Durchflussermittlung in vollgefüllten Rohren mittels Laufzeitdifferenzverfahren

Dipl.- Ing. (FH) Ralf Brüning, Januar 2016

Einleitung

Viele Prozesse sind abhängig von der Wasserversorgung wie z.B. Kühlprozesse in der Chemie oder Energiegewinnung bei hydroelektrischen Anlagen. Der Umgang mit Wasser als Investitionsgut oder zur Erhaltung von Prozessen gewinnt immer mehr an Bedeutung.

Gerade bei großen Geometrien wird die Ermittlung der Wassermenge immer wichtiger. Bei Kühl- oder Frischwasserprozessen gilt es, eine genaue Aufnahme des Durchflusses zu erstellen oder Einzelverbräuche und Entnahmemengen zu dokumentieren oder zu steuern. Dabei ist die Ermittlung des Durchflusses, besonders in großen Geometrien, überaus anspruchsvoll. Hier bietet sich das Laufzeitdifferenzverfahren durch seine hohe Flexibilität als zuverlässiges und kostengünstiges Messsystem für die stationäre Messung des Durchflusses geradezu an.

Sicherstellung der Wasserversorgung

Für viele Prozesse ist die Vorgabe, so wenig Frischwasser wie möglich zuzuführen. Ebenso müssen ständig Wasserzugaben oder -entnahmen in ihrer Menge überwacht werden. All diese Aufgaben erfordern eine permanente Ermittlung und Kontrolle des Durchflusses. Da es sich hierbei in der Regel um Systeme innnerhalb großer Areale handelt, ist die Anbindung an ein übergeordnetes System (z.B. SCADA Systeme) unerlässlich.

Konzeption und Auswahl der Messtechnik

Um eine kontinuierliche Aufnahme des Durchflusses zu gewährleisten, benötigt man ein Messsystem, mit dessen Hilfe sich die Mediumgeschwindigkeit über die gesamte durchflossene Fläche ermitteln lässt. Dies ist vor allem bei wechselnden Fließbedingungen wichtig. Viele gängige Messsysteme lassen entweder nur punktuelle Geschwindigkeitsbestimmungen zu oder verfügen nicht über die erforderliche Eindringtiefe. Einige Messsysteme sind bei der Installation oder im Betrieb schlichtweg zu kosten- beziehungsweise personalintensiv. Ebenso ist die Messung hoher Mediumsgeschwindigkeiten für viele Systeme eine nicht lösbare Aufgabe. Eine kostengünstige Methode, um sichere Erkenntnisse über den vorherrschenden Ablauf / Durchfluss zu erlangen, ist die Messung mittels Ultraschalllaufzeitdifferenzverfahren. Diese Systeme zeichnen sich durch ihren niedrigen Wartungsbedarf und ihre hohe Betriebssicherheit aus. Sie lassen sich flexibel in nahezu allen erdenklichen Rohrgrößen und Medien einsetzen. Darüber hinaus bietet das Messverfahren gegenüber anderen den Vorteil, dass es weitgehend unabhängig ist von den Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit, wie elektrische Leitfähigkeit, wechselnde Temperatur oder Viskosität.

Dieses Messprinzip beruht auf der direkten Messung der Laufzeit eines akustischen Signals zwischen zwei Ultraschallsensoren. Diese Sensoren bezeichnet man auch als hydroakustische Wandler. Zwei Schallimpulse werden jeweils nacheinander gesendet und die unterschiedlichen Laufzeiten zwischen Sender und Empfänger gemessen. Der stromabwärts gerichtete Schall erreicht den Empfänger in kürzerer Zeit als der stromaufwärts gesendete Schall.

Die Messung der benötigten Zeiten erfolgt durch hochgenaue Zeitmessungen und eine Signalkorrelation. Diese Signalkorrelation vergleicht das gesendete und das vom gegenüberliegenden Wandler empfangene Signal. Der Vergleich ermöglicht somit die Bestimmung des exakten Zeitpunktes des Aussendens und Empfangens des Messsignals. Die Differenz dieser beiden ermittelten Zeiten verhält sich proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit im Messpfad.

Benutzt man nun mehrere Messpfade, so erhält man mehr Informationen über das an der Messstelle vorliegende Strömungsprofil. Der Gesamtdurchfluss ist dann die Summe der Einzeldurchflüsse. Die Nutzung mehrerer Messpfade erhöht damit die Genauigkeit der Durchflussermittlung. Der Aufbau einer Mehrstrahlmessung in Kreuzanordnung verringert den Einfluss durch störende Querströmungen zur Hauptfließrichtung. Querströmungen können das Messergebnis verfälschen. Bei Verwendung einer Mehrstrahlmessung können auch die Zu- und Auslaufstrecken, die für ein beruhigtes Strömungsprofil an der Messstelle sorgen, reduziert werden.

Durch neuartige CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) und ausgiebige Untersuchungen an namhaften Instituten wurden auch die Einflüsse und das Verhalten von Strömungsprofilen nach Standardstörungen untersucht. Durch die Resultate können Strömungsprofile nach Bögen und andersartigen Störungen nun in Berechnungsmodellen direkt im Messumformer des Messsystems eingesetzt werden. Lediglich die Art und Entfernung der letzten Störung zur Messung müssen noch eingegeben werden. Die Messung bestimmt hieraus automatisch die zu verwendenden Korrekturfaktoren. Das Ergebnis der Durflussmessung ist somit hochgenau und kann nun auch mit geringen Beruhigungs- / Zulaufstrecken verwendet werden.

Der neue Gerätetyp der Fa. NIVUS GmbH ermöglicht das Laufzeitdifferenzverfahren sowohl als invasive Messung als auch als Clamp-On System zu verwenden. Hierbei ist die Wahl des verwendeten Sensortyps von den Gegebenheiten an der Messstelle abhängig. Messungen mit der höchsten Genauigkeit werden durch die Verwendung von benetzten Sensoren als Mehrpfadsystem in definierter Anordnung erzielt. Ist es nicht möglich die Sensoren in den Prozess einzubringen (abrasive, korrosive, oder anderweitig problematische Medien), können die Sensoren ohne Unterbrechung des Prozesses von außen an die Rohrleitung angebracht werden (Clamp-On Messsystem).

Realisierung einer Messung

Aufgabe des aufgezeigten Beispiels: Die Durchflussmenge und die Fließgeschwindigkeit in einer Trinkwasserzuleitung eines Versorgungsnetzbetreibers zur Langzeitaufzeichnung sollen archiviert werden.

Der Genauigkeitsanspruch an der Messstelle ist sehr hoch, da die Messstelle als Abrechnungsmessstelle verwendet werden soll. Zum Einsatz kam ein System der Fa. NIVUS GmbH (NivuFlow 600). Es wurden invasive Sensoren verwendet. Diese Sensoren wurden über Anbohrstutzen in das Rohr eingebracht. Somit konnten die Messwerte dem nachgeschalteten SCADA-System über eine Datenverbindung in der geforderten Genauigkeit zur Verfügung gestellt werden. Die Vielfältigkeit der Sensoren und des Installationsmaterials ermöglichen die Messwertaufnahme an verschiedensten Messstellen.

Im Zuge der Ersatzteilhaltung kann hier sehr minimalistisch gedacht werden:

Keine Vorhaltung von durchmesserspezifischen Teilen. Ein Messsystem für nahezu alle Rohrdurchmesser und Messstellen.

Zusammenfassung

Durchflussmessungen nach dem Ultraschalllaufzeitdifferenzverfahren sind nicht nur seit langer Zeit erprobt. Sie haben sich im Einsatz bewährt und zeichnen sich durch hohe Genauigkeiten und Flexibilität in ihrer Einsetzbarkeit an verschiedensten Messstellen aus. Durch seine Robustheit und Wartungsfreundlichkeit ist das Ultraschalllaufzeitdifferenzverfahren für Messungen in Rohren kleinerer Dimensionen (z.B. Prozesswässer oder Kühlwasser) ebenso geeignet, wie für stationäre Messungen an herausfordernden Messstellen (z.B. große Rohrdurchmesser, hydroelektrische Anlagen, große Prozesswassermengen und verschiedenste Medien). Die Vorteile des Messverfahrens wurden jedoch bei Geräten neuerer Generation noch erheblich erweitert. Unter anderem wurden die Reichweiten und Genauigkeiten bei der Durchflussermittlung deutlich erhöht.

Fachartikel NivuFlow 600

Literatur

EN ISO 6416 (2005), Messung des Abflusses mit dem Ultraschallverfahren (akustisches Verfahren)

EN ISO 748:2000 (2000), Durchflussmessung in offenen Gerinnen

Dr. Solliec, Laurent. (2013). Real time flow rate modelling in disturbed conditions from velocity profilers. Straßburg.

Technische Unterlagen der Fa. NIVUS GmbH, Eppingen (2016)

Autor

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Brüning

Nivus GmbH

Im Täle 2

75031 Eppingen

Stand: Januar 2016
Die NIVUS Gruppe ist ein führender Entwickler, Produzent und Lieferant von Ultraschallmesstechnik für die Wasserwirtschaft. Sie beschäftigt sich seit über 25 Jahren mit Durchfluss-, Abfluss- und Pegelmessungen sowie Datenprotokollierung und -übertragung.
Das Unternehmen hat seinen Sitz in Eppingen und ist mit 7 internationalen Niederlassungen und über 40 Distributoren auch weltweit tätig.
NIVUS GmbH
Martin Müller
Im Täle 2
75031 Eppingen
martin.mueller@nivus.com
072629191832
http://www.nivus.de

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Dipl.- Ing. (FH) Ralf Brüning, Januar 2016

Einleitung

Viele Prozesse sind abhängig von der Wasserversorgung wie z.B. Kühlprozesse in der Chemie oder Energiegewinnung bei hydroelektrischen Anlagen. Der Umgang mit Wasser als Investitionsgut oder zur Erhaltung von Prozessen gewinnt immer mehr an Bedeutung.

Gerade bei großen Geometrien wird die Ermittlung der Wassermenge immer wichtiger. Bei Kühl- oder Frischwasserprozessen gilt es, eine genaue Aufnahme des Durchflusses zu erstellen oder Einzelverbräuche und Entnahmemengen zu dokumentieren oder zu steuern. Dabei ist die Ermittlung des Durchflusses, besonders in großen Geometrien, überaus anspruchsvoll. Hier bietet sich das Laufzeitdifferenzverfahren durch seine hohe Flexibilität als zuverlässiges und kostengünstiges Messsystem für die stationäre Messung des Durchflusses geradezu an.

Sicherstellung der Wasserversorgung

Für viele Prozesse ist die Vorgabe, so wenig Frischwasser wie möglich zuzuführen. Ebenso müssen ständig Wasserzugaben oder -entnahmen in ihrer Menge überwacht werden. All diese Aufgaben erfordern eine permanente Ermittlung und Kontrolle des Durchflusses. Da es sich hierbei in der Regel um Systeme innnerhalb großer Areale handelt, ist die Anbindung an ein übergeordnetes System (z.B. SCADA Systeme) unerlässlich.

Konzeption und Auswahl der Messtechnik

Um eine kontinuierliche Aufnahme des Durchflusses zu gewährleisten, benötigt man ein Messsystem, mit dessen Hilfe sich die Mediumgeschwindigkeit über die gesamte durchflossene Fläche ermitteln lässt. Dies ist vor allem bei wechselnden Fließbedingungen wichtig. Viele gängige Messsysteme lassen entweder nur punktuelle Geschwindigkeitsbestimmungen zu oder verfügen nicht über die erforderliche Eindringtiefe. Einige Messsysteme sind bei der Installation oder im Betrieb schlichtweg zu kosten- beziehungsweise personalintensiv. Ebenso ist die Messung hoher Mediumsgeschwindigkeiten für viele Systeme eine nicht lösbare Aufgabe. Eine kostengünstige Methode, um sichere Erkenntnisse über den vorherrschenden Ablauf / Durchfluss zu erlangen, ist die Messung mittels Ultraschalllaufzeitdifferenzverfahren. Diese Systeme zeichnen sich durch ihren niedrigen Wartungsbedarf und ihre hohe Betriebssicherheit aus. Sie lassen sich flexibel in nahezu allen erdenklichen Rohrgrößen und Medien einsetzen. Darüber hinaus bietet das Messverfahren gegenüber anderen den Vorteil, dass es weitgehend unabhängig ist von den Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit, wie elektrische Leitfähigkeit, wechselnde Temperatur oder Viskosität.

Dieses Messprinzip beruht auf der direkten Messung der Laufzeit eines akustischen Signals zwischen zwei Ultraschallsensoren. Diese Sensoren bezeichnet man auch als hydroakustische Wandler. Zwei Schallimpulse werden jeweils nacheinander gesendet und die unterschiedlichen Laufzeiten zwischen Sender und Empfänger gemessen. Der stromabwärts gerichtete Schall erreicht den Empfänger in kürzerer Zeit als der stromaufwärts gesendete Schall.

Die Messung der benötigten Zeiten erfolgt durch hochgenaue Zeitmessungen und eine Signalkorrelation. Diese Signalkorrelation vergleicht das gesendete und das vom gegenüberliegenden Wandler empfangene Signal. Der Vergleich ermöglicht somit die Bestimmung des exakten Zeitpunktes des Aussendens und Empfangens des Messsignals. Die Differenz dieser beiden ermittelten Zeiten verhält sich proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit im Messpfad.

Benutzt man nun mehrere Messpfade, so erhält man mehr Informationen über das an der Messstelle vorliegende Strömungsprofil. Der Gesamtdurchfluss ist dann die Summe der Einzeldurchflüsse. Die Nutzung mehrerer Messpfade erhöht damit die Genauigkeit der Durchflussermittlung. Der Aufbau einer Mehrstrahlmessung in Kreuzanordnung verringert den Einfluss durch störende Querströmungen zur Hauptfließrichtung. Querströmungen können das Messergebnis verfälschen. Bei Verwendung einer Mehrstrahlmessung können auch die Zu- und Auslaufstrecken, die für ein beruhigtes Strömungsprofil an der Messstelle sorgen, reduziert werden.

Durch neuartige CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) und ausgiebige Untersuchungen an namhaften Instituten wurden auch die Einflüsse und das Verhalten von Strömungsprofilen nach Standardstörungen untersucht. Durch die Resultate können Strömungsprofile nach Bögen und andersartigen Störungen nun in Berechnungsmodellen direkt im Messumformer des Messsystems eingesetzt werden. Lediglich die Art und Entfernung der letzten Störung zur Messung müssen noch eingegeben werden. Die Messung bestimmt hieraus automatisch die zu verwendenden Korrekturfaktoren. Das Ergebnis der Durflussmessung ist somit hochgenau und kann nun auch mit geringen Beruhigungs- / Zulaufstrecken verwendet werden.

Der neue Gerätetyp der Fa. NIVUS GmbH ermöglicht das Laufzeitdifferenzverfahren sowohl als invasive Messung als auch als Clamp-On System zu verwenden. Hierbei ist die Wahl des verwendeten Sensortyps von den Gegebenheiten an der Messstelle abhängig. Messungen mit der höchsten Genauigkeit werden durch die Verwendung von benetzten Sensoren als Mehrpfadsystem in definierter Anordnung erzielt. Ist es nicht möglich die Sensoren in den Prozess einzubringen (abrasive, korrosive, oder anderweitig problematische Medien), können die Sensoren ohne Unterbrechung des Prozesses von außen an die Rohrleitung angebracht werden (Clamp-On Messsystem).

Realisierung einer Messung

Aufgabe des aufgezeigten Beispiels: Die Durchflussmenge und die Fließgeschwindigkeit in einer Trinkwasserzuleitung eines Versorgungsnetzbetreibers zur Langzeitaufzeichnung sollen archiviert werden.

Der Genauigkeitsanspruch an der Messstelle ist sehr hoch, da die Messstelle als Abrechnungsmessstelle verwendet werden soll. Zum Einsatz kam ein System der Fa. NIVUS GmbH (NivuFlow 600). Es wurden invasive Sensoren verwendet. Diese Sensoren wurden über Anbohrstutzen in das Rohr eingebracht. Somit konnten die Messwerte dem nachgeschalteten SCADA-System über eine Datenverbindung in der geforderten Genauigkeit zur Verfügung gestellt werden. Die Vielfältigkeit der Sensoren und des Installationsmaterials ermöglichen die Messwertaufnahme an verschiedensten Messstellen.

Im Zuge der Ersatzteilhaltung kann hier sehr minimalistisch gedacht werden:

Keine Vorhaltung von durchmesserspezifischen Teilen. Ein Messsystem für nahezu alle Rohrdurchmesser und Messstellen.

Zusammenfassung

Durchflussmessungen nach dem Ultraschalllaufzeitdifferenzverfahren sind nicht nur seit langer Zeit erprobt. Sie haben sich im Einsatz bewährt und zeichnen sich durch hohe Genauigkeiten und Flexibilität in ihrer Einsetzbarkeit an verschiedensten Messstellen aus. Durch seine Robustheit und Wartungsfreundlichkeit ist das Ultraschalllaufzeitdifferenzverfahren für Messungen in Rohren kleinerer Dimensionen (z.B. Prozesswässer oder Kühlwasser) ebenso geeignet, wie für stationäre Messungen an herausfordernden Messstellen (z.B. große Rohrdurchmesser, hydroelektrische Anlagen, große Prozesswassermengen und verschiedenste Medien). Die Vorteile des Messverfahrens wurden jedoch bei Geräten neuerer Generation noch erheblich erweitert. Unter anderem wurden die Reichweiten und Genauigkeiten bei der Durchflussermittlung deutlich erhöht.

Fachartikel NivuFlow 600

Literatur

EN ISO 6416 (2005), Messung des Abflusses mit dem Ultraschallverfahren (akustisches Verfahren)

EN ISO 748:2000 (2000), Durchflussmessung in offenen Gerinnen

Dr. Solliec, Laurent. (2013). Real time flow rate modelling in disturbed conditions from velocity profilers. Straßburg.

Technische Unterlagen der Fa. NIVUS GmbH, Eppingen (2016)

Autor

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Brüning

Nivus GmbH

Im Täle 2

75031 Eppingen

Stand: Januar 2016
Die NIVUS Gruppe ist ein führender Entwickler, Produzent und Lieferant von Ultraschallmesstechnik für die Wasserwirtschaft. Sie beschäftigt sich seit über 25 Jahren mit Durchfluss-, Abfluss- und Pegelmessungen sowie Datenprotokollierung und -übertragung.
Das Unternehmen hat seinen Sitz in Eppingen und ist mit 7 internationalen Niederlassungen und über 40 Distributoren auch weltweit tätig.
NIVUS GmbH
Martin Müller
Im Täle 2
75031 Eppingen
martin.mueller@nivus.com
072629191832
http://www.nivus.de

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