Clamp-On oder nicht Clamp-On – das ist die Frage

Der Fall für Clamp-OnDurchflussmesser
Von Thomas Michalowski

Einführung

Der Durchfluss ist neben Druck und Temperatur einer derwichtigsten Parameter bei der Überwachung oder Steuerungvon Flüssigkeiten und Gasen in Rohrleitungen. Temperatur
und Druck werden oft neben dem Durchfluss gemessen,um den Energiefluss in einem Rohr zu berechnen, aber sehroft, besonders im Wasser- und Abwassersektor, kann die
Durchflussrate der einzige Parameter sein, der gemessen
wird, entweder um den Durchfluss für steuerliche Zwecke zu
quantifizieren oder um den Durchfluss als Teil eines Prozesses
zu steuern.
Es gibt eine große Vielfalt von Durchflussmessern, undjeder Typ hat seine Vor- und Nachteile. Die meisten
Durchflussmesser werden direkt innerhalb des Durchflusses
eingesetzt, oft über Schieberstücke, um die beste Messung
des Durchflusses zu ermöglichen. Manchmal kann essehr kompliziert sein, einen Durchflussmesser in ein Rohrzu integrieren. Es kommt auch vor, dass ein Messgerät
vorübergehender Ersatz oder für eine Überprüfung desvorhandenen Equipments eingesetzt werden soll. In
diesen Fällen bietet der Clamp-On-Durchflussmesser einezuverlässige und kostengünstige Lösung.

Die Technologien derDurchflussmessung

Die Durchflussmessung geht eigentlich auf die alten Ägypter
zurück, die um 1500 v. Chr. eine Wasseruhr erfanden. Erst seit
der industriellen Revolution wurde die Durchflussmessung
jedoch so entwickelt, um den Bedarf an einer genauen
Messung von Durchflüssen für Abrechnungszwecke und/oder zur Überwachung von Industrieprozessen zu befriedigen.
Die ersten industriellen Durchflussmesser basierten auf
der Flüssigkeitsverdrängung, und zu den verschiedenen
Ausführungen gehörten Kolbenzähler, Schaufelräder,Peltonräder und Turbinen-Durchflussmesser. Heute verfügen
die Verdrängungsmesser über Präzisionsrotoren, deren
Umdrehungen von integrierten elektronischen Impulsgebern
gezählt werden. Durchflussmesser, die auf der BernoulliGleichung basieren, sind immer noch sehr weit verbreitet
und reichen von einfachen Staurohren bis hin zu VenturiDurchflussmesser und Blenden, die alle durch Messung
der Druckdifferenz an einer in den Rohrstrom eingeführten
Verengung und anschließender Anwendung der BernoulliBerechnung funktionieren. In den letzten Jahren habensich eine Reihe moderner Technologien entwickelt. Dazu
gehören optische Durchflussmesser, die mit Hilfe vonLaserlicht in Gasen eingeschlossene Partikel erkennen, um

die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln; magnetische
Durchflussmesser, die das Faradaysche Gesetz derelektromagnetischen Induktion verwenden; und thermische
Massendurchflussmesser.
Zu den wichtigsten Neuheiten, die sich heute fest im Portfolio
der Durchflussmesser etabliert haben, gehören Wirbelzähler,
Coriolis-Messgeräte und Ultraschallmessgeräte.

Vortex-Durchflussmesser

Wirbelzähler beruhen auf der Erkennung der Frequenz,
mit der aus einem im Flüssigkeitsstrom befindlichen
Hindernis Wirbel erzeugt werden. Diese Frequenz ist direkt
proportional zur Durchflussmenge, wird in ein elektrisches
Signal umgewandelt, und die Durchflussrate wird vonder Durchflussmesselektronik berechnet. Wirbelzähler
werden über ein Schieberstück oder als direkt Messgerät
in den Durchfluss eingesetzt. Sie werden vorwiegend in
petrochemischen Anlagen, insbesondere für HochdruckDampfleitungen, aber auch für die Zuteilung von Erdgas
und für den Massenausgleich nichtviskoser Flüssigkeiten
eingesetzt.

der vorgelagerten Laufzeit. Wenn der Flüssigkeitsstromvorhanden ist, wird die Laufzeit stromabwärts kürzer als
die Zeit stromaufwärts, da die stromabwärts laufenden
Impulse durch die Strömung beschleunigt werden unddie stromaufwärts laufenden Impulse durch die Strömung
verlangsamt werden. Die Differenz zwischen den beiden
Laufzeiten ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit undihr Vorzeichen gibt die Strömungsrichtung an.
Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser werden in der Praxis
sehr häufig eingesetzt. Sie können für Flüssigkeiten undGase verwendet werden und bieten eine hervorragende
Genauigkeit, haben keinen Drift, erzeugen keinen
Druckabfall, behindern nicht den Durchfluss undbenötigen keine routinemäßige Wartung. Sie können
auch bidirektionale Strömungen und einen weiten
Bereich von Betriebstemperaturen verarbeiten undbieten ein sehr hohes Turndown-Verhältnis. Mithilfe eines
Temperaturentkopplungssystems wie der „Baker Hughes
Bundle Waveguide Technology“ können sie bei extremen
Temperaturen von -200°C bis +600°C betrieben werden.

Coriolis-Durchflussmesser

Coriolis-Messgeräte verwenden den Coriolis-Effekt, um einen
Massenstrom anstelle eines Volumenstroms zu erzeugen.
Wenn zwei Rohre schwingen, wirkt der Massenstrom desFluids durch die Rohre der Schwingung entgegen und bewirkteine Durchbiegung der Rohre. Diese Auslenkung wird durch
die Zeitdifferenz zwischen den Ausgangssignalen von zwei
Aufnehmerspulen identifiziert, und durch Verarbeiten dieser
Informationen kann der Massenstrom abgeleitet werden. Mit
ihrem breiten Durchfluss-, Druck- und Temperaturbereich
messen Coriolis-Messgeräte effektiv den Massenfluss im
gesamten Industriespektrum.

Ultraschall-Durchflussmesser

Ultraschall-Durchflussmesser verwenden normalerweise
zwei Messtechniken: Doppler und Laufzeit. DopplerMessgeräte erfordern das Vorhandensein von Blasen und /oder Feststoffen in der Strömung, um die zu übertragenden
Ultraschallimpulse zu reflektiert. Die Frequenzverschiebung
des reflektierten Signals relativ zur übertragenen Frequenz
ist proportional zur Geschwindigkeit des Reflektors und derTrägerflüssigkeit.
Bei der Laufzeittechnik wirken zwei Ultraschallmessköpfe
sowohl als Signalgeneratoren als auch als Empfänger undstehen in akustischer Kommunikation miteinander. Im Betrieb
fungiert jeder Messkopf zuerst als Sender, der eine Anzahl vonakustischen Impulsen erzeugt, und dann als Empfänger füreine identische Anzahl von Impulsen. Das Zeitintervall
zwischen Senden und Empfangen der Ultraschallsignale wird
in beide Richtungen gemessen. Wenn die Flüssigkeit in derLeitung nicht fließt, entspricht die nachgeschaltete Laufzeit

Laufzeit-Clamp-On-Variablen

Ultraschall-Laufzeit-Durchflussmesser bieten einensehr wichtigen Vorteil gegenüber wettbewerbsfähigen
Technologien. Obwohl sie häufig als Inline-Messgeräte mit„benetzten“ Messköpfen verwendet werden, können sie auch
an der Außenseite eines Rohrs befestigt bzw. festgeklemmt
werden. Eine Reihe von Vorteilen, einschließlich Portabilität
und reduzierter Installationsstörungen resultieren daraus.

Clamp-on UltraschallDurchflussmesser

Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser erreichen nicht
die Genauigkeit der hochpräzisen Inline-Laufzeitmesser, diebeispielsweise für eichpflichtigen Verkehr zur steuerlichen
Berechnung in der Öl- und Gasindustrie verwendet werden.
Dies ist hauptsächlich auf die Dämpfung der Rohrwand undder Auskleidung innerhalb des Rohres, der Rohrzentrizität
und weiteren Gründen zurückzuführen. Trotzdem können
Clamp-On-Geräte eine Genauigkeit besser als 0,5%

erreichen (+/- 0,5% bis +/- 2,0% sind die Norm). Sie bieten
eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit von etwa 0,2% bis
0,3% und sind äußerst zuverlässig. Die Hauptvorteile vonUltraschall-Durchflussmessern sind jedoch ihre Vielseitigkeit
und Kosteneffizienz.
• Einsatz in nichtleitenden Flüssigkeiten, Gasen und Dampf.
• Kein Druckabfall.
• Keine Störung während der Installation bzw. Montage,
da der Prozess nicht heruntergefahren oder in das Rohreingegriffen werden muss.
• Keine beweglichen Teile für eine lange Lebensdauer.
• Keine regelmäßige Kalibrierung.
• Messung von niedrigen und hohen Durchflüssen.
• Einsatz in rauen Umgebungen und EX-Bereichen.
• Einfache Bedienung.
• Datenübertragung erfolgt einfach über optionale
Ausgänge.
• Im direkten Vergleich zu anderen Technologien niedrige
Kapitalkosten.
• Eine Aufspannschiene kann für verschiedene Rohrgrößen
verwendet werden.
• Zusätzliche Analogeingänge für Temperaturmessumformer
ermöglichen die Messung des Energieflusses in
Flüssigkeiten.
• Optionale Zweikanal- / Zweipfadausführungen können
den Durchfluss in zwei separaten Rohren mit nur einer
Messeinheit und zwei Messkopfsätzen messen.
• Tragbare Versionen ermöglichen eine einfache,vorübergehende Überprüfung von Prozessen odervorhandenen Inline-Messgeräten.

Fokus auf anwenderfreundliches
DesignDie Entwicklung neuer Clamp-On-Durchflussmesser stellt
den Anwender in den Mittelpunkt des Konstruktionsprozesses.
Neue Entwicklungen verbessern nicht nur die Technologie,
sondern berücksichtigen auch die Stärken und
Einschränkungen der Anwender und antizipieren, wie
Anwender mit der täglichen Realität ihrer Arbeit umgehen.
Die Entwicklung neuer Produkte erfordert die Beobachtung,Messung und Validierung der Verwendung dieser Produkte.
Baker Hughes unterstützt diese Art von Forschung undarbeitet mit Industriedesignern und Forschern zusammen,
um seinen Ingenieuren, die an neuem Produktdesign
arbeiten, zu helfen, die Herausforderungen zu verstehen,denen sich Kunden gegenübersehen. Diese Forschungträgt zu Entwurfsentscheidungen bei, die eindeutig mit den
Menschen, ihren Prozessen und ihren Zielen verwurzelt sind.

Anwendungen von Clamp-OnUltraschall-Durchflussmessern

Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesser messen eine
Vielzahl von Flüssigkeiten, einschließlich Flüssigkeiten wie:
• Reinstwasser• Saubere Flüssigkeiten• Schmutz – und Abwasser• Hochviskose Flüssigkeiten• Ätzende Flüssigkeiten• Schleifmittel• Kohlenwasserstoffe, einschließlich pulsierender
Hochtemperatur-, Hochdruck- undNiedriggeschwindigkeitsflüssigkeiten.
Einige Gase, die für die Clamp-On-UltraschallDurchflussmessung geeignet sind, umfassen:• Überhitzter Dampf• Erdgas• Druckluft• Stickstoff und Sauerstoff
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesser können auchzwischen den verschiedenen Flüssigkeiten unterscheiden,
die in derselben Pipeline gefördert werden, wie dies in derErdölindustrie häufig der Fall ist.

Ultraschall-Clamp-On-Systeme sparen Kalibrierungszeit und Geld.

Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesser habendrei Hauptanwendungen. Erstens, als In-situ- oder
Festinstallation, Durchflussmesser. Zweitens, um vorhandene
Durchflussmesser auf deren korrekte Funktion hin zuüberprüfen bzw. zu bewerten. Und drittens, als vielseitige
Mehrzweck-Durchflussmesser, die in einer Anlage oderInstallation fast beliebig versetzt werden können, um bei
Bedarf Durchflussdaten zu erfassen. Diese Anwendungengelten sowohl für die Durchflussmessung in Flüssigkeiten als
auch für Gase.

Durchflussmessung in Flüssigkeiten
Festinstallationen
Inline-Ultraschall-Durchflussmesser werden heute weltweit
als sehr genaue Messgeräte für hochpräzise Aufgaben,
wie der eichpflichtige Verkehr im Öl- und Gassektor,
eingesetzt. Natürlich ist ein Großteil der Anwender vonanderen Technologien und deren Inline-Messgeräte
auf Clamp-On-Messgeräte umgestiegen. Während
Clamp-On-Ausführungen Genauigkeiten von ± 1% bis
2% erreichen und nicht ganz an die Genauigkeiten vonInline-Ultraschallmessgeräten mit benetzten Messköpfen
herankommen, bieten sie trotzdem eine Menge anerheblichen Vorteilen. Der Hauptvorteil ist, dass sieleicht nachgerüstet werden können, ohne dabei in einenbestehenden Prozess eingreifen zu müssen oder etwa das
kostspielige und unbequeme Herunterfahren eines Prozesses
einleiten zu müssen. Eine solche Abschaltung könnte
Gesundheits- und Sicherheitsfragen und damit verbundene
Arbeiten betreffen, wie z.B. erforderliche Genehmigungen,
Schneid- und Schweißarbeiten sowie Rohrentleerung undSpülen plus Kosten für Produktionsausfälle in Höhe vonmöglicherweise mehreren tausend Euro pro Stunde.
Ein Clamp-ON-Messgerät kann in weniger als einer Stunde
installiert werden. Darüber hinaus sind die Kapitalkosten
eines Clamp-On-Messgerätes deutlich geringer als bei
vielen anderen wettbewerbsfähige Technologien und
Wartungskosten werden ebenfalls duetlich reduziert, da es
keine beweglichen Teile gibt.

Der DigitalFlow* XMT868i ist ein vielfach bewährter
Clamp-ON-Ultraschall-Durchflussmesser. Er verfügt überdie entsprechende Zertifizierung für die Installation an
explosionsgefährdeten Orten, z. B. in der Petrochemie sowie
im Öl- und Gassektor. Der XMT868i kann verwendet werden,um zwei getrennte Rohre oder zwei getrennte Messstellen auf
demselben Rohr mittels einer Zweikanal- / Zweipfadoption
zu messen, indem er die Signale von zwei Paar Messköpfen
empfängt und verarbeitet.

Portabel
Tragbare Ultraschall-Durchflussmesser sind für die
kurzfristige Messung und Überwachung ausgelegt. In derRegel sind sie kompakt und leicht und sollen vorübergehend
installiert und von Standort zu Standort verschoben
werden. Zu den tragbaren Geräten gehören normalerweise
die Durchflusselektronik, externe Komponenten wie
Vorrichtungen, Wandler und Kabel sowie Zubehör wie
Dickenmessgeräte und Tragetaschen. Da tragbare Geräte
häufig von mehreren Benutzern gemeinsam genutzt und /oder unregelmäßig verwendet werden, bieten die einfache
Verwendung und das Vertrauen in die Messung einzigartige
Herausforderungen und Möglichkeiten für Clamp-OnHersteller.

Der AquaTrans* AT600 ist der neueste in der PanametricsReihe von Ultraschall-Durchflussmessern für Flüssigkeiten.
Er verfügt über ein anwenderzentriertes Design, das sich auf
Anwenderfreundlichkeit, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit
konzentriert. Der AT600 kann in nur wenigen Minuten direkt
auf einem Rohr installiert werden, ohne dabei den Prozessabschalten zu müssen. Dort kann er dann über Tage oderauch Jahre ohne erforderliche Wartung oder Kalibrierung an
Ort und Stelle installiert bleiben.
Der AT600 kann in einer breiten Palette von FlüssigkeitsDurchflussanwendungen wie Wasser/Abwasser, Industrie,
HLK, Wasserkraft und Landwirtschaft eingesetzt werden.

AquaTrans AT600 Durchflussmesser

Anwender eines tragbaren Durchflussmessers

Baker Hughes Panametrics TransPort* PT900 ist ein
bewährtes Design, das für seine Fähigkeit bekannt ist, den
Durchfluss in schwierigeren Anwendungen zu messen.
Es bietet die gleichen fortschrittlichen Messköpfe wie
Messgeräte mit fester Installation und eine große Auswahl
an Aufspannvorrichtungen. Es eignet sich für eine Reihe
von Anwendungen und Rohrgrößen und ist besonders
erfolgreich für Wasser und Abwasser, da es den Durchfluss
von hochreinem Wasser zu extrem schmutzigen Flüssigkeiten
wie Rohabwasser und Schlämmen misst.

Durchflussmessung in Gasen
Festinstallationen
Ultraschall Clamp-On Gasdurchflussmesser können
eine Vielzahl von Gasen genau und zuverlässig messen.
Beispielsweise kann Baker Hughes Panametrics DigitalFlow*
CTF878 an Rohren mit einem Durchmesser von 6 bis 30 Zoll
mit Oberflächentemperaturen von -40 ° C bis + 300 ° C und
Mediumstemperaturen von bis zu 130 ° C installiert werden.
Der CTF878 verwendet fortschrittliche Messköpfe, die fünfmal
leistungsstärkere Signale erzeugen als herkömmliche
Messköpfe, so dass ein sehr großer Teil des Ultraschallsignals
tatsächlich zur Messung durch den empfangenden Messkopf
empfangen wird, nachdem er durch die Rohrwand, das Gas
und die gegenüberliegende Rohrwand geleitet wurde.
Folglich sind die Signale sauber und stark mit reduziertem
Hintergrundrauschen, selbst bei Gasanwendungen mit
niedriger Dichte. Ein besonderes Merkmal des CTF878
ist die Verwendung der patentierten „Correlations-TagTechnologie“, die die Genauigkeit des Messgeräts nochmals
verbessert. Hierbei werden vier Messköpfe verwendet, die
extern am Rohr montiert und in zwei Paaren angeordnet
sind, einer stromaufwärts und einer stromabwärts. Jedes
Paar enthält einen Sender und einen Empfänger. Der Sendersendet Ultraschall in einem kontinuierlichen Wellenmodus
durch das Gas zu seinem gepaarten Empfänger, so dass die
beiden Paare jeweils einen Abfragepfad stromaufwärts undeinen stromabwärts bilden. Das kontinuierliche Wellensignal
wird durch die Turbulenzen und lokalen Dichteschwankungenmoduliert, die für eine Bewegung des Gases charakteristischsind, so dass beide empfangenen Signale eineindeutiges Turbulenzsignal des Gasstroms enthalten.
Die empfangenen Signale werden dann demoduliert
und durch einen Korrelationsalgorithmus verarbeitet. Bei
turbulenten Strömungsbedingungen wird ein eindeutiger
Korrelationspeak aufgezeichnet, der die Zeit angibt, die dieeindeutige Turbulenzsignatur benötigt, um den Abfragepfad
zu durchlaufen. Da dieser Pfad durch den Messkopfaufbau
definiert wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit einfach
bestimmt, indem die Pfadlänge durch die Zeit dividiert wird,
die zum Durchlaufen benötigt wird.

Portabel
Tragbare Ultraschall-Gasdurchflussmesser sind ebenso
wie ihre flüssigen Versionen für die kurzfristige Messungund Überwachung ausgelegt. Baker Hughes TransPort
PT878GC, der bis zu 230°C Mediumstemperatur eingesetzt
werden kann, liefert Daten in Bezug auf Geschwindigkeit
oder volumetrisch summierten tatsächlichen oderStandarddurchfluss. Der eingebaute Datenlogger hat eineKapazität von 100.000 Messungen und alle Durchflussdaten
können zur Fernanalyse und -aufzeichnung exportiert
werden.

Clamp-On Durchflussmesser in
AktionClamp-On-Ultraschall-Durchflussmesser arbeiten weltweit ineiner Vielzahl von Anwendungen und Installationen.
Z. B. verwendet ein Halbleiterhersteller einen tragbaren
Durchflussmesser von Baker Hughes, um die Leistung der
in seiner Wasseraufbereitungsanlage vor Ort installierten
Durchflussmesser zu überprüfen und zu verifizieren. Jede
Abteilung am Standort dieses Herstellers betreibt eine
eigene Abflussleitung in die Wasseraufbereitungsanlage.
Dies entspricht über zwanzig Abflussleitungen, von zwei
Zoll bis 10 Zoll im Durchmesser in einer Vielzahl vonMaterialien von PVC bis Edelstahl. Inline-Durchflussmesser
werden an jeder Abflussleitung unmittelbar vor dem
Punkt installiert, an dem die Abflussleitungen in die
Hauptabflussleitung der Abfallbehandlungsanlage eintreten.
Der Volumenstrom jeder Abflussleitung wird kontinuierlichüberwacht. Basierend auf diesen Messungen berechnet
die Abfallbehandlungsanlage für jede Abteilung die
Abfallmenge und die daraus resultierenden finanzielle
Kosten. Dies motiviert jede Abteilung, so wenig Abfall wie
möglich zu produzieren. Natürlich ist es wichtig, dassdie Genauigkeit und Funktionalität der fest installierten
Durchflussmesser überprüft wird. Das Unternehmen erwog
den Einsatz von verschiedenen, tragbaren Durchflussmesser
für diese Aufgabe, aber alle erwiesen sich als zu sperrig, zu
kostspielig oder erforderten ein externes Aufzeichnungsgerät.
Letztendlich versuchten sie es mit einem tragbarer
Durchflussmesser von Panametrics, der sich als ideal
für den Job erwies. Die Parameter für die verschiedenen
Abflussrohre sind permanent im Speicher des Messgeräts
programmiert, wodurch die Rüstzeiten verkürzt werden undder Durchflussmesser die Durchflussdaten kontinuierlich
protokolliert. Die Daten werden dann auf einen PC
hochgeladen, aufgezeichnet und mit den Daten verglichen,
die vom jeweiligen fest installierten Messgerät generiert
wurden. Dies hat gezeigt, dass es eine Korrelation mit 1%iger
Genauigkeit im Vergleich zu einem korrekt funktionierenden
Inline-Messgerät gibt.

SchlussfolgerungenClamp-On-Ultraschall-Durchflussmesser sind mittlerweile
weltweit bewährt und akzeptiert, wobei sowohl feste als auchtragbare Messgeräte für viele Anwendungen zunehmend
akzeptiert und eingesetzt werden. Die Sektoren Chemie
sowie Öl und Gas machen einen großen Teil dieser Basis vonClamp-On-Anwendern aus, wobei Wasser und Abwasser
eine weitere andere sind. Das Wachstum von Wasser und
Abwasser wird weltweit durch Bevölkerungswachstum,
Migration und Infrastrukturverbesserungen in
Entwicklungsregionen angetrieben, in denen sicheres
Trinkwasser und eine wirksame Abfallbehandlung für das
Wirtschaftswachstum nach wie vor unerlässlich sind.
Unabhängig von der Branche muss ein Betrieb heute die
Effizienz aufrechterhalten und verbessern. Ein Schlüsselfaktor
dafür ist die zuverlässige und kostengünstige Messung
der Betriebsparameter, insbesondere des Durchflusses.

Clamp-On Durchflussmesser haben sich als ein wertvolles
Instrument erwiesen, um Kunden dabei zu helfen, den
ständig wachsenden Anforderungen gerecht zu werden undgleichzeitig ihre eigenen Ressourcen in Bezug auf Finanzen
und Personal zu verbessern.

Über den Autor

Tom Michalowski ist Global-Productmanager für ClampOn-Ultraschall-Durchflussmesser. Er ist Chemieingenieur mit
einem MBA und ist bei Panametrics und Baker Hughes seit
mehr als 17 Jahren in verschiedenen Funktionen im Einsatz.

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