August 2015
Herzlich Willkommenzum
Technologieforum OSMOam 16. & 17.09.2015
Auslegung von Messstellen
Folie 1 C.Gutknecht/MB
10.02.2015INTERNA
L
Ich darf mich kurz vorstellen…
Auslegung von Messstellen
Folie 2 C.Gutknecht/MB
August 2015
Products Solutions Services
Auslegung von Messstellen in derProzessautomatisierungVergleich physikalischer Messverfahren zur Füllstand-,Druck- und Durchflussmessung
Folie 3 C.Gutknecht/MB
August 2015
Auslegung von Messstellen
Wo beginnt die Messtechnikverfügbarkeit?Auslegung, Montage, Inbetriebnahme und Betrieb
Auslegung Montage IBN Betrieb
• Bereitstellung
der essentiellen
Dokumentation für
die Montage
• Kenntnisse/
Erfahrungen der
messprinzips-
eigenen An-
forderungen an die
Einbau-situation
• Test
• Schulung des
Betriebspersonals
• Dokumentation
• Wartungskonzept
• Kalibration
• Dokumentation über
gesamte Lebensdauer
(Softwareversion,…)
• Verfügbarkeit der
geräteeigenen
Dokumentation
(Techn. Infos,
Betriebsanleitung)
•Auswahl des
Messprinzips in
Abhängigkeit der
zu erwartenden
Umgebungsbe-
dingungen
•Auslegung unter
Beachtung
messprinzips-
eigener An-
forderungen an die
Messstelle
•Dokumentation
Folie 4 C.Gutknecht/MB
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Parameter einer KläranlageWo sind die Prozesskritischen Messstellen?
Auslegung von Messstellen
DurchflussFüllstandAnalyseDruckProbenahme
Vorklärung NachklärungPumpstation Rechen Fett- und
Sandfang
Fäkalannahme-station
Biogas
Sandfilter
Primär-schlamm
Überschussschlamm
Rezirkulationsschlamm
Biologie
ÖffentlichesKanalnetz
Regen-becken
Desinfektion
Abwasserbehandlung
Schlammbehandlung
Folie 5 C.Gutknecht/MB
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InstrumentierungshinweiseFüllstand
Auslegung von Messstellen
Folie 6 C.Gutknecht/MB
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Messprinzipien zur Füllstandmessung
Auslegung von Messstellen
Folie 7 C.Gutknecht/MB
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Messprinzip Ultraschall – Laufzeitverfahren (ToF)
Eine Elektronik misst die
Schalllaufzeit zwischen
Sender und Oberfläche,
wodurch die Entfernung
bestimmt werden kann.
Der Ultraschallimpuls wird
von der Medien-oberfläche
durch einen Dichtesprung
zwischen Luft und Medium
reflektiert.
Durch Anlegen einer
Wechselspannung
wird ein Piezo zum
Schwingen gebracht und ein
Ultraschallimpuls erzeugt.
• Berührungslose Füllstandmessung mit Ultraschall
Distanz = Laufzeit/2 x Schallgeschwindigkeit
Auslegung von Messstellen
Folie 8 C.Gutknecht/MB
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Einsatzbereiche
Kontinuierliche Füllstandmessung mit Ultraschall
• Einsatz in Flüssigkeiten, Pasten und Schüttgütern
• Unabhängig von Druck, Temperatur, Dichte,
Feuchtigkeit, Dielektrizitätskonstante
• Technische Daten
Messbereich: 0,07 … 70 m
Temperatur: -40 … +150 °C
Betriebsdruck: -0,7 … +4 bar
Rechen u. Pumpensteuerung
Regenüberlauf-becken Tanks u. Feststoff-Silos
Bandbelegung
Brecher-überwachung
Abwasserkanäle
Auslegung von Messstellen
Folie 9 C.Gutknecht/MB
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Physikalische Einsatzgrenzen Ultraschall
Auslegung von Messstellen
• Störungen durch Einbauten/Schweissnähte
Folie 10 C.Gutknecht/MB
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Einfluss von Schaumbildung: Ultraschall
• ideale
Voraussetzung
• leichter Schaum,
große Blasen,
dünne Schaumschicht
• dicker, leichter
Schaum• kompakter,
dicker Schaum,
keine Blasen,
hohe Dichte
Auslegung von Messstellen
Folie 11 C.Gutknecht/MB
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Was ist bei der Messung mit US zu beachten?
• Ultraschallmessungen werden von Produktspezifischen Faktoren und
Prozessbedingungen beeinflusst:
Sensortyp(Reichweite, Reserve)
Gasraum(Temperatur,
Druck, Gas, Staub)
Produktoberfläche,
Medium(Schaum, Körnung)
Ansatzbildung,
Einbauten
Montageart (Wandabstand,
Stutzen)
Abstrahl-
charakteristik(Wandabstand, Stutzen)
Auslegung von Messstellen
Folie 12 C.Gutknecht/MB
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Produktübersicht - Ultraschall
Prosonic SProsonic T
• Zwei-Draht
• Messbereich bis 8 m
• Attraktives
Preis-/Leistungsverhältnis
• Zwei- / Vier-Draht
• Messbereich bis 20 m
• Menügeführte
Inbetriebnahme
• Hüllkurve auf Display
• HART, Profibus PA , FF
• Bedienung: FieldCare
Prosonic M
• Vier-Draht
• Messbereich für Feststoffe bis 70
m
• Menügeführte Bedienung
• Hüllkurve auf Display
• Getrennte Instrumentierung
• Mehrkanalsystem
(bis zu 10 Sensoren)
• Bis zu 6 Relais
• Spezielle Software für
Gerinne/Wehr, Rechen-und
Pumpensteuerung
• HART, Profibus DP
• Bedienung: FieldCare
Auslegung von Messstellen
Folie 13 C.Gutknecht/MB
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Auslegung von Messstellen
Füllstandsüberwachung Pumpstation (Hebewerk)
Folie 14 C.Gutknecht/MB
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Auslegung von Messstellen
Füllstandsüberwachung Rechen
Folie 15 C.Gutknecht/MB
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Anwendung: Fällmitteldosierung
Füllstandmessung bei der Fäll-
mitteldosierung:
• Einsatz bei der H2S-Reduktion
auf der Biogasanlage
• Dosierung von Eisen-III-chlorid
(40%) im PE-Behälter
• Berührungslose Überwachung
des Füllstands
• Geringer Wartungsaufwand
• Einfache Inbetriebnahme
• Chemische Beständigkeit
• Günstiger Messstellenpreis
Auslegung von Messstellen
Folie 16 C.Gutknecht/MB
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Alternativen zur US-Füllstandmessung
• Mikrowellen Füllstandmessung (z.B. Micropilot FMR50)
• Auch bei starker Staubentwicklung oder ausgasenden Medien
• Hydrostatische Füllstandmessung (z.B. Waterpilot FMX167)
• Auch bei Schaumbildung geeignet
Auslegung von Messstellen
Folie 17 C.Gutknecht/MB
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Messprinzipien zur Füllstandmessung
Auslegung von Messstellen
Folie 18 C.Gutknecht/MB
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Zusammenfassender Vergleich
Auslegung von Messstellen
Ultraschall:• Preisgünstig/bewährte Technik
• Selbstreinigung der Sensoren
• unabhängig von DK
• Hohe Messfrequenz
• Hohe Dynamik/Genauigkeit im
Nahbereich
• Flexibler Einbau
Radar freiabstrahlend:• Temperaturen bis 400°C
• Messen im Vakuum
• Drücke bis 160 bar abs.
• Einfluss auf Messgenauigkeit
von Gasen & Temperaturdifferenzen
vernachlässigbar klein
• Keine Beeinflussung von Wind
Folie 19 C.Gutknecht/MB
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Messprinzipien zur Füllstandmessung
Auslegung von Messstellen
Folie 20 C.Gutknecht/MB
August 2015
In welchem Behälter ist der Druck am größten?
Der hydrostatische Druck am Boden ist bei allen drei Gefäßen gleich
groß, somit ist der Druck ein direktes Maß für den Füllstand
Auslegung von Messstellen
Folie 21 C.Gutknecht/MB
14.03.2014
Auslegung von Messstellen
Warum ist der Druck am Boden gleich groß?
P = 𝛿 ∗ 𝑔 ∗ h
P = Druck
δ= Dichte (für Wasser ≈ 1000 kg/m3)
g = Erdbeschleunigung (9,81 m/s2)
h = Höhe des Flüssigkeitsspiegels
Der gemessene Druck ist ein direktes Maß für den Füllstand!
Faustformel für Wasser: 1 cm = 1 mbar
Folie 22 C.Gutknecht/MB
14.03.2014
Ceraphire 99,9% Keramik, zahlreiche Vorteile
Auslegung von Messstellen
Atmosphärischer Druck
Druck
• Messprinzip => kapazitiv
• Messbereich 0…10 bar rel/abs
• Trockene Messzelle, ölfrei
• Verschleißfest/korrosionsbeständig
• Auswertung 4….20 mA
• Sehr robust und abrassionsfest
• Überlast- und lastwechselfest
Relativdruck-Zelle Absolutdruck-Zelle
DruckHochvakuum
• Für Pegelmessungen werden Relativdruck-Zellen verwendet, da die
Messungen offen zur Atmosphäre eingebaut werden
Membran
Grundkörper
Lotring
Folie 23 C.Gutknecht/MB
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Auslegung von Messstellen
Keramische Messzelle- Funktionsprinzip
elektrische Kapazität:
Folie 24 C.Gutknecht/MB
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Produkte - Pegelsonden
• Keramikmesszelle
• Trinkwasserzulassung
• Schiffbauzulassung
• Optional mit
Temperaturfühler
• Montage
• Abspannklemme
• Kabelmontageschraube
• FMX21
• Platinum Version ±0,1%
• HART
Waterpilot FMX167 / FMX21
Frischwasser Abwasser Seewasser
Auslegung von Messstellen
Folie 25 C.Gutknecht/MB
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Auslegung von Messstellen
Anwendungsbeispiel: Tiefbrunnen
4...20 mA Temperatur
4...20 mA Füllstand
• Füllstand-und Temperaturmessung mit einer Sonde
• Wetterfestes Klemmengehäuse mit GORE-TEX®
Filter zum Druckausgleich
• 2x 4...20 mA Ausgang (Füllstand +Temperatur)
• Temperaturtransmitter zur Wandlung des Pt 100
Signals in 4...20 mA im Klemmengehäuse
• Tragekabel-Montageschraube G1½A Kabel-
Durchführung und Aufhängung in einem
• RMA42 zur Signalauswertung Speise- und
Auswertegerät mit 2 Eingängen
Waterpilot
FMX167
FMX21
Temperatur-transmitter
Tragekabel-Montageschraube
Folie 26 C.Gutknecht/MB
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Praxisbeispiel - Waterpilot
• Kreuzfahrschiff Costa Concordia
Auslegung von Messstellen
Folie 27 C.Gutknecht/MB
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Praxisbeispiel – PS70 Batteriebetriebene Pegelsonde
• Flusslauf
Überwachung
• Grundwasserpegel
Überwachung
Auslegung von Messstellen
Folie 28 C.Gutknecht/MB
August 2015
Füllstand mit Druck – einfacher geht’s nicht!
• Schaum = kein Einfluss
• Einbauten/Rührwerke = kein Einfluss
• Frontbündig = kein Problem
• Verschiedene Bauformen = Kompakt, Seil- und Stabausführung
• Hygienisch = FDA, 3A, EHEDG
• Ausgasende Medien = kein Einfluss
• Wechselnde Medien (Dichte) = Vorsicht!
Füllstandmessung mit Druck ist das am häufigsten eingesetzte
Messprinzip!
Auslegung von Messstellen
Folie 29 C.Gutknecht/MB
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InstrumentierungshinweiseDurchfluss
Auslegung von Messstellen
Folie 30 C.Gutknecht/MB
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Durchflussmessung auf KA
Vorklärung NachklärungPumpstation Rechen Fett- und
Sandfang
Fäkalannahme-station
Biogas
Sandfilter
Primär-schlamm
Überschussschlamm
Rezirkulationsschlamm
Biologie
ÖffentlichesKanalnetz
Regen-becken
Desinfektion
Abwasserbehandlung
Schlammbehandlung
Auslegung von Messstellen
A
Offene Gerinnemessung
MIDMassemessung
GasmessungFolie 31 C.Gutknecht/MB
24.04.2013
Messprinzip magnetisch-induktiv
Auslegung von Messstellen
+
+0
L
B
U
-
V
L
B
UU = Induzierte Spannung
B = Magnetfeld-Stärke
L = Elektrodenabstand
Fließgeschwindigkeit = v
U = B * L * v
V = v * A
Volumendurchfluss = V
A = Kreisfläche
U ~ v
Folie 32 C.Gutknecht/MB
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Auslegung von Messstellen
DNDNDNDN DNDN DN
DN 5 DN 2
d Dmax.8°
Installationshinweise
bei Einschnürung
Bruchgefahr !!!
Folie 33 C.Gutknecht/MB
24.04.2013
Zur Einhaltung der Messgenauigkeitsspezifikation:
Auslegung von Messstellen
Einlaufstrecke 0D
Einlaufstrecke 0D
Abweichung: -0,22% Abweichung: 0,51%
Abweichung: -0,45%Abweichung: 0,31%
DN 100
DN 100
DN 150
DN 100DN 100
DN 100
DN 100
DN 100
Einlaufstrecke 5 * DN / Auslaufstrecke 2 * DN
Messabweichung von MID in realen Einbausituationen:
Medium: Wasser (v=2,5 m/s)
Folie 34 C.Gutknecht/MB
24.04.2013
Zur Einhaltung der Messgenauigkeitsspezifikation:
Auslegung von Messstellen
Einlaufstrecke 5 * DN / Auslaufstrecke 2 * DN
Messabweichung von MID in realen Einbausituationen:
Medium: Wasser (v=2,5 m/s)
Abweichung: 0,33%
Abweichung: 1,14%
Abweichung: 0,03%
Abweichung: 0,41%
Abweichung: 0,04%
Abweichung: 0,18%
Ein-/Auslaufstrecke 0D
Einlaufstrecke 5D
Auslaufstrecke 0D
50% 25% DN 100
DN 150
DN 100
DN 100
DN 100
DN 100DN 100
DN 100
DN 100DN 100
DN 100
Folie 35 C.Gutknecht/MB
August 2015
Installationshinweise
Auslegung von Messstellen
keine MSÜ
Folie 36 C.Gutknecht/MB
August 2015
Einbauhinweise
Auslegung von Messstellen
DN5
DN 2
Vorsicht: Ablagerungsgefahrbei geringer Fließgeschwindigkeit !
Folie 37 C.Gutknecht/MB
August 2015
Gibt es Alternativen ?
Nachrüstung eines MID in einem Trinkwasserversorgungsnetz
Netzleitung absperren; Leitung auftrennen; Rohrstück entnehmen
MID mit Kran einsetzen und anflanschen/einschweißen
Auslegung von Messstellen
Folie 38
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Ultraschall-Durchflussmessung Prosonic Flow
Auslegung von Messstellen
Überprüfung während eines
Abwasserseminars zum Thema
Durchflussmessung auf KA
Freising, im Juni 2012
Folie 39 C.Gutknecht/MB
August 2015
Die Alternative: Schnell u. einfach messen mit Prosonic Flow
Spanngurtemontieren
Sensorenausrichten und
montieren
Messen!
Robuste Edelstahlsensoren IP67/68Sichere und schnelle Montage mit patentierter Codierschiene
1.
2.
3.
Auslegung von Messstellen
Folie 40 C.Gutknecht/MB
August 2015
Messprinzip Ultraschall-Durchflussmessung
Fixierung Spannbänder oder SchweißbolzenPiezoelektrischerKristall
SensorhalterungKeil
B
A
vT = Laufzeit des Schallsignals
v TBA - TAB v = Fließgeschwindigkeit
Q = v * A
Auslegung von Messstellen
Folie 41 C.Gutknecht/MB
August 2015
Prosonic Flow auf Kläranlagen?
Vorklärung NachklärungPumpstation Rechen Fett- und
Sandfang
Fäkalannahme-station
Biogas
Sandfilter
Primär-schlamm
Überschussschlamm
Rezirkulationsschlamm
Biologie
ÖffentlichesKanalnetz
Regen-becken
Desinfektion
Abwasserbehandlung
Schlammbehandlung
Auslegung von Messstellen
AZulauf
Rü-
Schlamm
Ablauf
Schlamm
Schlamm
Flockung/
Fällung
Bis 1 Gew% TS sind mit dem Clamp-On System sicher messbar.Daher ist der Rücklaufschlamm mit einer Teststellung anzusichernIm gesamten Schlammbereich kommt die US-Durchflussmessung nicht in Frage
Folie 42 C.Gutknecht/MB
INTERNA
L
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit !
Auslegung von Messstellen
Folie 43 C.Gutknecht/MB
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