Jede Anwendung hat ihre besonderen Herausforderungen an die Gas-Mess-Systeme, die verschleißfrei, wartungsfrei, Prozess-stabil und hochgenau sein sollen. Viele Anwender nutzen mechanische Gasdurchflusszähler für die Gasmessung. Allerdings zeigt die Praxis, dass diese Technologien mit erhöhtem Wartungsaufwand durch Schmierung und Reinigung, Druckverluste und damit verbundenem Energieschwund einhergehen. Zudem bergen sie Gefahren wie die Verblockung durch Schmutzanteile im Gas, das Driften und den Verschleiß von Lagern sowie anderer mechanischer Bauteile. Dies bedeutet zumeist erhöhte Kosten und teure Anlagenstillstände. Abhilfe bietet beispielsweise die Firma Endress+Hauser mit ihrem Portfolio an modernen Gas-Durchflussmessverfahren: Hierzu zählen unter anderem ­Geräte für die eichfähige Coriolis-Gasmasse-Messung (Promass), die druckverlustfreie, energiesparende thermische Gasmasse-Messung (t-mass), die Vortex-Gas- und Dampfmessung (Prowirl) sowie die Messung von Bio-, Klär und ­Deponiegasen (Prosonic Flow).

Das Coriolis-Prinzip

Coriolisspielt seine Vorteile insbesondere bei der Gasmessung aus: Da durch die direkte Massemessung keine Temperatur- und Druckkompensation erforderlich ist, entfallen die damit verbundenen Kosten für zusätzliche Messtechnik und Installation. Im Gegensatz zu den meisten anderen Gas-Durchflusstechnologien sind bei Coriolis-Geräten keine Einlauf- und Auslaufstrecken erforderlich, was die Installation vereinfacht.

‚Promass F 200‘ ermöglicht die ­zu­verlässige Gasmassemessung in Zweileiter-Technik.

© Endress+Hauser

Das Coriolis-Massedurchfluss-Messgerät ‚Promass‘ beispielsweise bietet Prozess-Stabilität, ist SIL-2/3-klassifiziert und mit dichtungsfreien, vollständig verschweißten Messrohren ausgestattet. Das Gerät misst die Gasmasse mit einer Toleranz von 0,3 % vom Messwert, besitzt eine Eichzulassung (PTB und MID) und ermöglicht multivariable Messungen von Gasmasse, Normvolumen und Temperatur. Zudem erkennt es feuchtes Gas und erfüllt die AD2000 zur maximalen Verlängerung der Prüfzyklen.Mit ‚Promass 200‘ steht die Coriolis-Massedurchfluss-Messung auch in Zweileitertechnik zur Verfügung. Aus Anwendersicht hat die Zweileiter-Technik gegenüber Vierleiter-Geräten Vorteile, die sich vor allem bei der Planung und Ausführung von Neuanlagen in reduzierten Kosten spiegeln. Im Betrieb erhöht die Zweileitertechnik die Sicherheit durch das eigensichere Ex-Konzept. Die Zweileitergeräte sind universell in nahezu allen Bereichen der Prozess-Industrie einsetzbar und eignen sich insbesondere für Gas-Anwendungen.

Multivariabel messen

Das Vortex-Durchflussmessgerät ‚Prowirl 200‘ misst Medien wie Dampf, komprimierte Gase, Flüssiggase sowie Flüssigkeiten bei Prozesstemperaturen zwischen –200 bis +400 °C und Drücken bis 250 bar. Vom Messprinzip ist das Gerät ein Betriebsvolumen-Messgerät, das vor allem in Anwendungen mit nicht-leitfähigen Medien als Alternative zu magnetisch-induktiven Messgeräten verwendet wird. Zwei Drittel der Geräte sind dank des großen Einsatzbereiches seit jeher in Anwendungen mit Gas oder Dampf in Verwendung.

Der ‚Prowirl F 200‘ bietet Vortex-Durchflussmessung mit Nassdampf-Erkennung.

© Endress+Hauser

In diesen Anwendungen werden Stoffströme in der Regel in Masse- oder Normvolumen-Angaben benötigt oder verrechnet. Für diesen Einsatzfall gibt es optional bei jeder Prowirl-Ausführung einen Massesensor. Dieser erfasst die Temperatur des Mediums mit einem integrierten Temperaturfühler in der Spitze des Wirbelsensors. Hinzu kommt ein Durchflussrechner im Messumformer, der nach dem internationalem IAPWS-IF97-Standard den Masse-, Wärme- und Energiefluss von Sattdampf, Wasser oder Kondensat berechnen kann.

Beim Messen von Gasen oder überhitztem Dampf reicht diese kleine Lösung jedoch nicht aus – zu stark beeinflussen Druckschwankungen die Dichte des Mediums in der Rohrleitung und damit das Mess-Ergebnis einer einfachen Kompensation. Daher gibt es beim Zweileiter ‚Prowirl 200‘ eine neue Eingangsfunktion: Der optionale passive Stromeingang ergänzt den Strom- und Impuls-/Frequenzausgang. Somit lässt sich das 4- bis 20-mA-Mess-Signal eines Drucktransmitters über den Prowirl schleifen, der den Druckwert zur vollkompensierten Durchflussberechnung mit einbezieht. Das Ergebnis ist eine direkte Darstellung von Masse- und Normvolumenströmen sowie Dichte und Energie am Display der Durchflussmessung. Dies erleichtert die schnelle Beurteilung einer Anwendung vor Ort und spart Platz im Schaltschrank. Die Messgrößen können zudem an ein nachgeschaltetes Leitsystem weitergegeben werden.

Das Wirbel-Durchflussmessgerät Prowirl 200 wurde nach der IEC 61508 entwickelt und ist für Anwendungen in SIL 2 sowie SIL 3 in homogener Redundanz einsetzbar. Zusätzliche ­Sicherheit bei Dampfanwendungen bietet eine Alarmfunktion zur Erkennung von Nassdampf direkt in der Rohrleitung.

Gasrechner integriert

Das thermische Massedurchflussmessgerät ‚t-mass 65‘ mit integriertem Gasrechner – der ‚Gas Engine‘ – ist seit Jahren in der Prozessindustrie im Einsatz. Zwanzig Gase – zum Beispiel Luft, Stickstoff, Methan oder Wasserstoff – sind hinterlegt und zu Gasgemischen mit bis zu acht Komponenten zusammenstellbar. Das Messgerät verfügt über die relevanten Ex-Zulassungen wie ATEX oder FM und eignet sich daher für den sicheren Einsatz in chemischen Prozessanlagen. Das Gerät bietet eine druckverlustfreie und energiesparende Gasmassemessung ohne zusätzliche Druck- und Temperaturkompensation und erfasst selbst geringste Durchflüsse, so dass Leckage-Detektionen zum Beispiel in Druckluftnetzen einfach möglich sind. Gleichzeitig ermöglicht es eine rückführbare Gaskalibrierung.

Der ‚t-mass 150‘ als ‚der kleine ­Bruder‘ des t-mass 65 ist kostenoptimiert für die Erfassung von Druckluft insbesondere von Teilverbräuchen (Submetering) in Seitensträngen. Anwender können damit Energie-Moni­toring, Produktionsoptimierung und Energiekostenumlage umsetzen.

Akkreditierte ­Wasserkalibrierung

Seit über 30 Jahren entwickelt und baut Endress+Hauser Kalibrieranlagen, um die Messgenauigkeit von Geräten einwandfrei und rückführbar belegen zu können. Auch Gas-Durchflussmessgeräte werden mit Wasser kalibriert. Im Vergleich zu Gaskalibrieranlagen lassen sich mit Wasser relativ einfach exakt gleichbleibende Referenzbedingungen sicherstellen. Wasser ist vernachlässigbar kompressibel und bei der Kalibrierung einfach zu temperieren. Die hohe Stabilität des Kalibriermediums ermöglicht minimale Messunsicherheiten von maximal 0,015 %. Die genauesten heute verfügbaren Gaskalibrieranlagen hingegen sind mit Messunsicherheiten von typisch 0,16 bis 0,3 % spezifiziert – was bedeutet, dass im Vergleich zu Gaskalibrieranlagen bei einer Kalibrierung mit Wasser eine bis zu 20-fach höhere Auflösung bei der Kalibrierung realisierbar ist. Darüber hi­naus ist die Darstellung der Rückführbarkeitskette über die SI-Einheit Kilogramm bei der Wasserkalibrierung besonders einfach und weltweit geregelt. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber der aufwendigen Rückführbarkeit über Gas-Normale bei einer Gaskalibrieranlage. Bis heute ist die Vergleichbarkeit von Gaskalibrierungen über Ländergrenzen hinweg schwer möglich.

Alle Tests und die PTB bestätigen die Wasserkalibrierung als hochgenaue Alternative zur echten Gaskalibrierung. In Kombination mit den oben genannten Messtechniken ermöglicht sie vollumfängliche Rückführbarkeit sowie eine akkreditierte Re-Kalibrierung von Gasdurchfluss-Messstellen vor Ort. Die Akkreditierung der Kalibrieranlagen ist dabei der Schlüssel zur Vergleichbarkeit. Diese sichert eine Rückführbarkeit auf nationale Standards (zum Beispiel METAS, PTB,NPL, LNE, NIST, CN), ist weltweit anerkannt und wird periodisch durch staatliche Aufsichtsbehörden überprüft und dokumentiert.

Autor: Peter Dietrich ist Fachverantwortlicher Durchflussmesstechnik bei Endress+Hauser in Weil am Rhein.