Durchflussmessung verstehen: Volumenstrom, Messprinzip und Aussagegrenzen

Ein sichtbarer Kühlmittelstrahl sagt noch nicht, welcher Volumenstrom tatsächlich ankommt. Umgekehrt beweist eine Zahl auf dem Display nicht, dass das Medium die benötigte Stelle am Werkzeug erreicht. Dieser Artikel erklärt die messtechnischen Grundlagen. Für meine selbst auf CNC umgerüstete Optimum BF 20 sind hier keine Durchflusssensoren oder Messversuche dokumentiert; die Rechenwerte sind ausdrücklich Lehrannahmen.

Volumenstrom, Menge und Geschwindigkeit auseinanderhalten

Bei konstantem Volumenstrom gilt Q = V / t. 2 Liter in 30 Sekunden entsprechen 4 l/min. Die aufgefangene Menge beträgt weiterhin 2 Liter; sie wird durch die Umrechnung nicht größer. Ein Mengenzähler summiert das durchgeströmte Volumen. Bei wechselndem Durchfluss muss die Summe aus den einzelnen Zeitabschnitten gebildet oder der Verlauf integriert werden.

Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist eine andere Größe. Für eine vollständig gefüllte Rohrleitung gilt Q = A · v̄, mit der Querschnittsfläche A und der über den Querschnitt gemittelten Geschwindigkeit v̄. Eine an einem einzelnen Punkt gemessene Geschwindigkeit darf nicht ohne Berücksichtigung des Strömungsprofils als dieser Mittelwert eingesetzt werden. ifm unterscheidet entsprechend zwischen Strömungs- und Durchflusssensorik.

Eigenes Rechenbeispiel für eine gefüllte Leitung

Angenommen werden 6 l/min in einer kreisförmigen, vollständig gefüllten Leitung mit 10 mm Innendurchmesser. Zunächst werden die Einheiten umgerechnet: 6 l/min = 0,0001 m³/s. Die Fläche beträgt A = π · (0,010 m)² / 4 ≈ 0,00007854 m². Damit folgt v̄ = Q / A ≈ 1,27 m/s.

Bei gleichem Volumenstrom und 20 mm Innendurchmesser ist die Fläche viermal so groß. Die mittlere Geschwindigkeit sinkt auf etwa 0,318 m/s. Dieses Verhältnis sagt nicht voraus, welchen Durchfluss eine reale Pumpe nach einem Leitungsumbau liefert: Dafür müssten Pumpenkennlinie, Leitungswiderstände und weitere Bauteile gemeinsam betrachtet werden.

Für eine zusätzlich angenommene konstante Dichte von 1,00 kg/l ergibt sich ein Massenstrom von 6 kg/min beziehungsweise 360 kg/h. Ein anderes Medium mit 0,85 kg/l hätte bei denselben 6 l/min dagegen 5,10 kg/min. Die Dichte muss zum Medium und Betriebszustand passen. Volumenstrom und Massenstrom sind deshalb nicht durch bloßes Austauschen der Einheit ineinander überführbar.

Messprinzip und Medium gemeinsam auswählen

Magnetisch-induktive Geräte nutzen eine durch die Bewegung einer leitfähigen Flüssigkeit im Magnetfeld entstehende Spannung. Endress+Hauser erläutert den Bezug zur Strömungsgeschwindigkeit. Die erforderliche Mindestleitfähigkeit ist eine Geräteeigenschaft. Für nicht ausreichend leitfähige Medien lässt sich das Prinzip nicht einfach durch eine andere Displayeinstellung passend machen.

Ultraschallgeräte können etwa Laufzeiten mit und gegen die Strömung vergleichen. Andere Verfahren arbeiten mit Reflexionen an Partikeln oder Blasen. Deshalb ist „Ultraschall“ noch keine vollständige Eignungsaussage für ein Medium. Rohrmaterial, akustische Kopplung, Medium und konkret eingesetztes Verfahren gehören zur Auswahl. Eine aufgeschnallte Clamp-on-Bauform bedeutet ebenfalls nicht, dass jedes Rohr ohne weitere Prüfung geeignet wäre.

Beim Coriolis-Prinzip wird die durch den Massenstrom verursachte Änderung der Schwingung eines Messrohrs ausgewertet. Es liefert damit einen unmittelbaren Bezug zum Massenstrom. Zusätzliche Ausgaben wie Volumenstrom beruhen auf weiteren Messgrößen und Berechnungen des Geräts. Die Funktionsweise unterscheidet sich daher von einer reinen Geschwindigkeitsmessung mit nachträglich angenommener Dichte.

Mechanische Flügelrad- oder Verdrängergeräte bilden weitere Möglichkeiten. Bürkert beschreibt beispielsweise Ovalräder für geeignete viskose Flüssigkeiten sowie mögliche Einschränkungen durch Luftblasen. Bewegliche Messelemente, Druckverlust, Verschmutzung und Medienverträglichkeit müssen zum Einsatz passen. Es gibt kein universell bestes Verfahren für jede Flüssigkeit und jede Durchflussgröße.

Den Messbereich nicht mit der Anzeige verwechseln

Ein reales Datenblatt zeigt, warum die Bereiche getrennt gelesen werden müssen: ifm nennt für den SM9000 einen Messbereich von 5 bis 300 l/min, aber einen größeren Anzeigebereich. Eine sichtbare Zahl außerhalb des spezifizierten Messbereichs erhält dadurch nicht automatisch dieselbe Genauigkeitszusage. Dieses Beispiel ist eine Erklärung des Datenblatts und keine Geräteempfehlung für eine kleine Modellbaufräse.

Auch Prozentangaben brauchen einen Bezug. Als frei gewähltes Lehrbeispiel seien ±1 % vom Messwert und ±1 % vom Endwert eines 100-l/min-Bereichs verglichen. Bei angezeigten 5 l/min ergeben sich rechnerisch ±0,05 l/min beziehungsweise ±1 l/min. Das sind sehr unterschiedliche Grenzen. Bei kombinierten Angaben müssen die Terme nach der Herstellerspezifikation berücksichtigt werden.

Bronkhorst erläutert den Unterschied zwischen Messwert- und Endwertbezug sowie Wiederholgenauigkeit. Mehrere eng beieinanderliegende Anzeigen können trotzdem gemeinsam vom Referenzwert abweichen. Die Herstellerangabe beschreibt außerdem nicht automatisch die gesamte Messunsicherheit der eingebauten Messstelle. Anschluss, Medium, Einbaubedingungen und Auswertung können weitere Beiträge liefern; dazu passt der Artikel über Kalibrierung, Justierung und Prüfung.

Einbau und Signalweg gehören zur Messaufgabe

Ein- und Auslaufstrecken werden gerätespezifisch geprüft. Das genannte ifm-Datenblatt führt 3 × DN vor und 1 × DN nach dem Sensor auf. Diese Werte dürfen nicht auf sämtliche Durchflussmesser übertragen werden. Einbaulage, Rohrfüllung, Luftansammlungen und benetzte Werkstoffe werden nach der Anleitung des ausgewählten Geräts beurteilt. Arbeiten an einer Medienleitung erfolgen nur im vorgesehenen sicheren, drucklosen Zustand.

Im Signalweg muss klar sein, ob ein Ausgang den momentanen Durchfluss, gezählte Mengenimpulse oder nur einen Schaltzustand überträgt. Ein binäres „Strömung vorhanden“ ist kein kalibrierter Zahlenwert in l/min. Ebenso muss die Skalierung einer analogen Anzeige mit der Gerätekonfiguration übereinstimmen. Einheit, Messbereich und Zeitbezug gehören deshalb ins Messprotokoll.

Ein Messergebnis richtig auf die Bearbeitung beziehen

Für eine Kühlmittelversorgung ist die Position der Messstelle wesentlich. Ein Sensor vor einer Verzweigung erfasst einen anderen Zusammenhang als eine Messstelle im einzelnen Zweig. Ein unveränderter Gesamtstrom kann eine ungünstige Verteilung verdecken. Druck und Durchfluss werden ebenfalls getrennt betrachtet: Eine Druckanzeige ersetzt keine Durchflussmessung, wie der Beitrag zur Hochdruckspülung erläutert.

Eine überprüfbare Messaufgabe benennt daher Medium, Messstelle, erwarteten Bereich, erforderliche Aussage und Reaktion auf Abweichungen. Für die Kühlmittelfilterung oder einen Vergleich vor und nach einer Wartung müssen die Betriebsbedingungen nachvollziehbar sein. Die Lehrrechnung mit 6 l/min erklärt Einheiten und Zusammenhänge; welchen Durchfluss eine konkrete Bearbeitung braucht, legt sie ausdrücklich nicht fest.