Kalibrierung und Grundlagen der UVC-Kalibrierung

Wie jedes andere Messgerät, so zeigt auch ein Turbinen-Durchflussmesser bei physikalischen Messaufgaben gewisse Nebeneffekte auf, die für die Messaufgabe nicht erwünscht sind. Eigentlich nur für das Messen von Durchflussmengen oder -volumina konzipiert, reagiert ein TurbinenDurchflussmesser nämlich auch auf die Viskosität, die Dichte und die Fließgeschwindigkeit des Fluids. Nachfolgend nun eine kurze technische Erläuterung über den Effekt der Abhängigkeit von Turbinen-Durchflussmessern gegenüber der Viskosität und eine Beschreibung der UVC-Methode, mit der eine Kompensation dieses Effekts ermöglicht wird.

Dynamische Viskosität

Die dynamische Viskosität η (griech. Eta), auch gelegentlich μ, ist das Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Die Maßeinheit hierfür lautet mPa.s (früher cP Centipoise). Je größer der Zahlenwert der Viskosität desto dickflüssiger ist das Fluid.

Wasser und Benzin z.B. sind Fluide mit relativ geringer Viskosität, sie fließen sehr leicht und werden häufig als nahezu reibungsfrei bezeichnet. Motorenöl und Honig z. B. sind Fluide mit höherer Viskosität, sie sind also dickflüssiger. Gerade beim Honig ist es seine hohe Viskosität, die ihn daran hindert im kalten Zustand aus dem Glas zu fließen.

Ein Ansteigen der Viskosität erfordert eine größere Kraft um ein Fluid in Fluss oder Bewegung zu bringen. Ein Anstieg der Viskosität erfordert also gleichwohl einen höheren Energieaufwand um ein Fluid mit der gleichbleibenden Menge zu transportieren. Andererseits erhöht sich der Durchfluss des Fluids bei konstantem Förderdruck und sinkender Viskosität.

Die dynamische oder auch absolute Viskosität η eines Fluids ist sehr stark temperaturabhängig. Ein Absinken der Temperatur bewirkt gleichzeitig eine Erhöhung der dynamischen bzw. absoluten Viskosität η. Deshalb haben Temperaturänderungen des Fluids maßgeblichen Einfluss auf die Messergebnisse von Turbinen-Durchflussmessern.

Kinematische Viskosität

Das Verhältnis zwischen dynamischer Viskosität η und Dichte ρ des Fluids wird als kinematische Viskosität ν definiert. Die Maßeinheit hierfür lautet mm²/s (früher cSt Centistoke)

v = η / ρ

Die kinematische Viskosität ist die für die Anwendung von Turbinen-Durchflussmessern entscheidend!

Effekte durch Temperatur und Druck

Wie bereits erwähnt, ist die dynamische Viskosität η eines Fluids sehr stark temperaturabhängig. Nicht nur bei Fluiden, auch bei Gasen bewirkt das Absinken der Temperatur einen Anstieg der dynamischen Viskosität η.

Bei niedrigen Drücken im System ist der Einfluss auf die dynamische Viskosität η vernachlässigbar. Ein Druck von > 70 bar wiederum hat einen messbaren Einfluss auf die dynamische Viskosität η.

Die kinematische Viskosität ν – als Quotient aus dynamischer Viskosität η und jeweiliger Dichte ρ – wird sowohl durch Druck, als auch durch Temperaturänderungen entscheidend beeinflusst. Die kinematische Viskosität ν zeigt hierbei eine proportionale Abhängigkeit von Druck und Temperatur. Bei Gasen sind die Dichte und konsequenterweise die kinematische Viskosität ν sehr stark druckabhängig. Es ist also definitiv die kinematische Viskosität ν, die die Funktion und Wirkungsweise eines Turbinendurchflussmessers maßgeblich beeinflusst.

Reynolds-Zahl – Laminare und turbulente Strömung

Beim Fließverhalten von Fluiden unterscheidet man zwischen laminarer und turbulenter Strömung.

Bei einer laminaren Strömung fließt das Fluid in sog. „Schichten“, diese gleiten fast reibungslos übereinander. Es herrscht keine Durchmischung zwischen den „Schichten“, da die Trägheitskräfte die Relativbewegung zwischen den „Schichten“ dämpfen. Da jede einzelne „Schicht“ des Fluids im Grunde neben der anderen benachbarten „Schicht“ liegt, steigt mit dem Abstand zur Rohrwandung die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (Wandreibung). Daraus entsteht eine parabolische Geschwindigkeitsverteilung im Rohr.

Bei einer turbulenten Strömung sind keine getrennten “Schichten” im Fluid mehr vorhanden. Die Bewegungsenergie des Fluids überwindet die Trägheitskräfte und es kommt zur dauerhaften und steten Durchmischung im Massestrom. Das nun existierende Strömungsprofil im Rohr wird flacher.

Als Kennzahl (dimensionslos) für die Beurteilung, ob eine laminare oder turbulente Strömung vorliegt, wird die Reynolds-Zahl Re verwendet.

Definition:

Re = d · V · ρ / η mit ν = η / ρ
Re = d · V / ν

Wobei:

d = Rohrinnendurchmesser
V = Strömungsgeschwindigkeit des Fluids
ρ = Dichte des Fluids
ν = kinematische Viskosität
η = dynamische Viskosität

Der Zähler in der Reynolds-Zahl steht in direktem Bezug zur Trägheitskraft des Fluids. Im Nenner steht die kinematische Viskosität des Fluids und bezieht sich damit unmittelbar auf die herrschenden Zähigkeitskräfte (Viskosität) im Fluid. Die Reynolds-Zahl drückt also das Verhältnis zwischen Trägheitskräften und Zähigkeitskräften
(Viskosität) aus.

Da große Trägheitskräfte (Geschwindigkeit) mit einer turbulenten Strömung und andererseits große Zähigkeitskräfte (Viskosität) mit einer laminaren Strömung in Zusammenhang stehen, so ist zu erwarten, dass eine hohe Reynolds-Zahl auf eine turbulente Strömung hinweist. Im Gegensatz dazu weist eine niedrige Reynolds-Zahl auf eine laminare Strömung hin. Der Übergang von einer laminaren in eine turbulente Strömung findet in der Hydraulik bei einer Reynolds-Zahl zwischen 2.000 und 4.000 statt. Eine Reynolds-Zahl von > 5.000 weist eindeutig auf eine turbulente Strömung hin.

Reibungswiderstand an Turbinen-Durchflussmessern

An allen inneren Oberflächen des Turbinen-Durchflussmessers, mit denen das Fluid in Verbindung kommt, entstehen Reibungswiderstände, und zwar nicht nur an der Gehäuseinnenwand, sondern auch in den Lagern des Rotors und an den Rotorblättern selbst. Der Reibungswiderstand entsteht auf der Oberfläche der Rotorblätter und erzeugt dort auf den Rotor sowohl eine Axialkraft in Flussrichtung als auch ein Verzögerungsmoment. Aufgrund der Verzögerungskraft durch das viskose Medium beginnt sich der Rotor bei einem hochviskosen Medium nicht so schnell zu drehen wie bei einem niedrigviskosen Medium. Der Rotor gleitet oder schwimmt eigentlich im Flüssigkeitsstrom und die Rotorblätter lenken die Flüssigkeit leicht ab. Ein Resultat dieses Gleitens ist, dass die Rotationsbewegung des Rotors verzögert wird. Dieses Gleiten oder Schwimmen des Rotors ist sowohl von der kinematischen Viskosität des Fluids als auch von dessen Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Daraus folgt, dass die Arbeitsweise eines Turbinen-Durchflussmessers von der Reynolds-Zahl abhängig ist, die an sich wiederum die Art der aktuellen Strömung beschreibt.

Der Reibungswiderstand ist auch ein Grund für den Druckverlust, der über den Turbinen-Durchflussmesser entsteht. Ansteigende Viskositätswerte begrenzen hierbei die maximal erreichbaren Durchflusswerte.