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Flügelrad-Sensoren (FA) erfassen die Strömungsgeschwindigkeit über eine kleine «Turbine», welche typischerweise über ca. vier einzelne Flügel verfügt. Der im Sondenkopf integrierte Näherungsinitiator detektiert die vorbei-laufenden Flügel. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto öfter passieren Flügel den Initiator und somit ist es möglich, aus dem Messsignal (Frequenz) die Strömungsgeschwindigkeit abzuleiten.
FA-Sensoren eignen sich für die Messung an Gasen und Flüssigkeiten, bei tiefen Strömungsgeschwindigkeiten und sind eher für den mobilen Einsatz vorgesehen. Spezielle Ausführungen sind beständig bis 500 °C Medientemperatur. Die Temperaturbeständigkeit beträgt -40 bis 550 °C.
Vortex-Sensoren (VA) erfassen ähnlich wie FA-Sensoren eine Frequenz. Jedoch wird hier die Anzahl Ablösewirbel pro Zeiteinheit gezählt – die Anzahl ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Der im Sondenkopf integrierte Störkörper sorgt dafür, dass sich bei bereits sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten ab 0.5 m/s eine Wirbelstrasse ausbildet (siehe auch Kármánsche Wirbelstrasse). Die Wirbelablösefrequenz wird von Ultraschall-Sensoren erfasst und in eine Strömungsgeschwindigkeit umgerechnet.
Produkte: Vortex-Sensoren für Gase
Siehe auch Erklärvideo.
VA-Sensoren kommen gänzlich ohne bewegliche Teile aus und eignen sich somit für den Dauereinsatz bei rauen Umgebungsbedingungen (z.B. bei partikel-beladenen Gasen oder wenn sich Kondensat bildet). Spezielle Ausführungen sind beständig bis 240 °C Medientemperatur. Die Temperaturbeständigkeit beträgt -25 bis 240 °C.
Thermische Sensoren (TA) verfügen über ein auf konstanter Temperatur gehaltenes Heizelement. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit (bzw. der Massenstrom) des zu messenden Mediums (Gas), desto höher ist der erforderliche elektrische Strom, um das Heizelement auf konstanter Temperatur zu halten. Genauer wird das Heizelement auf einer Temperatur leicht über Umgebungstemperatur gehalten. Das Messignal ist somit proportional zum Massenstrom.
Produkte: Thermische Strömungssensoren für Gase
Siehe auch Erklärvideo.
TA-Sensoren kommen gänzlich ohne bewegliche Teile aus und eignen sich für Dauer- aber auch mobile Messungen an sauberen und kondensatfreien Gasen.
Ultraschall-Durchflusssensoren arbeiten nach dem Laufzeitdifferenzverfahren. D.h. zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit wird die Differenz von zwei Laufzeiten ermittelt – Laufzeit von Ultraschallsignal in und entgegen der Strömungsrichtung. Bei einem ruhenden Medium ist diese Differenz 0. Ist das Medium jedoch in Bewegung, so ist die Laufzeit von Sender zu Empfänger in Strömungsrichtung kürzer, im Vergleich zur Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung. Das Vorzeichen dieser Differenz liefert die Strömungsrichtung.
Für die Montage bzw. Integration in einer Anlage können die Typen FA, VA oder TA über eine Bohrung in das Leitungssystem eingebracht werden – hierbei wird auch von “Insertionsproben” gesproche. Die Montage erfolgt dann in der Regel über sogenannte Sondenführungsteile. Eine zweite Montage-Möglichkeit wird über Messstrecken realisiert. Hierbei muss das Rohr aufgetrennt werden und die Messstrecke wird als “Rohrabschnitt” verbaut.
Flügelräder (FA) können in beide Richtungen betrieben werden. Für die Erkennung der Strömungsrichtung gibt es spezielle Ausführungen FAR (Flügelrad mit Richtungserkennung) VAR (Vortex mit Richtungserkennung).
Bei Vortex-Sonden (VA) und thermische Sensoren (TA) ist neben der Ausrichtung in Strömungsrichtung auch auf die Orientierung zu achten (Pfeil an Sondenkopf und Gehäuse beachten) – siehe auch Richtungszeiger.
Wahlweise können Umformer ein Spannungs- (0-10 V) oder Stromsignal (4-20 mA) liefern, welches proportional zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. Massen- oder Volumenstrom ist. Die Skalierung (Endwert) kann mittels Software eingestellt werden.
Umformer verfügen in der Regel auch über einen Grenzwertkontakt (Relais) bzw. einen Impuls-Ausgang. Für letzteren kann die Menge (Volumen) pro Puls definiert werden. Bei Sensoren mit Richtungserkennung (z.B. FAR) kann das Relais für die Ausgabe der Strömungsrichtung verwendet werden.
Bei Sensorsystemen mit ATEX-Zulassung ist bei externen Umformern (UFA und UVA) zusätzlich ein Trennspeisegerät erforderlich.
Weitere Schnittstellen (je nach Ausführung): HART, WiFi, M-Bus, RS232
Mit dem Profilfaktor PF (siehe Tabellenwert) lässt sich die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bestimmen. Es handelt sich also um einen Faktor zur Umrechnung von punktueller zu mittlerer Geschwindigkeit.
v_m = PF \cdot v_p
Der Profilfaktor bezieht sich in der Regel auf Rohre mit kreisförmigem Querschnitt. Wird beispielsweise in einem rechteckigen Kanal gemessen, kann näherungsweise der Profilfaktor für kreisförmige Querschnitte mit gleicher Fläche verwendet werden, also
\pi \cdot r^2= a \cdot b
Ein Profilfaktor von 1 bedeutet, dass das Ausgangssignal der punktuellen Strömungsgeschwindigkeit entspricht.
Vom Messprinzip her erfassen Flügelrad-, Vortex- und thermische Sensoren die Strömungsgeschwindigkeit punktuell, das heisst an einer bestimmten Stelle im Raum.
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht die Berechnung des Volumenstromes, sprich das Volumen, welches pro Zeiteinheit durch einen definierten Querschnitt transportiert wird. Unter Angabe des Profilfaktors (PF, Tabellenwert), kann ein Strömungssensor die mittlere Strömungsgeschwindigkeit direkt ausgeben. Voraussetzungen dazu sind: rohrmittige Sensorpositionierung, drallfreie Zuströmung und zulässige Ein- bzw. Auslaufstrecken.
Strömungssensoren werden in der Regel über einen Stutzen, Flansch oder ähnliches mittig im Strömungskanal positioniert. Das Strömungsprofil ist je nach Rohrgeometrie/-Verlauf gestört. Für eine verlässliche Messung (insbesondere, wenn z.B. der Volumenstrom bestimmt werden soll) ist ein ungestörtes Strömungsprofil Voraussetzung. Die Distanz zwischen z.B. einem Rohrbogen, einer Reduktion etc. und dem Sondenkopf wird Einlaufstrecke genannt. Die Distanz zwischen Sondenkopf und nächster Umlenkung der Strömungsrichtung wird Auslaufstrecke genannt. Je nach Art der Strömungsumlenkung bzw. -Veränderung sind längere oder kürzere Ein- und Auslaufstrecken erforderlich. Bei einer 90°-Umlenkung gilt z.B.:
20 \cdot D_i Einlaufstrecke und 5 \cdot D_i Auslaufstrecke (D_i : Innendurchmesser des Rohres)
Mittels Gleichrichter (meist wabenförmige Struktur) kann ein gestörtes Strömungsprofil (beispielsweise, wenn ein Drall vorliegt) normalisiert bzw. beruhigt werden. Siehe auch Erklärvideo (Drallmodell).
Ein Richtungszeiger erlaubt die optimale Ausrichtung einer Messsonde, nachdem diese z.B. über einen Rohrstutzen in den Strömungskanal eingefahren wurde. Für eine verlässliche und korrekte Messung sollte die Messsonde immer in Strömungsrichtung ausgerichtet sein.
Bei Flügelrad- und Vortex-Sensoren ist zwar eine leichte Abweichung von der Nennlage unproblematisch, jedoch nicht empfohlen. Dabei gilt, je grösser der Sondenkopf desto weniger kritisch ist eine Verdrehung (Abweichung von der Nennlage).
Thermische Sensoren (TA):
Normtemperatur: 21 °C, (294.15 K), Normdruck: 1014 hPa – in der Regel kann im Mess-Umformer, Handgerät etc. jedoch auch eine benutzerdefinierte Normbasis eingegeben werden.
Vortex- (VA) und Flügelrad-Sensoren (FA):
Normtemperatur: 0 °C, (273.15 K), Normdruck: 1013 hPa – in der Regel kann im Mess-Umformer, Handgerät etc. jedoch auch eine benutzerdefinierte Normbasis eingegeben werden.