - externe magnetische Felder schOtzt.Aus Griinden der elektromagne- Signalleitung tischen Vertraglichkeit and Funktionssicherheit sind die vom MID- ryp DS fur Lieferanten empfohlenen Leitungstypen einzusetzen. getrennte MID 1 Kontaktlitze Innenschirm,1,5 mm2 2 Aderisolation 3 Leiter 0,5 mmz 4 Spezialfolie(Innenschirm,elektrostatisch) 5 Innenmantel 6 Mumetallfolie(2.Schirm,magnetisch) 7 Kontaktlitze(magnetischer Schirm) 8 Augenmantel (blau fOr Ex-Anwendungen) Die Lange dieser Signalleitung ist aus messtechnischen,bei Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen auch aus sicherheitstech- nischen Grunden hersteller-and typenabhangig begrenzt. MID 37 4 Kompaktausfuhrung von MID Aufbau Die Abbildung zeigt einen MID in Kompaktbauform.Messwertauf- nehmer und-umformer bilden eine Baueinheit,die einfach und kostensparend einzubauen und anzuschliegen ist. Diese Bauform erspart Verlegen und Anschliegen spezieller geschirmter Signalleitungen sowie die separate Montage eines getrennten Messumformers. Einstandspreis und Instal lationskosten sind niedriger als bei der getrennten Version. Einsatzgrenzen Die zulassigen Medientemperaturen bei Kompakt-MID sind niedriger als bei MID in getrennterAusfuhrung,weil die Medientemperatur zu einem gewissen TO auf den Messumformer durchgreift.Die Elektronik-Komponenten arbeiten dann bei hiihererTemperatur, ihre Zuverlassigkeit geht spurbar zuruck.Vibration und Schlage der Rohrleitung werden direkt auf den Messumformer ubertragen. Deswegen muss die Rohrleitung beidseitig vom Kompakt-MID abgefangen werden. Flansch-MID le ALTOFLUX 4080 K in Messumformer Hilfsener g Kompaktausfuhrung (entfallt bei 2-Leiter-MID) Signal, z.B.40-20 mA Messwertaufnehmer 38 MID 5 Gerateauswahl, Planung, Projektierung, Einbau Gerate-Auswahl be! MID fur vollstandig gefullte Rohrleitungen Auswahl der Nennweite Im Regelfall wird die DN des MID gleich der Rohrleitungs-DN gewahlt,nie gr6ger! Der Messbereichsendwert kann in weiten Bereichen den unter- schiedlichsten Betriebsbedingungen angepasst werden (z.B.auf Flieggeschwindigkeiten von 0,3 bis 12 m/s,also ca.2,2-84 m3/h bei DN 50). Reduzierung der In folgenden Fallen ist die DN des MID Weiner als die Rohrleitungs- Rohrleitung vorund Nennweite zu wahlen(Verwendung von Reduzierstiicken). hinter MID v� v� °l2`81 v� ------- — -------- d, d, dZ J d, Reduzierungen • erhiihen die Flieggeschwindigkeit im Durchmesser • erweitern die Messspanne • verringern das Risiko von Ablagerungen • verkilrzen die notwendigen Einlaufstrecken auf 3 bis 4 x d2 Medien mit Stoffen.die zu Abla erun en nei en: Abhangig vom Feststoff: DN des MID so auswahlen,class die Flieggeschwindigkeit v>3 m/s ist.Eine Reduzierung and die dadurch erhohte Flieggeschwindigkeit verringern das Risiko von Ablagerungen. MID 39 5 Unodnstige Einlaufbedingunoen(z.8.ungest6rte gerade Einlauf- strecke von 5 x D nicht realisierbar): Eine direkt vor dem MID installierte Reduzierung(a/2<8°)glsttet das Str6mungsprofil.Der kleinere Innendurchmesser des MID bestimmt die Einlaufstrecke.Mit einer solchen Reduzierung reichen auch hinter einem Krummer oderT-Stock 3D(D= DN des MID)ohne wesentliche Genauigkeitsverluste als Einlaufstrecke aus. Forderung einer sehr weiten Messspanne: Wie bei einem Zollstock steigt der Messfehler eines MID,wenn man damit sehr kleine Gr6gen messen will.Deswegen legt man fur Messung fiber weite Spannen die Reduzierung so aus,class die Flieggeschwindigkeit v bei Maximaldurchfluss z.B.ca. 10m/s betr5gt. Beispiel DN 50: Der MID zeigt Bann von ca.77m3/h bis hinunter zu ca.0,77m3/h eine Messabweichung von weniger als 1%vom Messwert(abhsngig von Typ and Einbau). Uberflutung(Schutzart) Bei Messstellen mit Oberflutungsgefahr Schutzart IP 68 wshlen! Langer andauernde Oberflutung von IP67-Gersten (oder Gersten geringerer Schutzart) kann zu Totalschsden fOhren! Auswahl der medienberuhrenden Materialien Auskleidung and Elektroden stehen in Kontakt mit dem Messstoff. Beide mussen diesen Kontakt Ober Jahrzehnte ohne Schsden Ober- stehen.Die richtige Materialwahl hat entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer des Messgerstes! Falsche Materialwahl („Kostenbewusstsein") kann im Nachhinein sehr teuer werden! 40 MID 5 Auskleidung/Rohmaterial Chemische Bestandigkeit der Auskleidung allein reicht nicht! Form- und Vakuumstabilitat,manchmal auch die Abrasionsfestigkeit k6n- nen genauso entscheidend fur Lebensdauer and Langzeitstabilitat eines MID rein! Fur eine erste Grobbestimmung dient die folgende Obersichtstabelle. Grob-Charakterisierung verschiedener Rohr-and Auskleidungswerkstoffe Werkstoff Max. Chemische Abrasions- Bleibende ErhSltl. Unterdruck- Medlen- Bestandlgkeit festigkeit Verformung bel DN- (Vakuum-) tempe- Druck/ Berelch Festigkeit rotur: Temperatur [mm] Fluor- b!s 180oC von heigen konstruktions- konstruktions- 2-600 konstruktions- Kunststoffe Laugen bis zu abhangig abhangig stark abhangig schwach (z.B.PTFE, heifien konzen- gering bis gut bis gering bis gering PFA) trierten Sauren PFA mit bis 180oC von heigen gut gering 2,5-150 sehr gut eingespritzter Laugen bis zu Edelstahl- heigen konzen- verstSrkung trierten Sauren ErFE bis 120"C von heigen Behr gut gering 200-600 sehr gut („TEFZEL") Laugen bis hei8e Sauren Hartgumml bis 90oC gednge gering sehr gering 25-3000 relativ gut Konzentrationen Polypropylen bis 90oC gednge gut gering 25-150 sehr gut edelstahl- Konzentrationen verstarkt Weichgummi bis 60oC gednge gut gering 25-3000 relativ gut Neopren Konzentrationen Polyurothan bis 60oC gednge hervorragend gering 50-1600 gut Konzentrationen Aluminium-/ bis 180oC von warmen abrasions- praktisch keine 2,5-250 vollkommen Zirkonoxid- Laugen(mittlere bestandigstes Verformung unterdruckfest Keramik Konzentration) Material (hohe Langzeit- bis zu konz. stabilitat auch Sauren unter bei kleinen)N!) 1001C Die MID-Lieferanten beraten,wenn bei der Auswahl Zweifel auftreten. MID 41 7 5 Elektroden-Auswahl Materialauswahl Wichtigster Punkt ist hervorragende chemische Bestandigkeit. Auswahl eines„billigeren"Materials kann zu Totalausfall des MID,zu Leckage and zu Umweltschaden filhren. Fiir die Funktion ebenso wichtig ist der elektrische Kontakt zwischen Elektrodenoberflache and Messstoff.Wenn dieser Kontakt z.B.durch Bildung isolierenderVerbindungen an der Oberflache der Elektrode unterbrochen wird,fallt die Messung aus(Beispiel:Tantal-Elektroden bei Messstoff Wasser). Grobe Ubersicht(im Einzelfall auf chemische Bestandigkeit prufen!): Hinweise zur Auswahl des Elektrodenmaterials Messstoff Bewahrte Elektrodenmaterialien Wasser,Abwasser Edelstahl,HC4,Platin,Platin-Cermet Konzentrierte oxidierende Sauren Tantal,Platin,Platin-Cermet Laugen: Platin,partiell Platin-Cermet Diese Auswahl kann man sich Bann ersparen,wenn ein„elektroden- loser"MID mit kapazitivem Signalabgriff eingesetzt wird. Mit Elektroden oder ohne(kapazitiv)? Elektrodenlose MID werden bevorzugt in folgenden Fallen eingesetzt: • Leitfahigkeit<5 uS/cm(bis herunter zu 0,05 uS/cm, Applikation mit Hersteller absprechen!) • Medien,die zu isolierenden Ablagerungen neigen and die Elektroden des klassischen MID vom Messstoff isolieren (z.B.Latex-,Bitumen-Suspensionen...) • extrem abrasive Medien • chemisch inhomogene Medien 42 MID 5 Elektroden-Sonderbauformen Bei grogen MID ist der Ausbau schwierig.Bei schwierigen Medien (z.B.stark fetthaltige Abwasser)ist es zwar nicht vorgekommen,aber auch nicht absolut auszuschliegen,dass sich Fett auf der Elektrode ablagert.Deswegen einen MID DN 1600 ausbauen zu mussen,ist teuer and oft gar nicht m6glich. Als„Lebensversicherung"gibt es hier Wechselelektroden.Sie k6nnen durch eine Schleusenkonstruktion auch unter Druck aus- gebaut,gereinigt and wieder eingesetzt werden. Wechselelektrode (zum Reinigen auch unter Betriebsdruck herausnehmbar) MID 43 5 Auswahl der Bauform Kompakt oder getrennt? Die folgendeTabelle gibt Entscheidungshilfen. One getrennte Version ist immer dann zu wahlen,wenn aufgrund der Bedingungen an der Messstelle auch nur ein„Nein"in der Spalte „Kompaktgerat sinnvoll?"auftaucht. Auswahlkriterien: Getrennte Kompakte Bauform Bauform Messumformer _ Htlfsene Messumformer rge (entlellt bei 2-Letter-MID) Signal, Signal,z.B. Hilfs- z.B.4-20 mA 4-20 mA Lnergie l_7 Messwertaufnehmer Messwertaufnehmer Auswahl„Kompakt'% Einsatzbedingungen Getrennte Version Kompaktgerat „Getrennt" nbtig? sinnvoll? Medientemperatur hoch? Ja Nein Umgebungstemperatur an Messstelle hoch? Ja Nein Hoher Vibrationspegel an Rohrleitung? Ja Nein Uberflutungsgefahr an Messstelle? Ja(Schutzart IP68) Nein Extrem korrosive Atmosphere an Messstelle? Ja Nein Zuganglichkeit zur Messstelle gut? Nein Ja Zuganglichkeit zur Messstelle schlecht? Ja Nein Viele Funktionen, Ausgange n6tig? I Ja I Nein Haben Kosten h6chste Prioritet? Nein Ja 44 MID 5 Flansch oder Zwischenflansch-MID? Zwischenflansch-MID(oft auch als Sandwich-oder Wafer-MID bezeichnet)sind billiger,leichter and kostengunstiger zu installieren als Flanschgerate.Augerhalb Kontinentaleuropas hat sich schon die Einsicht durchgesetzt,dass bei Behr vielen Applikationen vier Flansche pro Messstelle these unnotig verteuern.Da Kostenein- sparung heute Prioritat„Eins"ist,sollte bei der Messstellen-Aus- legung der Einsatz von Zwischenflansch-MID,die meist spurbar billi- ger als Flansch-MID sind,in Betracht gezogen werden. Flansch- oder Zwischenflansch- MID? Kriterien Zwischenflansch- Flansch- Auswahl„Flansch'% MID MID �Zwischenflansch" Kosten(bei sonst gleichem Aufbau) gunstiger ungunstiger Gewicht(Einbau) leichter schwerer Messtechnische Eigenschaften(bei sonst gleichem Aufbau) gleichwertig gleichwertig Kompatibel zu DIN/ANSI/ JIS-Flanschen alles in einerVersion je eine Version Prazisions-Keramik-MID nur Zwischenflansch- nicht als Flansch- (vor allem kleine DN) Version erhaltlich MID erhaltlich MID 45 5 Auswahl des Installationsorts fOr den Messwertaufnehmer (MID fOr vollstandig gefallte Rohrleitungen) Hier werden nur die wesentlichsten Punkte kurz angesprochen. Details and verbindliche Vorschriften finden Sie in den Projektierungsrichtlinien der Hersteller.Im Einzelfall immer these Herstellerrichtlinien heranziehen! Ungestorte gerade Ein-and Auslaufstrecken Die meisten Hersteller empfehlen ungestbrte Einlaufstrecken von 5 x D hinter KrDmmern and T-StOcken. Regelschieber oiler-klappen dOrfen nur hinter dem MID installiert sein. Grande:Strbmungsprofil,Unterdruck(s.u.),Gefahr von Vakuum- schlagen. VerkOrzungen der Einlaufstrecke um ca.Faktor 2 sind m6glich,z.B. lurch Einbau einer Reduzierung(s.Seite 39). Sicherstellung vollstandiger Fullung,Vermeidung von Unterdruck: Hinweise gibt folgende Abbildung. Einbau in horizontale Leitung oder Steigleitung? Die Einbaulage hat prinzipiell keinen Einfluss auf Funktion oiler Genauigkeit des MID. Bei Einbau in horizontale Leitungen Elektrodenachse immer waagerecht! 46 MID 5 Installationsvorschlage zurAuswahl der Einbaustelle Hochster Punkt der Rohrleitung Falleitung Ober 5 m Lange (!m Messrohr sammelns sich Beliiftungsventil(D hinter deco Luftblasen-,Fehlmessung!) Durchflussmesser vorsehen El Bevorzugte Einbaustellen n Fall-Leitung Durchfluss- Lange Rohrleitung geschwindigkeit lT Regel-and Absperrorgane Immer hinter dem Null',Leitung W Durchflussmesser einbauen lauft leer, 1 Fehlmessung! Waagerechte Rohrle!tungsfiihrung Einbau in etwas steigenden Rohrle!tungsabschnitt legen. Pumpen Durchflussmesser nicht in die Saugseite einer Freier Ein-oderAuslauf Pumpe einbauen Diikerung vorgesehen freierAuslauf I Elektrische Umfeldbedingungen MID werden heute in der Nahe von Elektroschmelzofen mit Leistungen von Megawatt eingesett,ebenso in der Chlorelektrolyse nur wenige Meter entfernt von Stromschienen mit einigen 10 kA. Sie sind gegenilber elektrischen and magnetischen Einfliissen recht unempfindlich. Dringender Rat:Typenauswahl Lind Installation in solchen Bereichen vorher mit dem Hersteller des MID absprechen! MID 47 5 Zuganglichkeit MID sind Messgerate,die auch irgendwann einmal ausfallen k6n- nen.Ausbau ist zwar nur sehr selten n6tig,aber dann sollte Zugang m6glich sein! Besonders Kompaktgerate mussen fur eventuelle Parameter-Umstellungen(z.B.Messbereichsendwert)oder auch den Austausch der Elektronikeinheit bei Modernisierung oder Defekt gut zuganglich sein. Auswahl Installationsort Messumformer (Elektronikeinheit) Zuganglichkeit Bei Messumformern mit 6rtlicher Anzeige:Augenh6he! Auch Kompaktgerate mussen gut zuganglich eingebaut sein! Vibrationsfrei Getrennte Messumformer fest and an vibrationsfreier Aufhangung installieren. Bei Kompaktgerat: Rohrleitung beidseitig abfangen! Schutz vor Oberflutung Messumformer augerhalb des Oberflutungsgefahrdeten Bereiches installieren! Schutz vor Sonne Direkte Son neneinstrahlung kann den Messumformer auf Ober 80°C aufheizen! Die Ausfallrate von Elektronik-Bauteilen steigt Bann ca.um einen Faktor 60 an! Also: Keine direkte Sonne! Bei Installation in Freianlage ggf.Blitzschutz. Lassen Sie Bich vom MID-Hersteller beraten! 48 MID 5 Signalleitung bei getrennten Messumformern Signalleitung fest and vibrationsfrei verlegen! Bei Gefahr von Feuchte,%sse oder bei Verlegung in der Erde: Erd-and wasserverlegbare Signalleitung venaenden Qe nach MID- Hersteller Standard!) Zulassige Leitungslangen beachten! Nicht in der Nahe von Starkstromleitungen verlegen! Erdung des MID MID als elektrische Betriebsmittel mussen entsprechend den an- wendbaren Sicherheits-Regeln geerdet werden (z.B.Schutzerdung). Notwendigkeit der Erdung Neben der sicherheitstechnischen Erdung muss der MID im Regel- fall auch aus messtechnischen GrOnden geerdet werden. Die Signalspannung des MID liegt typisch bei einem Millivolt oder darunter.Der Messumformer kann solch kleine Signale nur dann stSrungsfrei verarbeiten,wenn these Spannung auf ein Testes Potential(„Erde")bezogen ist. Im Folgenden wird nur das Prinzip der Erdung des MID beschrieben, im Einzelfall sind die Montageanleitungen der Hersteller zu beach- ten. Erdung in innen elektrisch leitfahigen Rohrleitungen (z.B.Edelstahl-Leitungen) Der MID wird mit der Rohrleitung im Sinne eines Potentialausgleichs elektrisch verbunden.Die Rohrleitung ist geerdet,der Messstoff and damit die Signalspannung hat dadurch ein festes Bezugspotential (s.linke Abbildung auf Seite 50,Erdung in Rohrleitungen mit elek- trisch isolierender Innenwand). MID 49 5 Erdung in innen elektrisch isolierenden Rohrleitungen Bei Kunststoff-oder Beton-Rohleitungen Oder Leitungen,die innen isolierend ausgekleidet Oder beschichtet sind,muss der Messstoff durch zusatzliche Magnahmen geerdet werden. Dazu werden meist Meta ll-Erdu ngsri nge verwendet,deren Innenseite mit dem Messstoff in Kontakt steht and die zwischen Rohrleitungs- und MID-Flansche montiert and geerdet sind(s.rechte Abbildung, „Metallrohrleitungen blank Oder innen beschichtet,and Kunststoff- rohrleitungen"). Erdungsbilder Metallrohrleitungen,innen blank Metallrohrleitungen,innen blank oder beschichtet,and Kunststoff-Rohrleitungen Erdung ohne Erdungsringe Erdung mit Erdungsringen V1 v1 V2 iRF VF ."":� R R R RFF RF RF F F D3 D3 D2 D1 � D1 D2 E FE- E FE - (PE) (PE) D1,D2,D3 Dichtungen,nicht im Lieferumfang,bauseits bereitzustellen. E Erdungsringe(Option) F Flansche der Durchflussgerate FE Funktionserde,Leitung z 4 mm2 Cu,nicht im Lieferumfang,bauseits bereitzustellen. PE Schutzleiter ist erforderlich,wenn der IFS 4000 F mit einem Messumformer betrieben wird,der einen Feldstrom von>125 mA/>60 V Iiefert. Leitung z 4 mm2 Cu,nicht im Lieferumfang,bauseits bereitzustellen. R Rohrleitung RF Rohrleitungsflansche V1,V2 Verbindungsleitungen,im Lieferumfang Y Anschlussdose oder Messumformer 50 MID 5 Erdung des Messstoffs kann auch durch zusatzliche Erdelektroden im MID erreicht werden,die in manchen Fallen billiger sind als Erdungsringe.Hier ist aber sicherzustellen,class keine spurbaren Potentialdifferezen in der Anlage auftreten,sonst konnen these Erdelektroden elektrolytisch zerstort werden. Folge:Totalschaden des MID. Bei grogen MID treten bei Venaendung von Erdelektroden zudem spOrbare positive Messabweichungen auf,wenn der MID in einer innen elektrisch leitfahigen Rohrleitung kalibriert wurde(wovon man ausgehen kann!). Einbau DN>200:Schiebemuffen vorsehen! Um Ein-and Ausbau zu erleichtern and Rohrleitungstoleranzen leicht ausgleichen zu konnen,werden Schiebemuffen empfohlen. (Einbau hinter dem MID!) Dichtungen Die Auskleidung des MID bedeckt meist die Arbeitsleisten des MID- Flansches.Deswegen sind zusatzliche Dichtungen im Regelfall nicht notig bei MID mit PTFE-,PFA-,Neopren-,Weichgummi-and Poly- urethan-Auskleidungen. Anzugsdrehmomente In Einbauanweisungen der MID sind Anzugsdrehmomente fur die Flanschbolzen angegeben.Unbedingt einhalten,weil sonst die Auskleidung auf der Arbeitsleiste des MID-Flansches oder mit- gelieferte Dichtungen beschacligt werden konnen! Leitungseinfahrungen Leitungen mit richtigem Durchmesser verwenden,sonst dichtet PG nicht ab.Leitungseinfuhrungen richtig abdichten,Leitungen mit Abtropfbogen verlegen! MID 51 6 Spezielle Ausfuhrungen fur spezielle Einsatzbereiche MID fur teilgeflullte Rohrleitungen Notwendigkeit: In Abwassernetzen sind die Rohrleitungen im Regelfall nicht voll- standig gefilllt.Um dort die fiir klassische MID notwendige vollstan- dige Fullung der Rohrleitung zu sichern,mussten die MID in Duker eingebaut werden.Das kostet Geld and verursacht kontinuierliche Wartung,um Verstopfung zu vermeiden. Schnittbild and Prinzip eines MID fur Kapazitive beruhrungslose teilgefallte Fullstandsmessung Rohrleitungen (eingebettet in (KROHNETIDALFLUX) Auskleidung) i h �Messele oden Feldspulen v • Die Strbmungsgeschwindigkeit v wird magnetisch-induktiv gemessen • Die Fullhohe h berbhrungslos gemessen durch in die Rohnaand eingebettete kapazitive Fullstandssensoren(patentiert) • Aus der Fullhohe h wird der Stromungsquerschnitt A berechnet • Mit Stromungsgeschwindigkeit v and Stromungsquerschnitt A wird der Durchfluss q berechnet: q=v•A 52 MID 6 Das Prinzip der MID-Durchflussmessung in teilgef011ten Rohrleitungen Der Aufbau der MID fur teilgef011te Rohrleitungen ist ahnlich deco des MID fur vollstandig gef011te Rohrleitungen.Der MID fur teilge- fullte Rohrleitungen besitztjedoch mindestens ein tief liegendes Elektrodenpaar auf einer horizontalen Achse in einer Hiihe von ca.0,1 x D Ober der Rohrsohle,mit deco die Signalspannung and damit die Fliefggeschwindigkeit auch noch bei niedrigem F011stand in der Rohrleitung erfasst werden kann. Zusatzlich besitzt er Einrichtungen,mit denen die F011hohe im Messrohr gemessen wird.Aus der F011hohe wird der gef011te Str6mungsquerschnitt bestimmt.Aus den Messgrofien„Flieg- geschwindigkeit"and „gefOlIter Querschnitt"errechnet der Mess- umformer dann den Durchfluss in der teilgefullten Leitung. Besonders zu beachten: • Der MID fur teilgefullte Rohrleitungen beginnt erst dann zu mes- sen,wenn die Mindestf011h6he(10%des Durchmessers)erreicht ist.Der Mindestdurchfluss,bei deco die Messung einsetzt,hangt leicht ab von Gefalle and Wandrauhigkeit der Rohrleitung,liegt typisch bei ca.2,5%des Durchflusses bei vollstandig gef011tem Messrohr. • Die Einlaufbedingungen fur den MID in Freispiegelleitungen sind schwieriger beherrschbar als in vollstandig gef011ten Rohr- leitungen,weil die freie Obern5che abhangig von der Art der Storung sich teilweise erst nach sehr langen Strecken beruhigt. • MID fur teilgef011te Rohrleitungen gibt es im DN-Bereich 150 (200)-2000 mm MID 53 s Schnelle volumetrische Abfullung mit MID Vorratsbehalter (unter Druck,wenn Start-Kommando, Flussigkeit CO,enthalt) wenn Behalter fertig zum Fullen ist z BB.�10�Pulse pro ml Durchflussmesser +�LLB► BATCHFLUX Batchcontroller Pulse/Volumeneinheit (Batch-Computer) Ventil Ventil-Steuersi nale u AI� us i Behalter �'- Fullzeit tF 't Flasche,Dose,Keg, ventll Ventil Papier-oder Plastik- Onen schlleRen Behalter (unter Druck,wenn Ederne Kommunikation Flussigkeit CO2 enthalt) (Mengenvorwahl,Statistik...) Seit Einfuhrung der PET-Flaschen gewinnt das volumetrische Fullen z.B.von Limonadenflaschen immer mehr an Bedeutung. Dabei treten neben den in der Ernahrungs-and Getrankeindustrie ublichen Hygieneanforderungen zusatzliche dynamische Anforde- rungen an die Durchflussgerate auf.Das Durchflussgerat muss das innerhalb weniger Sekunden abgefullte Volumen auf Promille repro- duzierbar bestimmen. Durch sein glattes spaltfreies einfach reinig-and sterilisierbares Rohr ohne zusatzliche Druckverluste ist der MID fur diesen Einsatz- bereich geradezu pradestiniert.Auch hier werden wegen ihrer Glatte, Formstabilitat,Reinigbarkeit and Druckunabhangigkeit MID mit Keramik-Messrohren eingesetzt. 54 MID 6 Fiir solche Fullmaschinen mit oft mehr als 100 Fullstellen wurden spezielle MID entwickelt[14],[15],die neben den Anforderungen an sehr hohe Reproduzierbarkeit,sehr gutes dynamisches Verhalten and lebensmittelgerechte Hygiene auch die Wunsche hinsichtlich kleinster Einbau-Abmessungen erfiillen.Die Abbildung auf Seite 54 zeigt den typischen Aufbau einer solchen Fullstation. Man sieht,class jede Fullstelle mehrere Verbindungen zum Batch- controller hat.Diese vielen Kabel-Verbindungen and die grose Anzahl der Zahlereingange im zentralen Batchcontroller erhohen die Kosten solch groger Fullmaschinen. Deswegen and such aus anderen GrOnden geht der Trend dahin, die Batchcontroller in den Durchflussgeraten zu integrieren. Bei der Losung mit integriertem Bachcontroller in jedem MID ver- bindet ein Datenbus(z.B.CAN-Bus)alle Durchflussgerate mit einem zentralen Rechner(s folgencle Abbildung). MID milt integriertem Batchcomputer steuert Ventil Vorratsbehalter (unter Druck,wenn Flbssigkeit CO2 enthalt) 1 Volumen-Zahler and-Controller i BATCHCONTROL o Ventil,gesteuert durch BATCHCONTROL S011 ---------- Menge 0 t Ven61 Ventil offnet schlieSt Bus-Kommunikation Behalter (Start-Kommando,wenn Behalter bereit ist, Flasche,Dose,Keg, Mengenvonvahl,Diagnose...) Papier-,Plastik-Behalter MID 55 s Ober these Bus-Verbindung werden alle n6tigen Daten Q.B.Soll- werte fur die Abf011menge,Startsignal fur Abfullbeginn,wenn clas Gebinde bereit ist,Fertig-Meldung vom Batchcontroller des MID) vom and zum Zentralrechner ubertragen. Der Batchcontroller im MID 6ffnet das F011ventil,zahlt das Volumen, berechnet Korrekturen and kann den Durchfluss bei Full-Beginn and Full-Encle auch Ober mehrstufige Ventile in fein eingestellten Stufen steuern. Damit ist im gunstigsten Fall nur noch eine Bus-Verbindung von allen Abfull-MID zum Zentralrechner n6tig.Diese Methode kann die Abfbllgenauigkeit erh6hen,die Zahl der Kabelverbindungen reduzie- ren and so zur Kostenreduzierung and auch Erh6hung der Zuver- lassigkeit beitragen. Magnetisch-induktive Durchfluss-Kontrollgerate Prinzip der magnetisch-induktiven Durchfluss-Kontrollgerate Diese Kontrollgerate sind Sonden,die in die Rohrleitung hineinragen and die Flieggeschwindigkeit punktuell an ihrem Ende messen (s.folgende Abbiltung). Bei ausreichend langen Einlaufstrecken(im Regelfall>20 x D), Newton'schen Flussigkeiten mit ungest6rten radialsymmetrischen Str6mungsprofilen kann aus der punktuell gemessenen Flieg- geschwindigkeit auf den gesamten Durchfluss zuruckgerechnet werden.Die magnetisch-incluktiven Durchfluss-Kontrollgerate haben gegenuber Staudruck-oder Flugelrad-Sonden den Vorteil,class sie ohne mechanisch bewegte Teile arbeiten,sowie weitgehend verschmutzungsunempfindlich and Oberlastsicher sind.Auch verein- zelt mitgefuhrte Feststoff-Partikel haben kaum Einfluss. 56 MID s Einsatzbereich magnetisch-induktiver Durchfluss-Kontrollgerate Diese magnetisch-induktiven Durchfluss-Kontrollgerate werden zum einen als Grenzkontakter eingesetzt,z.B.zum Pumpenschutz,zum anderen auch als Kontrollgerate mit kontinuierlicher Durchfluss- Anzeige. Diese Gerate konnen filr elektrisch ausreichend leitfahige Medien mit relativ niedrigen Feststoffanteilen eingesetzt werden. Einbau magnetisch-induktiver Durchfluss-Kontrollgerate Um die auch bei turbulentem Stromungsprofil auftretende Reynoldszahl-Abhangigkeit Magn.-ind. der Anzeige klein zu hal- Durchfluss-Kontroii- ten,wird empfohlen,die gerat DWM 2000 Sondenspitze mit einer in Armatur fur die Distanz von 1/8 Rohr- Ernahrungsindustrie Innendurchmesser zur Innenwand des Rohres zu positionieren. Markierungen auf deco Einschweigstutzen erleich- tern die Einhaltung dieser M o ntagevorsch rift. M agnetisch-i nd u ktive Durchfluss-Kontrol Iger5te sollen mit einer unge- storten geraden Einlauf- strecke von mindestens 20 x D seitlich an der Rohrleitung eingebaut werden (Hersteller- Einbauvorschriften beachten!). MID 57 7 Einsatzbereiche mit besonderen Anforderungen Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen Fiir MID existieren Zulassungen fiir Einsatz in Ex-Bereichen. Die Zundschutzarten,die zulassigen Einbau-and Einsatzbedingungen sind hersteller-and typenabhangig.Das gilt bei MID mit eigensiche- ren Ausg5ngen auch fur die zulassigen Leitungslangen der Aus- gangssignale.Bei MID in getrennter Ausfuhrung ist auch die Lange der Leitungen zwischen Messwertaufnehmer and Messumformer zu beachten. Eichpflichtiger Verkehr Hersteller-and typenabhangig existieren Bauartzulassungen von MID fiir die Volumenmessung von Kaltwasser,Flussigkeiten auger Wasser and als Volumenmessteile eines Zahlers fur thermische Energie. Messung pulsierenden Durchflusses Folgende Grundbedingungen mussen an die Signalverarbeitung des MID gestellt werden. • Durchflussspitzenwerte,die um mehr als einen Faktor 3 hoher rein konnen als der mittlere Durchfluss,sind linear ohne SSttigung and Obersteuerung schnell and prazise zu verarbeiten. • Die Abtastfrequenz(Zahl der Abtast-Impulse des Messumformers pro Zeiteinheit,s.Abbildung Seite 27)muss minclestens um den Faktor 10 hoher sein als die hochste auftretencle Pulsations- frequenz. • Die Zeitkonstante des Messumformers muss so hoch eingestellt werden,class die Pulsationen des Durchflusses ausreichend gut gemittelt werden and so eine ruhige Anzeige erreicht wird. Die Eignung von MID fur diesen Einsatzfall ist typen-and hersteller- abhangig.Deswegen diesen Einsatz-fall vor Geratebestellung mit dem Lieferanten abklaren! 58 MID 8 Einsatz in Bereichen mit starken Magnetfeldern MID arbeiten auch z.B.in der Nahe der Schmelzelektroden- Zuleitungen von Elektroschmelzofen and in Elektrolyse-Anlagen, in denen Striime> 10 kA erhebliche Magnetfelder verursachen. Voraussetzung fOr einwandfreie Funktion ist hier die richtige Auswahl des MID-Typs and einwandfreie(manchmal etwas aufwendigere) Installation nach Absprache mit dem MID-Lieferanten. Wartung and Prufung von MID Wartungsfrei? Im Prinzip jai MID arbeiten ohne mechanisch bewegteTeile and verschleigen daher vom Prinzip her nicht.Es gibt viele MID,die Ober Jahrzehnte ohne Wartung,Nachkalibrierung,still and unbemerkt ihre Arbeit tun. Wartung bezieht sich daher primar auf Kontrolle eventueller Schaden aufgrund augerer Einflusse,auf Ablagerungen and Abra- sionseinflilsse im Messrohr and Obliche Ausfallmoden.Auf jeden Fall sollten-wie bei alien Armaturen in Rohrleitungen-von Zeit zu Zeit Kontrollen durchgefuhrt werden. Um festzustellen,ob der MID die vorgegebene Messgenauigkeit ein- halt,empfehlen sich augerdem entsprechende PrOfungen.Zunachst die wichtigsten Kontrollen: Sind die Flanschdichtungen dicht? Leckage an den Flanschdichtungen kann zu Korrosionsschaden an Flanschen,Eindringen des Mediums in Innenraum des MID and damit zum Ausfall einer Messung fOhren.Defekte Flanschdichtungen sind zu erneuern,beim Einbau sind die vom MID-Hersteller angege- benen Anzugsdrehmomente zu beachten. MID 59 8 Sind die Anschlussraume von Messwertaufnehmer and Messumformer trocken? Feuchtigkeit in den Anschlussraumen von Messwertaufnehmer oder Messumformer kann zu Messabweichungen oderTotalausfall fuhren. Die Ursache der Undichtigkeit ist zu beheben. Feuchte Anschlussraume sind vor dem Verschliegen auszutrocknen. Danach muss eine elektrische Uberprufung(s.u.and Betriebsan- leitung des Herstellers)durchgefuhrt werden. Prufung der Erdanschliisse auf Korrosion Erdanschlusse k6nnen korrodieren.Es sind die Anschlusse am MID and die Anschlusse der Erdleitungen bis hin zum Zentral-Erder zu prufen. Prufung auf Vibration,Schlage Hinter Verdrangerpumpen oder bei Schnell schliegenden Ventilen konnen starke Vibrationen and Rohrleitungsschlage auftreten.Das kann vor allem bei Kompakt-MID zu Schaden fuhren.Bei starker Vibration ist die Rohrleitung beidseits vom MID abzufangen. Prufung des Messrohres auf Ablagerungen,Abrasion Manche Messstoffe neigen zu Ablagerungen oder Inkrustationen. Dann muss das Messrohr gelegentlich gereinigt werden. Reinigungsverfahren und-intervalle sind abhangig vom Prozess and der Art der Ablagerungen zu w6hlen. Abrasion verandert den Innendurchmesser des Messrohres.Die dadurch verursachten Messabweichungen konnen durch Nachkali- brierung behoben werden.Wenn die Auskleidung zu dunn wird,ist ein kurzfristigerTotalausfall zu erwarten.Deswegen sind MID mit sol- chen Schaden beim Hersteller neu auszukleiden oder zu ersetzen. 60 MID 8 Genauigkeits-Prufung durch Kalibrierung auf einem akkreditierten PrOstand Der MID kann vom Hersteller oiler einem Durchfluss-Kalibrierlabor auf seine Genauigkeit gepruft werden.DafOr muss der MID aus der Rohrleitung ausgebaut werden.Das ist aufwendig,erlaubt aber Kontrolle and Reinigung der Elektroden and Auskleidung. Prufung and Dokumentation mit intelligenten PrOgeraten Die obige Methode„durch Kalibrierung ist kostenintensiv and ver- ursacht meist eine kurzzeitige Betriebsunterbrechung bzw.ist nur bei Anlagen-Stillstand durchfuhrbar. MID-Prufgerat MagCheck pruft and bescheinigt MID MID 61 8 Deswegen werden MID-Prufgerate angeboten,die eine Prufung ohne Ausbau aus der Rohrleitung and eine Aussage Ober die funktionale Genauigkeit erm6glichen. Die neueste Generation liest Ober den Geratebus alle eingestellten Betriebsparameter aus and speichert sie ab.Dann lauft auto- matisch ein Prufprogramm ab,bei deco • der Elektrodenwiderstand, • Feldspulen-Widerstand and-Isolation, • die Genauigkeit and Linearitat der primaren Signalverarbeitung and alter Ausgange gepruft werden. Die gemessenen Daten werden zunachst im Prufgerat gespeichert (bei KROHNE MagCheck bis zu 70 Datensatze ohne Batterie oder Akku oder externen Hilfsenergie-Anschluss wahrend der Gerate- Prufung).Diese Daten werden dann in einen PC heruntergeladen. Ein spezielles Programm • wertet these Messergebnisse gegen vorgegebene Grenzwerte aus, • vergleicht die aktuellen Einstelldaten gegenuber denen bei der letzten Prufung, • warnt bei Veranderungen • erstelltTrendanalysen aller Daten furjede Messstelle and • ein Prufzertifikat,das deco MID eine Messabweichung bezuglich seiner elektrischen and elektronischen Funktion von weniger als 1%gegenuber der Erstkalibrierung bescheinigt,wenn alle gemes- senen Daten perfekt waren. 62 MID 9 Bewahrte MID-Technik Weltweit sind heute(2003)weit mehr als 3 Millionen MID im Einsatz.Sie messen Durchfluss von Baggergut auf Baggerschiffen (z.B.im Roten Meer),zahlen Volumenstr6me von Trink-and Ab- wasser[121,dosieren Flockungsmittel and Chlorl6sungen,messen Bauxit-Slurries in Australien,heige Phosphorsaure and Natronlauge in Chemieunternehmen and dosieren kaltes Cola sekundenschnell and prazise in Flaschen. Burn-in-Test unter Die KROHNE-Stuckprdfung Wechseltemperatur Klimakammer, von Messumformern unter sichert hohe zyklischerTemperaturwechsel Wechseltemperatur -20°C auf+60°C • sichert Einhaltung der garantier- Zuverlassigkeit ten Temperaturkoeffizienten and damit der Messgenauigkeit ..W ""• '•_" W bei wechselnden Umgebungs- temperaturen sichert problemlosen Betrieb im Freien im Winter and in heissen T Sommern 9 reduziert Fruhausfalle im Feld(sie treten schon bei den Tests auf!) Eingangs- Ausgangs- 9 gibt dem Hersteller Einsicht sign ale signale in Komponenten-and L Fertigungs-Qualitat • erlaubt damit fruhzeitige Korrekturmagnahmen Der MID ist ein robustes Betriebsmessgerat geworden,das nach mehr als 50 Jahren Reife im industriellen Einsatz heute seine hohe Zuverlassigkeit,Genauigkeit and Stabilitat taglich in unterschied- lichsten Anwendungen unter Beweis stellt. MID 63 9 Aufgrund hoher Zuverlassigkeit and Genauigkeit,geringer Wartungs- anforderungen,niedriger Leistungsaufnahme and wegen des ver- nachlassigbaren Druckverlustes geh6ren MID zu den Durchfluss- geraten mit den niedrigsten Betriebskosten („Cost of ownership"). Zu dieser hohen Zuverlassigkeit and deco dadurch geringen Aufwand fur die Instandhaltung tragen Burn-In-Tests bei,die KROHNE als Standard-StOckprbfung an jedem auszuliefernden Messumformer durchfbhrt(Prinzip s.Abbildung Seite 63).Durch diesen Test bei Wechseltemperatur werden Fruhausfalle elektroni- scher Komponenten im Hause vorweggenommen.Die Zuverlassigkeit im Feld steigt dadurch erheblich an. Die Kalibrierungjeden einzelnen Durchflussgerates vor ihrer Aus- lieferung auf Prufstanden,die amtlich uberwacht werden and bei verschiedenen Herstellern schon nach EN 17025 akkreditiert sind,ist ein weiterer Punkt,der die messtechnische Qualitat sichert and deco Kunden muhsame Einzelprbfungen and„Vor-Ort-Kali- brierungen"erspart.(Prinzip s.folgende Abbildung). Der Anwendungsbereich fur MID ist in den letzten Jahren durch die Einfuhrung von Zweileiter-MID,von MID fur teilgefullte Rohrlei- tungen,fOr schnelle Abf011anwendungen and „elektrodenlose MID" fOr schwierige Medien spOrbar erweitert worden. 64 MID 9 KROHNE MID-Kalibrierstand bis DN 3000,bis 40.000 ri Unsicherheit: Kalibrierturm, <0.03% H=43 m,V=500 m3 akkreditiert Kalibriervolumen wahrer Wert Hach EN 17025 200.000,01 Daten-Ausgabe, Star[der 7 Start Computer Kalibrierzertifikat Kalibnerung Kalibri 1000.0 0 0,0 1 Volume Prazisions- Impulszahler fur Fiillstandsschalter s p gemessenesVolumen Volumen-Impulse Ende der vom MID, Kalibrierung z.B.1 Imp/Liter Regelventil zur Konstanthaltung des Str6mungs- Dumhf usses gleichrichter Intelligente Priifgerste mit Auswertung der Daten von MID ohne Ausbau aus ihren Messstellen,mit unbestechlicher Beurteilung and Trendanalysen auf deco PC vereinfachen Prufung and Wartung and geben Sicherheit fiber die einwandfreie Funktion einer Messstelle. Mit diesen neuen Methoden,Verfahren,Gersten kommen die Voirteile der magnetisch-induktiven Durchflussmessung auch in Bereichen zum Tragen,fur die bisher kein geeignetes Durchfluss- Messverfahren zur Verfugung stand. MID 65 10 Notwendige Angaben fur Lieferanten Messstoff Bezeichnung(ggf.Formel,)Konzentration,Leitfahigkeit Wenn Feststoffanteile: -Art der Feststoffe(Bezeichnung), Feststoffdichte, -Partikelgr6gen, -Gewichtsanteil ggf.Dichte der gesamten Trube Betriebsbedingungen • Betriebsdruck • Medientemperatur • Durchfluss: Maximalwert Stetig?,Wenn nein: -Kurzzeitig? Geplante Applikation erlautern (z.B.Abfiillvorgang 3-7s,Fullmenge 0,4- 11) -Pulsierend ohne Pulsationsdampfer? Angabe Hubfrequenz,Art der Pumpe (Anzahl derVerdranger,Einzelhub,Doppelhub...) Geratetyp Messwertaufnehmer/ Messumformer • Typ • Kompakt/getrennt(wenn getrennt,Signalleitung mitbestellen!) • Hilfsenergie(Zwei-oder Mehrleiter-MID?Wenn Mehrleiter-MID, welche Spannung?) • Schutzart • Explosionsschutz gefordert? • Prozessanschliisse: -DN -Betriebs-/Auslegungs-/Nenndruck (Bei gr6geren DN kann es Geld sparen,wenn nicht nur ein Nenndruck fur die Festlegung der Fla nsch-Loch kreises,son- dern auch der Auslegungsdruck angegeben wird!) • Auskleidung, • Elektrodenmaterial, • Erdringe:ja?(dann Material angeben)/ nein? 66 MID 10 Hinweise auf besondere Betriebsbedingungen: Extreme Magnetfelder(Elektroschmelzbfen,Elektrolyseanlagen) Sehr hohe Feststoffanteile(s.o) Einstelldaten,z.B: Gewilnschter Messbereichsendwert Analogausgang 4...20 oder 0-20 mA Einstellungen derAusgange KROHNE stellt Ihnen den MID fix and fertig nach Ihren Angaben ein! Einbauen,anschliegen,einschalten,fertig! Zusatzliche Anforderungen • Spezielle Zulassungen • Materialzeugnisse - Prufungen,Priifzeugnisse Normen / Standards fur magnetisch-induktive Durchflussgerate bzw.deren Prufung DIN 19200 EN 29104,ISO 9104 DVGW W420,ISO 13359 ISO 6817 OIML R 117 MID 67 11 Literaturverzeichnis [1] Faraday,M. Experimental Researches in Electricity.Phil.Trans. 15(1832), S. 175 3 [2] Thurlemann,B. Methode zur elektrischen Geschwindigkeitsmessung in Flussigkeiten. Helv.Phys.Acta 14(1941),S.383-419 3 [3] Shercliff,J.A. Relation beween the velocity profile and sensitivity of electromagnetic flowmeters. J.Appl.Phys.25(1954),S.817 3 [4] Engl,W.L. Das induktive Durchflufigerat mit inhomogenem Magnetfeld. Archiv fOr Elektrotechnik,Bd.53. 1970 and Bd.54,1972 4 [5] G.Schommartz: Induktive Str6mungsmessung. VEB VerlagTechnik Berlin(1974). 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Unter seiner Agide leitete KROHNE als erster MID-Hersteller den schnellen Ubergang von Wechselfeld-MID zu geschaltetem Gleich- feld ein.Damit wurde der MID vom teuren wartungsintensiven Exoten fOr extreme Anforderungen zum funktionssicheren wartungs- freien Standard-Betriebsmessger6t. Dabei and in darauf folgenden Positionen in Vertrieb,Service and Prod uktmarketing and bei der damit verbundenen Applikations- beratung und-betreuung auch fbr extreme Anwendungen sammelte Friedrich Hofmann die Erfahrung,die er in den KROHNE-Durchfluss- Publikationen weitergibt. Deutschland 6sterrelch Schweiz KROHNE Messtechnik GmbH&Co.KG KROHNE Austria Ges.m.b.H. KROHNE AG Ludwig-Krohne-Str.5 Modecenterstrafie 14 Uferstr.90 47058 Duisburg A-1030 Wien 4019 Basel TEL.:+49(0)203-301-0 TEL:+43(0)1-203 45 32 TEL.:+41(0)61-638 30 30 FAX: +49(0)203-301 389 FAX: +43(0)1-203 47 78 FAX: +41(0)61-638 30 40 e-mail:info@krohne.de e-mail:info@krohne.at e-mail:info@krohne.ch