Das Prinzip der Wirbelzähler-Durchflussmessung

Tagtäglich werden höchst unterschiedliche Stoffe in Rohrleitungssystemen transportiert und verteilt.
Sie reichen von Lösungsmitteln und Chemikalien, Öl und Gas über Kühlmittel in der Grundstoffindustrie bis zu Dampf für die Energieübertragung.
Die durch die Rohre strömenden Medien haben oft völlig unterschiedliche Eigenschaften. Folglich müssen für ihre Messung unterschiedliche Prinzipien angewendet werden.
Ein Verfahren ist die Durchflussmessung nach dem Prinzip der Wirbelzählung (Vortex).
Im Italien des 16. Jahrhunderts beobachtete Leonardo da Vinci, wie sich Wirbel in fließendem Wasser bildeten. Etwa 400 Jahre später beschrieb der ungarische Physiker Theodore von Kármán die physikalischen Gesetze, die dieser Wirbelbildung zugrunde liegen.

Dieses Messverfahren funktioniert folgendermaßen.
Im Innern von Wirbelzählern befindet sich dazu in der Rohrmitte ein sogenannter Staukörper. Dieser Körper bildet eine Art Hindernis, durch das die Strömung gestört wird.
Unterhalb des Staukörpers ist ein mechanischer Sensor angeordnet, der feinste Druckunterschiede im fließenden Medium registrieren kann.
Erfolgt kein Durchfluss, bilden sich keine Wirbel.
Sobald sich das Medium zu bewegen beginnt und eine bestimmte Durchflussrate erreicht, bilden sind unterhalb des Staukörpers allmählich Wirbel heraus. Diese Verwirbelungen werden abwechselnd auf beiden Seiten des Staukörpers abgelöst und von dem strömenden Medium weitertransportiert.

Nun bilden sich stromabwärts Bereiche mit Über- oder Unterdruck, durch die ein Phänomen entsteht, das als „Kármánsche Wirbelstraße“ bezeichnet wird.
Diese Druckunterschiede stimmen exakt mit der Frequenz der vorbeiströmenden Wirbel überein und werden von dem mechanischen Sensor – hier in Zeitlupe dargestellt – genau registriert.
Dieser Sensor ist einzigartig, denn er ist mechanisch so gut ausbalanciert, dass Rohrschwingungen bis 1 g, Druckstöße und Temperaturschocks überhaupt keinen Einfluss auf die Messung haben.
Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wirbeln entspricht einem definierten Volumen des Mediums; der Gesamtdurchfluss kann daher anhand der Zählung der vorbeiströmenden Wirbel berechnet werden.

Je größer die Durchflussgeschwindigkeit, desto höher ist die gemessene Wirbelfrequenz.
In einigen Anwendungen ist die Fließgeschwindigkeit so niedrig, dass sich keine wahrnehmbaren Wirbel ausbilden können. Die Fließgeschwindigkeit lässt sich jedoch einfach dadurch erhöhen, dass ein Wirbelzähler-Durchflussmessgerät mit geringerem Querschnitt eingebaut wird. Diese Änderung hat keine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit.
Die Funktionalität kann durch die Integration einer optionalen Temperaturmessung in den Sensor erweitert werden.
Eine solche Konfiguration kann – in Kombination mit einem integrierten Flow-Computer – den temperaturabhängigen Masse- oder Energiedurchfluss berechnen. Besonders wichtig ist diese Funktion in Industrieprozessen mit Sattdampf oder Gasen.

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