Kein Durchflussmesser misst den Durchfluss. Jedes Gerät misst etwas, das die strömende Flüssigkeit an einer physikalischen Größe hinterlässt, die es erfassen kann: Es dreht einen Rotor, trägt Wärme stromabwärts, verzögert einen Schallimpuls oder induziert eine Spannung. Der Volumenstrom wird aus diesem Abdruck berechnet, und die Berechnung stützt sich auf Annahmen über die Flüssigkeit selbst.

Diesen Satz sollte man im Hinterkopf behalten, wenn man ein Durchflussdatenblatt liest, denn bei den Annahmen scheitern Projekte. Ein Messgerät, das bei sauberem Wasser korrekte Werte liefert, versagt bei Glykolgemischen, nicht weil sich das Messgerät verändert hat, sondern weil sich die Viskosität verändert hat und der erfasste Abdruck nicht mehr so auf den Durchfluss abbildet, wie die Kalibrierung es vorausgesetzt hat. Die Füllstandsmessung spielt dasselbe Spiel eine Ebene höher: Der Sensor misst eine Distanz, eine Kapazität oder einen Druck, und die Liter, die die Anwendung benötigt, werden über die Tankgeometrie und das Verhalten der Flüssigkeit abgeleitet. Wählt man das Messprinzip, dessen Annahmen die vorhandene Flüssigkeit erfüllen kann, ist der Rest des Designs eine Rechenaufgabe.

Die Abdrücke, die eine Flüssigkeit hinterlässt

Die Methoden hinter der Flüssigkeitsdurchflussmessung unterscheiden sich danach, welchen Abdruck sie erfassen. Ein Turbinenmesskopf bringt einen Rotor in den Strom und zählt Umdrehungen, wobei jeder Impuls einem festen Volumen entspricht. Das ist kostengünstig und direkt, bringt aber ein Lager in die Flüssigkeit ein, das Partikel abschleifen und die Impulse-pro-Liter-Kennzahl bei niedrigen Durchflüssen durch die Viskosität verfälschen. Ein elektromagnetischer Messgerät legt ein Magnetfeld über das Rohr und liest die Spannung ab, die die strömende Flüssigkeit induziert: das Faradaysche Gesetz mit der Flüssigkeit als Leiter, ohne bewegliche Teile, ohne Druckabfall, ohne Einbauten, aber mit der harten Anforderung, dass die Flüssigkeit überhaupt leitet. Wasser, Milch und Abwasser erfüllen diese Bedingung; Öle und Lösungsmittel nicht. Ein Ultraschall-Laufzeitmessgerät sendet Schallimpulse diagonal stromaufwärts und stromabwärts und wertet den Unterschied in den Ankunftszeiten aus, einen Unterschied, den der Durchfluss selbst erzeugt. Die Clamp-on-Ausführungen werden außen an einem vorhandenen Rohr befestigt, ohne es aufschneiden zu müssen, was sie zur bevorzugten Lösung für Nachrüstungen macht. Der Preis dafür ist die Anforderung an eine saubere, einphasige Flüssigkeit, da Blasen und Feststoffe den Strahl streuen. Ein thermischer Sensor heizt einen Punkt und beobachtet, wie schnell der Strom die Wärme davonträgt. Damit lassen sich Tröpfchenmengen auflösen, die andere Geräte nicht wahrnehmen. Der klassische Differenzdruckgeber mit Blende verengt den Strom durch eine bekannte Drossel und misst den Druckabfall: robust, normiert und erkauft durch einen dauerhaften Pumpverlust. Fünf Abdrücke, fünf Vereinbarungen mit der Flüssigkeit, und die Auswahl ist der Vorgang, diese Vereinbarungen mit der tatsächlich im Rohr vorhandenen Flüssigkeit abzugleichen.

Alle diese Geräte setzen zudem ein Strömungsprofil voraus, das sie bei nachlässiger Installation selten vorfinden. Die Lehrbuchwerte für eine vollständig ausgebildete Strömung erfordern eine gerade Rohrstrecke von zehn bis zwanzig Durchmessern, und ein Bogen oder ein halbgeöffnetes Ventil unmittelbar stromaufwärts lässt den Strom drallen und unsymmetrisch werden. Eine Turbine liest das als einige Prozent Phantomdurchfluss, ein Ultraschallmesspfad als verzerrte Laufzeit. Die Abhilfe liegt in der Rohrleitungsführung, nicht in der Elektronik: gerade Strecke vor dem Messgerät oder ein Strömungsgleichrichter, der den Drall herausfiltern. Die Genauigkeitsangabe im Datenblatt setzt stillschweigend eines von beidem voraus.

Volumen ist die andere Falle, die in der Aufgabenstellung steckt. Eine Turbine und ein Ultraschallmessgerät melden Volumen pro Sekunde, und Volumen ist eine Funktion der Temperatur: Dieselben Kilogramm Flüssigkeit dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, wenn der Tag wärmer und kühler wird. Ein volumetrischer Messwert driftet daher gegenüber dem, was die Prozesschemie eigentlich interessiert: Moleküle, Masse. Bei Flüssigkeiten ist der Fehler gering und wird oft vernachlässigt. Bei Gasen ist er enorm, denn die Dichte eines Gases verändert sich gleichzeitig mit Druck und Temperatur, und ein Liter Luft am Kompressorausgang ist nicht dasselbe wie ein Liter an der Düse. Das Standardvolumen, bezogen auf eine feste Temperatur und einen festen Druck, ist der übliche Ausweg. Es ist im Grunde Massenfluss im Gewand eines Volumens: Die Dichte ist in die Referenz eingerechnet statt direkt gemessen.

Massenfluss, wo es auf das Gas ankommt

Der SFM3019 misst den Gasmassenstrom bei niedrigem Druckabfall, und er ist das Bauteil, das man genau studieren sollte, weil beide Hälften seines Namens die Spezifikation beschreiben. Es handelt sich um einen thermischen MEMS-Sensor: ein Heizelement auf einer Membran, Temperatursensoren auf beiden Seiten, und die vorbeiströmende Gasmasse verlagert die Wärmeverteilung. Das Ergebnis ist direkt der Massenfluss, ohne Dichtekorrektur, ohne begleitende Druck- und Temperaturmessungen für eine Umrechnung. Der Sensor leistet dem Gas praktisch keinen Widerstand: Der Druckabfall ist so gering, dass ein Patient, der durch ihn atmet, das Instrument nicht spürt. Genau das war die Auslegungsanforderung: Es ist ein Beatmungs- und Atemwegs-Bauteil, dimensioniert für die Strömungsmengen, die eine Lunge erzeugt, bidirektional, damit Ein- und Ausatmen mit ihren Vorzeichen erfasst werden, schnell genug, um den Verlauf eines einzelnen Atemzugs abzubilden, und werkseitig für Luft und Sauerstoff kalibriert, die Kurven im Chip gespeichert. Die Messwerte werden über I²C mit abgeschlossener Umrechnung ausgegeben: Der Durchfluss liegt bereits in Standardlitern pro Minute vor, und ein Statuswort kennzeichnet jeden Messwert, der die kalibrierte Kurve verlässt. Varianten decken verschiedene Vollausschlagsbereiche ab, sodass ein Gehäuse für einen Erwachsenen-Beatmungsgerät oder einen Neugeborenen-Kreislauf geeignet ist, bei denen sich die Strömungsmengen um mehr als eine Dekade unterscheiden. Die gleichen Eigenschaften, die einen Beatmungsgerät-Einsatz ermöglichen, eignen sich für jede Niederdruckpneumatikmessung, bei der eine Behinderung der Leitung nicht vertretbar ist: Gasanalyse, Brennstoffzellen, Leckprüfung. Das Bauteil ist der klarste Beleg dafür, dass für Gase die Messung der Masse überall dort der Volumenmessung überlegen ist, wo die Moleküle zählen.

Der thermische Massenfluss hat einen Konkurrenten im Coriolis-Messgerät, das ein schwingungsbeaufschlagtes Rohr verwindet, während Masse hindurchströmt, und damit den wahren Massenfluss, die Dichte und sogar einen Hinweis auf die Flüssigkeitsidentität liefert. Es ist das Referenzinstrument, gegen das die günstigeren Messgeräte geprüft werden. Es ist jedoch auch schwer, kostspielig und ein echter Strömungswiderstand in der Leitung, das Gegenteil von dem, was ein Atemkreislauf aufnehmen kann. Deshalb besetzt der thermische MEMS-Sensor den Niederdruckgas-Bereich, den ein Coriolis-Rohr nicht erreichen kann. Beide messen Masse; sie stehen an entgegengesetzten Enden dessen, was diese Messung die Strömung kosten darf.

Das Gas muss nicht drücken; der Sensor muss nur zuhören.

Füllstand: messen, wo sich die Oberfläche befindet

Die berührungslosen Verfahren zur Flüssigkeitsfüllstandsmessung existieren, weil der Kontakt mit der Flüssigkeit so oft das ist, was das Design vermeiden muss: Säure, die Sonden angreift, Lebensmittellinien, die am Ort gereinigt werden müssen, versiegelte Tanks, die niemand anbohren darf. Kapazitive Sensoren erfassen den Füllstand durch die Kunststoffwand hindurch: Elektroden außen, die Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit signalisiert von innen, ohne jegliche Durchdringung. Ultraschall-Laufzeitmessung sendet vom Tankdach ab und misst die Laufzeit des Echos von der Oberfläche, das luftseitige Gegenstück der Entfernungsmesser. Radar macht dasselbe mit Mikrowellen und gewinnt damit Unempfindlichkeit gegenüber dem Dampf, dem Schaum und den Temperaturgradienten, die Schall ablenken, zum Radar-Preis. Optische Reflexion bedient die kleine Seite: Eine Diode und ein Detektor beobachten die Oberfläche, blind für Dielektrizität und Leitfähigkeit, aber zu täuschen durch einen anhaftenden Tropfen am Fenster. Das Wiegen des gesamten Tanks umgeht die Geometrie vollständig: Drei Wägezellen melden die Masse, während die Flüssigkeit schwappt, wie sie will. Das ist die ehrliche Antwort für ein Pulver oder eine Suspension, die kein Oberflächenverfahren lesen kann, bezahlt durch Halterungen, die keine Last an den Zellen vorbeileiten dürfen. Jedes dieser Verfahren misst die Oberflächenposition oder die Masse; keines misst Liter, und die Umrechnung über die Tankform ist die Hausaufgabe der Anwendung.

Die Entscheidung zwischen Ultraschall und Radar über einem Tank ist eine Budgetentscheidung im Gewand einer physikalischen. Schall braucht eine verhaltensgerechte Luftsäule, und ein Tank, der nahe dem Dach heiß wird, sich mit Lösungsmitteldampf füllt oder eine Schaumdecke aufbaut, lenkt den Impuls ab oder schluckt ihn. Mikrowellen ignorieren alle drei Effekte und reflektieren an der dielektrischen Grenzschicht an der Oberfläche, unabhängig davon, was im darüber liegenden Raum treibt. Deshalb hat Radar die Raffinerie und das Silo gewonnen, während Ultraschall den Wassertank und die günstigere Maschine behielt. Der zurückkommende Wert ist derselbe, eine Distanz zur Oberfläche; was sich unterscheidet, ist, auf wie viele Arten der Raum über der Flüssigkeit darüber lügen kann.

Schwimmer und getauchte Drucksensoren leisten nach wie vor gute Dienste, wo Kontakt erlaubt ist. Ein Schwimmer ist in einem Schacht praktisch unzerstörbar, und ein Drucktransmitter am Tankboden liest die Flüssigkeitssäule direkt ab: statischer Druck proportional zu Höhe mal Dichte, mit der Dichteabhängigkeit als Kleingedrucktem. Ein heißer Tank zeigt bei gleicher Füllhöhe einen niedrigeren Wert als ein kalter. Die tauchfähige Ausführung lässt einen abgedichteten Wandler an seinem eigenen Kabel auf den Boden, ein Belüftungsrohr mittig geführt gleicht den Luftdruck aus, und das Ergebnis ist die Flüssigkeitshöhe, sobald die Dichte bekannt ist. Das macht ihn zum Arbeitstier der Brunnen- und Reservoirstandsmessung, wo einige Prozent Genauigkeit ausreichen und dem über dem Wasser befindlichen Aufbau nicht vertraut werden kann. Die berührungslosen Verfahren vermeiden das, tauschen es aber gegen ihre eigenen Empfindlichkeiten über der Oberfläche ein. Es gibt keine neutrale Wahl, nur den Satz von Fehlern, mit dem der Prozess am leichtesten leben kann.

Die Montage eines Ultraschall-Füllstandssensors ist eine eigene Disziplin, und die Montage bestimmt mehr von der Genauigkeit als der Sensor selbst. Der Wandler klingt nach jedem Impuls nach und ist taub, bis das Nachklingen abgeklungen ist. Das erzeugt eine Blindzone unterhalb der Messfläche: Eine Oberfläche, die näher als diese Distanz liegt, liefert Unsinn. Der Sensor benötigt daher Kopfraum oberhalb des maximalen Füllstands, genau die eine Dimension, die Datenblätter abdrucken und Montagefachleute ignorieren. Der Schallkegel weitet sich auf, und alles innerhalb des Kegels antwortet: eine Leitersprosse, ein Rührerblatt, die Tankwand bei schräger Montage, jedes ein Phantomreflexionspunkt für die Firmware, den sie verwerfen muss. Die Messfläche muss senkrecht auf die Flüssigkeit ausgerichtet sein, denn ein schräger Strahl lenkt seine Energie ab, und das Echo kommt schwach zurück. Schaum ist der Albtraum: eine weiche, absorbierende Decke, die den Impuls schluckt und entweder nichts oder die Schaumoberkante statt der Flüssigkeit zurückwirft. Starker Schaum ist das Zeichen, auf Radar oder kapazitive Messung umzusteigen. Und die Schallgeschwindigkeit selbst driftet mit der Lufttemperatur, etwa ein Sechstel Prozent pro Grad. Ein Sensor ohne Temperaturkompensation wandelt einen warmen Nachmittag in eine Füllstandsverschiebung um, die der Tank nie hatte.

Das Medium schreibt das Datenblatt

Kehrt man die Annahmen um, wählt die Flüssigkeit selbst die Technologie aus. Bei leitfähigen und verschmutzten Medien ist das elektromagnetische Messgerät schwer zu übertreffen, weshalb es die Wasseraufbereitung dominiert. Saubere, nichtleitende Kohlenwasserstoffe sind im Bereich von Turbinen- und Ultraschallmessgeräten angesiedelt. Eine Nachrüstung an einem Rohr, das nicht aufgeschnitten werden kann, spricht für Clamp-on-Ultraschall. Dosierprozesse in kleinstem Maßstab sprechen für thermische Messung. Für Gase gilt grundsätzlich Massenfluss, und ein Atemkreislauf erfordert speziell die Ausführung mit niedrigem Druckabfall. Blasen sind der universelle Saboteur: Sie streuen Ultraschall, unterbrechen den Leitpfad, den ein elektromagnetisches Messgerät für seinen Strom braucht, und lassen eine Turbine auf Luft drehen, die sie als Flüssigkeit zählt. Eine Flüssigkeit, die als zweiphasiger Schaum ankommt, besiegt den Katalog. Die ehrliche Lösung liegt stromaufwärts: ein Entgasungsbehälter oder eine gerade Beruhigungsstrecke, kein ausgefeilteres Messgerät. Mitgerissene Luft von nur wenigen Volumenprozent erscheint einem thermischen oder Turbinenmessgerät als Durchfluss, der nicht vorhanden ist, und verursacht beim Ultraschallgerät einen Signalausfall. Deshalb stellt ein Abrechnungs-Messstand einen Luftabscheider vor das Messgerät, standardmäßig.

Kalibrierung ist die stillere Hälfte der Genauigkeit. Der K-Faktor einer Turbine ist bei einer Referenzviskosität angegeben und weicht an den Rändern des Messbereichs davon ab; ein Ultraschallpfad misst seine eigene Geometrie in das Ergebnis ein; jedes Messgerät gibt ein Umsetzungsverhältnis an, die Spanne zwischen dem größten und dem kleinsten ehrlich messbaren Durchfluss. Ein Messgerät, das für das Rohr statt für den tatsächlichen Durchflussbereich dimensioniert wurde, betreibt den Prozess am unehrlichen Ende dieser Spanne. Das Messgerät, das bei Auslegungsdurchfluss perfekt arbeitet und beim nächtlichen Tröpfchen versagt, war nicht falsch gebaut, sondern falsch dimensioniert.

Genauigkeitsklassen verbergen einen verwandten Trick darin, wie der Prozentsatz ermittelt wird. Ein als Prozent des Vollausschlags angegebener Wert ist eine feste Literzahl, die bei sinkendem Durchfluss zu einem immer größeren Anteil am Messwert wird. Ein Messgerät mit halber Prozent vom Vollausschlag liegt bei einem Zehntel seines Bereichs um mehrere Prozent falsch, während ein Gerät mit Prozent vom Messwert seinen relativen Fehler über den gesamten Bereich hält. Zwei Geräte mit ähnlichen Werbeaussagen können am unteren Ende um das Zehnfache voneinander abweichen.

Ein Detail verbindet das alles mit dem vernetzten Gerät, um das es in dieser Serie geht: Viele Durchflussmesser kommunizieren in Impulsen, eine Flanke pro festem Volumen, und ein nachgelagerter Totalisator zählt diese zu einer laufenden Summe auf. Dieses Interface ist robust und etwas simpel. Es verbirgt die momentane Rate, die ein Regelkreis benötigen könnte. Ein Design, das sowohl den aktuellen Durchfluss als auch das bisherige Volumen braucht, wählt entweder ein Messgerät mit digitalem Ausgang wie den SFM3019 oder kombiniert die Impulsspur mit eigener Zeitmessung. Das Messgerät legt damit still fest, was die übergeordnete Firmware überhaupt abfragen kann.

Die Auswahl läuft also so ab: Was ist die Flüssigkeit, leitfähig oder nicht, sauber oder nicht, flüssig oder gasförmig; was darf sie berühren; was das Rohr zulässt; und erst dann, welchen Abdruck man lesen soll. Die vier Artikel unter diesem hier gehen die Zweige ab: die Flüssigkeitsdurchflussprinzipien im Detail, der SFM3019 als durchgearbeitetes Beispiel für Gas-Massenfluss, den berührungslosen Füllstand-Werkzeugkasten und die Ultraschall-Montageregeln, die verhindern, dass ein guter Sensor schlechte Antworten liefert. Keiner der vier wiederholt diese Übersicht; jeder geht in die Details, auf die die übergeordnete Seite nur hinweist. Zuerst Durchfluss, dann Füllstand, und in beidem gilt dieselbe Disziplin: Benennen Sie die Annahme, auf der der Messwert beruht, und prüfen Sie dann, ob die Flüssigkeit im Rohr oder im Tank diese Annahme erfüllt.

Die Flüssigkeit liest das Datenblatt nicht. Sie behält ihre eigenen Eigenschaften, und das Messgerät, das mit ihnen übereinstimmt, ist jenes, das ehrlich bleibt, nachdem der Inbetriebnahmeiungenieur weggefahren ist.