Wie viel Flüssigkeit fließt tatsächlich durch eine bestehende Rohrleitung? Für diese Frage musste früher häufig ein Durchflussmesser direkt in die Leitung eingebaut werden. Das bedeutet Eingriffe in das Rohrsystem, mögliche Anlagenstillstände und zusätzlichen Montageaufwand. Eine interessante Alternative sind Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmessgeräte. Ihre Sensoren werden außen auf der Rohrleitung befestigt und ermöglichen dadurch eine nicht invasive Messung.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für mobile Kontrollmessungen, Wartung, Inbetriebnahme und die Überprüfung bestehender Anlagen. Unter geeigneten Bedingungen lassen sich Strömungsgeschwindigkeit und Volumenstrom erfassen, ohne die Rohrleitung zu öffnen oder den laufenden Prozess zu unterbrechen.
Passende Geräte finden Sie bei den PCE Druck- und Durchflussmessgeräten von TOPA.
Wie funktioniert eine Durchflussmessung mit Ultraschall?
Bei einem Clamp-on-Durchflussmessgerät werden zwei Ultraschallsensoren von außen an der Rohrleitung befestigt. Die Sensoren können Ultraschallimpulse senden und empfangen. Dabei werden Signale sowohl mit als auch entgegen der Strömungsrichtung durch das Rohr und die darin befindliche Flüssigkeit übertragen.
Durch die Bewegung der Flüssigkeit unterscheiden sich die Laufzeiten der Ultraschallsignale geringfügig. Aus dieser Laufzeitdifferenz kann das Messgerät die Strömungsgeschwindigkeit bestimmen. Zusammen mit den eingegebenen Rohrdaten lässt sich daraus der Volumenstrom berechnen.
Das Messprinzip hat einen wesentlichen Vorteil: Die Sensoren müssen nicht mit dem Medium in Kontakt kommen. Die Rohrleitung bleibt geschlossen und der Druckverlust im System wird durch die Messung nicht verändert.
Welche Werte kann ein Ultraschall-Durchflussmessgerät bestimmen?
Die Durchflussmessung liefert zunächst die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Daraus kann das Gerät unter Berücksichtigung der Rohrabmessungen den Volumenstrom berechnen, beispielsweise in Litern pro Minute oder Kubikmetern pro Stunde. Zusätzlich kann die insgesamt durchgeflossene Flüssigkeitsmenge erfasst werden.
Bei Geräten wie der PCE-TDS 200 Serie werden dafür vor Beginn der Messung die relevanten Daten zur Rohrleitung und zum Medium eingegeben. Dazu gehören beispielsweise Rohrmaterial, Rohrdurchmesser, Wandstärke und die Eigenschaften der Flüssigkeit.
Diese Angaben sind wichtig, weil sich Ultraschall abhängig von Material und Medium unterschiedlich ausbreitet. Eine Clamp-on-Messung ist deshalb kein Verfahren, bei dem die Sensoren einfach an einer beliebigen Stelle angesetzt werden und automatisch unter allen Bedingungen einen korrekten Durchflusswert liefern.
Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein?
Eine wichtige Voraussetzung ist eine vollständig mit Flüssigkeit gefüllte Rohrleitung. Luftpolster oder größere Gasanteile können die Ausbreitung des Ultraschalls erheblich beeinflussen. Auch stark verschmutzte oder mit vielen Feststoffen beziehungsweise Gasblasen belastete Flüssigkeiten können die Messung erschweren.
Ebenso wichtig ist eine geeignete Messstelle. Direkt hinter Pumpen, Ventilen, Bögen, Verzweigungen oder anderen Bauteilen kann die Strömung stark verwirbelt sein. Für zuverlässige Messungen sollte deshalb möglichst ein gerader Rohrabschnitt gewählt werden, an dem sich eine ausreichend gleichmäßige Strömung ausbilden kann.
Auch der Zustand der Rohrleitung spielt eine Rolle. Starke Korrosion, dicke Beschichtungen, ungeeignete Auskleidungen oder Ablagerungen an der Rohrinnenseite können das Ultraschallsignal abschwächen oder verändern.
Eine gute Signalqualität ist daher ein wesentlicher Bestandteil einer zuverlässigen Clamp-on-Durchflussmessung.
Warum wird Koppelgel benötigt?
Zwischen Ultraschallsensor und Rohrwand darf sich möglichst keine störende Luftschicht befinden. Luft überträgt Ultraschall erheblich schlechter als feste Materialien oder Flüssigkeiten.
Deshalb wird zwischen Sensor und Rohrwand ein spezielles Ultraschall-Koppelgel aufgetragen. Es stellt eine zuverlässige akustische Verbindung zwischen Sensor und Rohr her.
Die Sensoren werden anschließend im vom Messgerät beziehungsweise Messverfahren vorgegebenen Abstand auf der Rohrleitung positioniert. Dieser Abstand hängt unter anderem vom Rohrdurchmesser, der Wandstärke, dem Material und der gewählten Sensoranordnung ab.
Typische Einsatzgebiete der Clamp-on-Durchflussmessung
Besonders interessant ist die Technik dort, wo eine bestehende Anlage überprüft werden soll, ohne Veränderungen an der Rohrleitung vorzunehmen. In der Instandhaltung lässt sich beispielsweise kontrollieren, ob Pumpen und Anlagen tatsächlich den erwarteten Volumenstrom liefern. Bei einer Inbetriebnahme können berechnete oder geplante Durchflusswerte mit der Realität verglichen werden.
Auch bei der Fehlersuche kann die mobile Messung hilfreich sein. Weicht die Leistung eines Kühl-, Heiz- oder Prozesskreislaufs von den Erwartungen ab, lässt sich überprüfen, ob tatsächlich die vorgesehene Flüssigkeitsmenge transportiert wird.
Da die Sensoren wieder entfernt werden können, eignet sich das Verfahren außerdem für temporäre Messungen an unterschiedlichen Anlagen. Ein mobiles Messgerät kann nacheinander an verschiedenen Rohrabschnitten eingesetzt werden.
Clamp-on oder fest eingebauter Durchflussmesser?
Beide Verfahren haben ihre Berechtigung. Ein fest installierter Durchflussmesser ist sinnvoll, wenn ein Prozess permanent überwacht oder der Messwert dauerhaft an eine Steuerung übertragen werden soll. Dafür muss das Messgerät jedoch in das Rohrsystem integriert werden.
Ein mobiles Clamp-on-Gerät eignet sich dagegen besonders für vorübergehende Messungen, Wartung, Serviceeinsätze oder die Prüfung mehrerer Anlagen. Weil keine Rohrleitung geöffnet werden muss, kann der Installationsaufwand erheblich geringer sein.
Welche Lösung sinnvoller ist, hängt deshalb vor allem davon ab, ob eine permanente Prozessmessung oder eine flexible Kontrollmessung benötigt wird.
PCE-TDS 200 S für kleinere Rohrdimensionen
Das PCE-TDS 200 S Ultraschall-Durchflussmessgerät wird mit einem kompakten Sensorpaar für Rohrdimensionen von DN 15 bis DN 100 angeboten.
Die Sensoren werden außen auf der Rohrleitung befestigt. Das Gerät erfasst Strömungsgeschwindigkeit, Volumenstrom und durchgeflossenes Volumen. Der Messbereich für die Strömungsgeschwindigkeit reicht bis ±32 m/s bei einer Auflösung von 0,001 m/s.
Ein interner Datenlogger ermöglicht außerdem die Aufzeichnung längerer Messreihen. Dadurch lässt sich nicht nur ein einzelner Momentanwert betrachten, sondern beispielsweise untersuchen, wie sich der Durchfluss während eines Betriebszyklus verändert.
PCE-TDS 200 SM für DN 15 bis DN 700
Wer an unterschiedlichen Rohrdimensionen messen möchte, kann mit dem PCE-TDS 200 SM einen deutlich größeren Bereich abdecken.
Zum Lieferumfang gehören zwei Sensorpaare. Das kleinere Sensorpaar ist für DN 15 bis DN 100 vorgesehen, das größere für DN 50 bis DN 700. Damit eignet sich die Ausführung besonders für Service, Instandhaltung und andere Anwendungen, bei denen regelmäßig an unterschiedlichen Anlagen und Rohrdimensionen gemessen wird.
Auch hier werden die Sensoren von außen angebracht. Die Rohrleitung muss weder getrennt noch angebohrt werden.
Durchfluss und Wärmemenge gleichzeitig bestimmen
Bei Heizungs-, Kühl- und Wärmekreisläufen ist häufig nicht allein der Volumenstrom interessant. Entscheidend kann vielmehr sein, welche Wärmeleistung tatsächlich übertragen wird.
Das PCE-TDS 200+ SM mit Wärmemengenmessung erweitert die Durchflussmessung deshalb um zwei Temperaturfühler. Diese erfassen die Temperaturen beispielsweise an Vorlauf und Rücklauf.
Aus dem gemessenen Volumenstrom, der Temperaturdifferenz und den hinterlegten Mediumeigenschaften kann das Gerät die Wärmeleistung beziehungsweise Wärmemenge bestimmen. Dadurch eignet sich diese Variante besonders zur Untersuchung von Heizungsanlagen, Kühlkreisläufen und anderen thermischen Systemen.
Welche Fehler können eine Durchflussmessung verfälschen?
Eine der häufigsten Fehlerquellen ist eine ungeeignete Messstelle. Turbulenzen hinter Rohrbögen, Pumpen oder Armaturen können die Messung beeinflussen. Auch falsch eingegebene Rohrabmessungen wirken sich direkt auf den berechneten Volumenstrom aus.
Weitere mögliche Ursachen sind ein falscher Sensorabstand, eine unzureichende akustische Kopplung, ungeeignete Rohrmaterialien oder eine nicht vollständig gefüllte Rohrleitung. Bei beschichteten oder ausgekleideten Rohren müssen außerdem die zusätzlichen Materialschichten berücksichtigt werden.
Das Messgerät selbst kann daher nur so zuverlässig arbeiten wie die Informationen und Messbedingungen, die ihm zur Verfügung stehen. Vor allem bei Vergleichsmessungen sollten Sensorposition, Einstellungen und Messstelle möglichst reproduzierbar gewählt werden.
Was sollte vor der Geräteauswahl bekannt sein?
Für die Auswahl eines passenden Ultraschall-Durchflussmessgeräts sind insbesondere Medium, Rohrmaterial, Außendurchmesser beziehungsweise Nennweite, Wandstärke und erwartete Strömungsgeschwindigkeit relevant. Bei ausgekleideten Rohrleitungen sollte auch die Auskleidung bekannt sein.
Soll zusätzlich die thermische Leistung einer Anlage untersucht werden, ist eine Variante mit Temperaturmessung sinnvoll.
Eine Übersicht der verfügbaren Geräte finden Sie unter PCE Druck- und Durchflussmessgeräte. Weitere Mess- und Prüfgeräte für Industrie, Handwerk und Qualitätssicherung finden Sie bei den PCE Instruments Messgeräten von TOPA.
Durchfluss messen, ohne in die Rohrleitung einzugreifen
Clamp-on-Ultraschall ermöglicht die Durchflussmessung an bestehenden Rohrleitungen, ohne das Rohr zu öffnen oder einen Sensor direkt in den Flüssigkeitsstrom einzubauen. Dadurch eignet sich das Verfahren besonders für mobile Kontrollen, Wartungsarbeiten, Inbetriebnahmen und die Untersuchung bestehender Anlagen.
Für zuverlässige Ergebnisse müssen jedoch Rohr, Medium und Messstelle zur Ultraschallmessung geeignet sein. Eine vollständig gefüllte Rohrleitung, korrekte Rohrdaten, eine gute akustische Kopplung und eine geeignete Sensorposition sind wesentliche Voraussetzungen.
Mit unterschiedlichen Sensorgrößen lassen sich dabei verschiedene Rohrdimensionen abdecken. Geräte mit zusätzlicher Temperaturmessung ermöglichen darüber hinaus die Untersuchung von Wärmeleistung und Wärmemenge und erweitern die reine Durchflussmessung um eine wichtige Größe für Heiz- und Kühlanlagen.
Häufige Fragen zur Ultraschall-Durchflussmessung
Nein. Die Ultraschallsensoren werden außen auf der Rohrleitung befestigt. Es ist kein direkter Kontakt zwischen Sensor und Flüssigkeit erforderlich.
Nein. Rohrmaterial, Wandaufbau, Medium, Füllzustand und Messstelle müssen für das Verfahren geeignet sein. Starke Ablagerungen, Luftblasen oder ungeeignete Auskleidungen können die Messung erschweren oder verhindern.
Die Strömungsgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich die Flüssigkeit im Rohr bewegt, beispielsweise in Metern pro Sekunde. Der Volumenstrom beschreibt dagegen, welches Flüssigkeitsvolumen innerhalb einer bestimmten Zeit durch das Rohr fließt, beispielsweise in Kubikmetern pro Stunde.
Das Messgerät benötigt diese Daten, um den Weg des Ultraschalls durch die Rohrwand und das Medium zu bestimmen und aus der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit den korrekten Volumenstrom zu berechnen.
Mit einer entsprechend ausgestatteten Variante ja. Das PCE-TDS 200+ SM kombiniert die Durchflussmessung mit Temperaturfühlern. Aus Volumenstrom und Temperaturdifferenz können Wärmeleistung und Wärmemenge bestimmt werden.
