Was ist ein elektromagnetischer Durchflussmesser und wie funktioniert er?

Die Durchflussmessung ist ein entscheidender Aspekt verschiedener industrieller Prozesse, der eine genaue Kontrolle und Verwaltung von Flüssigkeiten gewährleistet. Unter den verschiedenen Arten von Durchflussmessern elektromagnetische Durchflussmesser zeichnen sich durch ihre Präzision, Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit in verschiedenen Bereichen aus. Seit ihrer Erfindung in den 1950er Jahren haben sich magnetisch-induktive Durchflussmesser zu einem Industriestandard für die Messung von leitfähigen Flüssigkeiten entwickelt. Die Tatsache, dass diese Technologie nicht in die Umwelt eingreift, keine beweglichen Teile hat und mit verschiedenen Flüssigkeitstypen kompatibel ist, macht sie zu einer bevorzugten Wahl in der Wasseraufbereitung, der chemischen Verarbeitung, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und anderen Branchen.

Wenn Sie auch an Wirbeldurchflussmessern interessiert sind, finden Sie hier ein umfassender Leitfaden für Wirbeldurchflussmesser.

How does a magnetic flow meter work?

Electromagnetic flow meters, or magmeters, measure fluid flow using a combination of a transmitter and a sensor. The sensor is installed inline within the pipe and detects an induced voltage generated as the fluid passes through a magnetic field. This magnetic field is created by a set of coils in the meter, which are powered by the transmitter. As the fluid flows through the field, the positively and negatively charged particles in the fluid are separated, producing a voltage between a pair of electrodes. This induced voltage is then transmitted to the transmitter, which converts it into a measurable flow velocity. The underlying principle of this measurement is Faraday’s Law, expressed mathematically as E = k × B × D × V, where the induced voltage (E) is directly proportional to the fluid’s velocity (V) moving through the magnetic field (B). Using this velocity and the cross-sectional area of the pipe, the volumetric flow rate of the fluid can be accurately calculated.

Ein typischer Aufbau eines elektromagnetischen Durchflussmessers:

• Structure: Der Durchflussmesser besteht aus einem nichtmagnetischen, nichtleitenden Rohrabschnitt (dem so genannten Durchflussrohr), der häufig aus Edelstahl oder anderen beständigen Materialien besteht und mit einem Isoliermaterial wie PTFE oder Gummi ausgekleidet ist. Im Inneren des Rohrs befinden sich zwei Elektroden, die einander diametral gegenüberliegen. Diese Elektroden kommen mit der fließenden Flüssigkeit in Berührung.
• Magnetic Field Generation: Spulen, die das Durchflussrohr umgeben, erzeugen ein Magnetfeld, das senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit steht. Wenn sich die leitende Flüssigkeit durch dieses Magnetfeld bewegt, wird zwischen den Elektroden eine elektromagnetische Kraft (EMK) induziert.
• Voltage Measurement: Die induzierte Spannung wird von den Elektroden aufgenommen und an einen Transmitter gesendet, der dieses Spannungssignal mit Hilfe der aus dem Faradayschen Gesetz abgeleiteten Gleichung in eine Durchflussmenge umwandelt:  E = k × B × D × V wobei E die induzierte Spannung, k eine Konstante, B die magnetische Feldstärke, D der Innendurchmesser des Rohrs und V die Geschwindigkeit der Flüssigkeit ist. Da B und D für einen bestimmten Durchflussmesser Konstanten sind, ist die Spannung E direkt proportional zur Flüssigkeitsgeschwindigkeit V.
• Flow Rate Calculation: Der Sender verarbeitet das Spannungssignal und liefert ein volumetrischer Durchflussdie dann auf einer digitalen Schnittstelle angezeigt oder in ein Leitsystem integriert wird.
• Zero Stability: Eine der wichtigsten Eigenschaften von elektromagnetischen Durchflußmessern ist ihre Nullpunktstabilität. Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, sollte die induzierte Spannung im Idealfall Null sein. Diese Eigenschaft macht die Durchflusssensoren außergewöhnlich genau, da jedes Spannungssignal ohne Durchfluss normalerweise als Rauschen behandelt und herauskalibriert wird.

Vorteile von magnetisch-induktiven Durchflussmessern

1. High Accuracy and Precision: Magnetisch-induktive Durchflussmesser bieten eine hohe Messgenauigkeit, die oft zwischen ±0,2% und ±0,5% liegt, was bei Anwendungen, bei denen präzise Messungen unerlässlich sind, wie z. B. bei der Chemikaliendosierung oder der pharmazeutischen Herstellung, entscheidend sein kann.
2. Keine beweglichen Teile: Das Fehlen beweglicher Teile im Inneren des Durchflussrohrs minimiert das Risiko von mechanischem Verschleiß, was zu geringeren Wartungskosten und einer längeren Lebensdauer führt. Diese Konstruktion verringert auch die Gefahr von Druckverlusten und macht sie hocheffizient.
3. Breites Spektrum an Anwendungen: Mag-Meter sind vielseitig und können für verschiedene Arten von leitfähigen Flüssigkeiten verwendet werden, darunter Schlämme, schmutziges Wasser, korrosive Chemikalien und viskose Flüssigkeiten. Diese breite Anwendbarkeit macht sie ideal für Branchen wie die Abwasseraufbereitung, den Bergbau sowie die Lebensmittel- und Getränkeindustrie.
4. Bi-directional Measurement Capability: Diese Zähler können den Durchfluss in beide Richtungen messen, was bei Anwendungen, bei denen sich die Durchflussrichtung ändern kann oder die aus mehreren Richtungen überwacht werden müssen, von Vorteil ist.
5. Insensitive to Fluid Properties: Magnetische Durchflussmesser sind unbeeinflusst von Änderungen der Flüssigkeitsdichte, der Viskosität, der Temperatur oder des Drucks. Dieser Vorteil gewährleistet konsistente und zuverlässige Messungen, auch unter wechselnden Prozessbedingungen.
6. Easy to Maintain: Da es keine mechanischen Komponenten und nur wenige Teile gibt, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, ist die Wartung sehr einfach. Regelmäßige Kalibrierung und Reinigung der Elektroden sind oft alles, was erforderlich ist, um die Mag-Meter betriebsbereit zu halten.

Problems of Magnetic Flow Meters

• Limited to Conductive Fluids: Eine der Haupteinschränkungen von elektromagnetischen Durchflussmessern ist ihre Unfähigkeit, den Durchfluss von nichtleitenden Flüssigkeiten wie Ölen, Kohlenwasserstoffen und Gasen zu messen. Die Flüssigkeit muss eine Mindestleitfähigkeit aufweisen (in der Regel über 5 µS/cm), damit das Messgerät korrekt funktioniert.
• Sensitive to Air Bubbles and Conductive Solids: Auch wenn Durchflussmessgeräte gut mit Schlämmen zurechtkommen, kann das Vorhandensein von Luftblasen oder leitfähigen Feststoffen zu Signalrauschen führen und die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Daher muss darauf geachtet werden, dass der Durchfluss frei von großen Lufteinschlüssen bleibt.

Gemeinsame Arten von elektromagnetischen Durchflussmessern

1. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte: Diese werden direkt in die Rohrleitung eingebaut und bieten höchste Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Sie sind in verschiedenen Größen für unterschiedliche Rohrdurchmesser erhältlich und werden häufig in Branchen eingesetzt, die präzise Durchflussmessungen erfordern, z. B. in Wasseraufbereitungsanlagen und chemischen Verarbeitungsbetrieben.

2. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte: Ideal für größere Rohre, bei denen Inline-Zähler zu teuer wären. Eintauchzähler haben eine Sonde, die in das Rohr eingeführt wird und die Fließgeschwindigkeit an einem bestimmten Punkt misst. Sie bieten zwar eine etwas geringere Genauigkeit als Inline-Zähler, sind aber bei großen Rohrdurchmessern kostengünstiger und können ohne Unterbrechung des Prozesses installiert werden.

3. Batteriebetriebene elektromagnetische Durchflussmessgeräte: Entwickelt für Anwendungen, bei denen die Verfügbarkeit von Strom ein Problem darstellt, wie z. B. bei abgelegenen Wasserverteilungs- und Bewässerungssystemen. Diese Magnetzähler sind tragbar und einfach zu installieren, können aber Einschränkungen bei der Datenaufzeichnung und dem Dauerbetrieb aufweisen.

4. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte für den Sanitärbereich: Diese Messgeräte sind so konzipiert, dass sie die strengen Hygieneanforderungen der Lebensmittel-, Getränke- und Pharmaindustrie erfüllen. Sie verfügen über glatte Oberflächen, Schnellverschlüsse und Materialien, die einer häufigen Reinigung standhalten und die Einhaltung von Industriestandards wie 3A oder EHEDG gewährleisten.

How to Choose the Right Magnetic Flow Meter

Verstehen Sie die Eigenschaften des gemessenen Mediums

The operating principle of an electromagnetic flowmeter relies on the conductivity of the medium. The properties of the medium directly affect the flowmeter’s performance, accuracy, and material selection for linings and electrodes. The primary factors to consider are:

1. Conductivity Requirements. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte erfordern eine bestimmte Leitfähigkeit des Mediums. In der Regel sind magnetisch-induktive Durchflussmesser für die Messung von Flüssigkeiten mit einem Leitfähigkeitsbereich von 10-⁴ S/cm zu 5×10-⁶ S/cm.
2.  Medium Composition and Gas Bubbles. If the medium contains magnetic particles, such as iron filings, it may interfere with the flowmeter’s magnetic field, leading to measurement errors. In such cases, flowmeters with magnetic shielding capabilities are recommended. The presence of bubbles in the fluid can cause measurement errors, as bubbles will contribute to the total flow. To mitigate this, a bubble separation device or a flowmeter capable of compensating for bubbles can improve accuracy.
3. Sediment and Scaling. Certain media, such as water with high calcium or magnesium content, may cause sediment or scale to accumulate on the pipe lining or electrodes, affecting measurement accuracy. Self-cleaning electrodes or flowmeters with anti-scaling features are recommended. 
4. Hygiene and Food-Grade Requirements. In Branchen wie der Lebensmittelverarbeitung, der Pharmazie und der Chemie müssen Durchflussmessgeräte bestimmte Hygienestandards erfüllen. Die im Durchflussmesser verwendeten Materialien müssen den Lebensmittel- oder GMP-Normen entsprechen, wie z. B. Edelstahl, PTFE oder PFA, um sicherzustellen, dass der Durchflussmesser nicht mit dem Medium reagiert und leicht zu reinigen ist.
5. Corrosion Resistance. For corrosive media, such as acidic, alkaline liquids or chemical flow meter solutions, the corrosion resistance of the flowmeter lining and electrodes is critical. Materials like PTFE, PFA, or ceramic linings are recommended to ensure long-term durability, while electrodes made of corrosion-resistant materials like tantalum or platinum will help maintain measurement accuracy and stability.

Parameter der Betriebsbedingungen

1. Temperature and Pressure. Temperature and pressure directly influence the performance and lifespan of electromagnetic flowmeters. For high-temperature fluids, flowmeters should be selected with linings that can withstand high temperatures, such as PTFE or PFA. For high-pressure environments, flowmeters made of pressure-resistant materials are required to ensure safety and prevent leakage. In high-pressure systems, flanges, bolts, and other connection components must have sufficient pressure ratings and be securely installed to avoid joint leaks.
2. Pipe Diameter and Flow Range Matching. Der Durchmesser des magnetisch-induktiven Durchflussmessers sollte mit dem Rohrdurchmesser übereinstimmen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb innerhalb seines effektiven Durchflussbereichs zu gewährleisten. Ein Durchflussmesser mit einem zu großen oder zu kleinen Durchmesser kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Für Anwendungen mit geringem Durchfluss oder niedriger Geschwindigkeit wird in der Regel empfohlen, einen Durchflussmesser mit einem etwas kleineren Durchmesser zu wählen, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit zu verbessern.
3. Flow Velocity and Full-Scale Flow. The measurement accuracy of an electromagnetic flowmeter remains stable within a specific flow velocity range, typically 1 to 10 m/s for liquids. In practice, flow velocities above 5 m/s may cause wear on the flowmeter lining, especially if softer materials like rubber are used. For low-flow (below 1 m/s) applications, reducing the flowmeter’s diameter can help increase flow velocity and improve signal strength and accuracy.

Auswahl der richtigen Genauigkeitsstufe

Electromagnetic flow meters generally offer an accuracy range of ±0.5% to ±1% of the measured value for standard models. High-precision models can achieve ±0.2% or better, depending on the manufacturer and application conditions. Accuracy may also vary with factors such as flow profile, pipe condition, and fluid conductivity.

Anwendungen von magnetisch-induktiven Durchflussmessern

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden häufig in Branchen eingesetzt, in denen die Messung des Durchflusses von leitfähigen Flüssigkeiten für die Prozesssteuerung, die Abrechnung oder die Umweltüberwachung entscheidend ist. Einige bemerkenswerte Anwendungen sind:

Wasser- und Abwasseraufbereitung: In kommunalen und industriellen Wassersystemen werden Durchflusssensoren für die Messung von Rohwasser, behandeltem Wasser, Schlamm und Chemikalien eingesetzt. Ihre Abriebfestigkeit gegenüber Feststoffen macht sie ideal für Abwasseranwendungen.

- Landwirtschaftliche und Bewässerungssysteme: Batteriebetriebene Magnetzähler werden in abgelegenen landwirtschaftlichen Gebieten eingesetzt, um den Wasserverbrauch für ein effizientes Bewässerungsmanagement zu messen.

Chemische und petrochemische Industrie: Mag-Meter messen aggressive Chemikalien, Säuren, Basen und korrosive Flüssigkeiten. Ihre eingriffsfreie Messmethode gewährleistet die Kompatibilität mit korrosiven und viskosen Substanzen.

Pharmazeutische Industrie: Genaue und sterile Durchflussmessungen sind in der pharmazeutischen Produktion von entscheidender Bedeutung, wo elektromagnetische Durchflussmesser Zuverlässigkeit und Präzision bei der Handhabung von Flüssigkeiten und der Zugabe von Chemikalien bieten.

- Bergbau sowie Zellstoff- und Papierindustrie: Im Bergbau messen Magnetometer Schlammströme mit Schwebstoffen, während sie in der Zellstoff- und Papierindustrie den Durchfluss von Zellstoff, Chemikalien und Abwasser überwachen.

Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Magnetisch-induktive Durchflussmesser werden bei der Herstellung von Getränken, Milchprodukten und anderen Verbrauchsgütern eingesetzt. Die Messgeräte sorgen für eine präzise Dosierung und Qualitätskontrolle und erfüllen die Hygienestandards mit Modellen der Sanitärklasse.

Magnetisch-induktive Durchflussmesser sind unschätzbare Werkzeuge in modernen industriellen Umgebungen, in denen die genaue Messung von leitfähigen Flüssigkeiten von größter Bedeutung ist. Ihre einzigartigen Vorteile, wie hohe Genauigkeit, keine beweglichen Teile und ein breiter Anwendungsbereich, machen sie zur bevorzugten Wahl für viele Branchen. Allerdings müssen bei der Auswahl der geeigneten Durchflussmesstechnik auch ihre Grenzen berücksichtigt werden, wie z. B. die Unfähigkeit, nichtleitende Flüssigkeiten zu messen, und die höheren Anschaffungskosten. Wenn man die Funktionsprinzipien, Vor- und Nachteile, Anwendungen und Typen von elektromagnetischen Durchflussmessern versteht, kann die Industrie fundierte Entscheidungen treffen, die die Effizienz und Zuverlässigkeit der Prozesse verbessern.