Durchflussmessung Reynoldszahl: Verfahren auswählen

Das Wichtigste auf einen Blick

Laminare und turbulente Strömung: Was die Reynoldszahl beschreibt

In Rohren gilt: Re = (v · D) / ν. v ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, D der Innendurchmesser, ν die kinematische Viskosität. Die kinematische Viskosität ändert sich mit der Temperatur.

Unter Re < 2300 ist die Strömung laminar, das Profil ist parabelförmig. Von Re 2300 bis Re 4000 liegt der Übergangsbereich, in dem die Strömung instabil sein kann. Oberhalb von Re 4000 ist die Strömung turbulent; das Profil wird flacher und die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt gleichmäßiger. Ein Beispiel: Wasser mit 1 m/s in DN 50 ergibt Re etwa 50.000.

Für die Auswahl des Messverfahrens entscheidet nicht nur der Zahlenwert. Entscheidend ist, ob das Messprinzip ein definiertes Profil voraussetzt. Wirkdruckverfahren nach ISO 5167 nutzen die Bernoulli-Gleichung und brauchen ein gut ausgebildetes Profil. Coriolis-Geräte messen dagegen den Massestrom unabhängig vom Profil. Hersteller wie Krohne Durchflussmesstechnik bieten Geräte für beide Prinzipien an.

Drosselgeräte nach ISO 5167: Reynoldszahl und Einbaulängen

ISO 5167 regelt Normblenden, Düsen und Venturi-Rohre. Die Norm nennt für jedes Drosselgerät einen zulässigen Reynoldszahlbereich. Normblenden werden in der Praxis ab Re_D von etwa 5.000 eingesetzt. Venturi-Rohre und Düsen arbeiten häufig im Bereich Re > 100.000, weil ihre Kontur strömungsgünstiger ist. Für Gase gelten zusätzliche Expansionskorrekturen nach ISO 5167.

Hersteller wie Siemens und Endress+Hauser liefern Wirkdruckgeber. Das Portfolio von Krohne umfasst komplette Messstrecken. Bei knappen Einbaulängen helfen Strömungsgleichrichter, doch sie erzeugen einen zusätzlichen Druckverlust.

Coriolis, Ultraschall und magnetisch-induktive Geräte

Coriolis-Durchflussmessgeräte arbeiten nach dem Prinzip der Corioliskraft. Sie messen den Massestrom direkt; die Reynoldszahl des Geschwindigkeitsprofils ist kein allgemeines Auswahlkriterium. Einen universellen Re-Grenzwert gibt es nicht: Maßgeblich sind die Betriebsgrenzen des jeweiligen Geräts. Einbaulängen von 0 D sind möglich, doch Pumpenpulsation und Vibrationen sind zu vermeiden. Endress+Hauser Proline, Krohne Optimass und Siemens Sitrans F C sind Beispiele. Emerson Durchflussmessung umfasst Coriolis- und Ultraschallgeräte.

Ultraschall-Durchflussmessgeräte nutzen Laufzeitdifferenzen (Transit-Time) oder Doppler-Effekte. Transit-Time-Geräte werden häufig bei turbulenter Strömung, etwa ab Re > 10.000, eingesetzt; das ist kein allgemeingültiger Mindestwert. Für Doppler-Geräte gibt es ebenfalls keinen universellen Re-Grenzwert; entscheidend ist unter anderem, ob genügend Partikel oder Gasblasen im Medium vorhanden sind.

Clamp-on-Geräte von FLEXIM lassen sich ohne Eingriff in die Rohrleitung nachrüsten. Sie benötigen typisch 10 D beruhigtes Profil stromaufwärts und 5 D stromabwärts. Die Messunsicherheit liegt bei etwa 1 Prozent bis 2 Prozent vom Volumenstrom.

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte nach Faraday benötigen ein leitfähiges Medium ab etwa 5 µS/cm. Für diese Geräte gibt es keinen allgemeinen Re-Zahlenbereich als Auswahlgrenze; sie messen volumetrisch und eignen sich auch für kleine Geschwindigkeiten. Sie sind vergleichsweise unempfindlich gegen Profiländerungen, die Einbauvorgaben des Geräts bleiben aber maßgeblich. Üblich sind 5 D Einlauf und 3 D Auslauf. ABB ProcessMaster, Krohne Optiflux und Siemens Sitrans F M sind typische Baureihen. Die Messunsicherheit liegt typisch bei 0,2 Prozent bis 0,5 Prozent vom Volumenstrom.

Reynoldszahl und Einbau im Verfahrensvergleich

Die genannten Einbaulängen sind Orientierungen, keine universellen Vorgaben für jede Messstelle. Für Drosselgeräte sind die konkrete Ausführung und der jeweilige Störkörper entscheidend; ISO 5167 enthält dafür die gerätespezifischen Anforderungen.

Störkörper, Messunsicherheit und eichrechtliche Anforderungen

Störkörper wie Ventile, Reduzierstücke und Messsonden verzerren das Profil. Die Messunsicherheit steigt, wenn das Gerät außerhalb seines Reynoldszahlbereichs betrieben wird. Bei Drosselgeräten wirken bereits kleine Abweichungen im Profil auf den Wirkdruck. Eine Drallströmung kann den Wirkdruck um mehrere Prozent verfälschen.

Für eichpflichtige Messungen gelten das Mess- und Eichgesetz (MessEG) und die Mess- und Eichverordnung (MessEV). Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) übernimmt technische Aufgaben im gesetzlichen Messwesen; für Eichungen und Überwachungsaufgaben sind grundsätzlich die Eichbehörden der Länder zuständig. Maßgeblich sind die Zulassung des Geräts sowie die darin festgelegten Reynoldszahlbereiche und Einbaubedingungen.

Eine Kalibrierung im Betrieb ist kein Ersatz für die hydraulische Auslegung. Beamex beschreibt Kalibrierprozesse, doch die Profilbedingungen müssen vorher stimmen. Eine regelmäßige Kalibrierung sichert die Rückführbarkeit, ersetzt aber keine Profilkorrektur.

Schrittfolge zur Auswahl der Durchflussmessstelle

Häufige Fragen

Wann ist die Strömung laminar?

Laminar ist die Strömung unter Re 2300. Dort ist das Profil parabelförmig. Von Re 2300 bis Re 4000 liegt der Übergangsbereich; oberhalb Re 4000 ist die Strömung turbulent. Coriolis-Geräte haben keinen allgemeinen Re-Grenzwert als Auswahlkriterium, während Wirkdruckverfahren die passenden Bedingungen nach ISO 5167 benötigen.

Welche Reynoldszahl braucht eine Normblende?

Normblenden nach ISO 5167-2 werden in der Praxis häufig ab Re_D von etwa 5.000 eingesetzt. Das ist eine Orientierung, kein allgemeingültiger Grenzwert für jede Normblende: Der zulässige Bereich hängt von der Ausführung und den Normbedingungen ab. Für die konkrete Messstelle sind die Grenzen der Norm und des verwendeten Geräts maßgeblich.

Wie viele Einlaufstrecken sind nötig?

Das hängt vom Störkörper ab. Ein einfacher Krümmer kann 10 D bis 20 D erfordern, kombinierte Störungen 20 D bis 40 D. Ultraschall und magnetisch-induktive Geräte kommen oft mit 5 D bis 10 D aus. Strömungsgleichrichter verkürzen die Strecke, erzeugen aber Druckverlust.

Warum ist die Reynoldszahl bei Coriolis nicht entscheidend?

Coriolis-Geräte messen die Corioliskraft eines schwingenden Rohres. Der Massestrom wird nicht aus dem Geschwindigkeitsprofil abgeleitet; die Reynoldszahl ist deshalb kein allgemeines Auswahlkriterium. Einen universellen Re-Grenzwert gibt es nicht, maßgeblich sind die Betriebsgrenzen des jeweiligen Geräts.

Muss ich eichpflichtige Messgeräte anders auslegen?

Ja. Für eichpflichtige Geräte gelten das Mess- und Eichgesetz (MessEG) und die Mess- und Eichverordnung (MessEV). Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) übernimmt technische Aufgaben im gesetzlichen Messwesen; Eichungen und Überwachungsaufgaben liegen grundsätzlich bei den Eichbehörden der Länder. Die Zulassung nennt die maßgeblichen Reynoldszahlbereiche und Einbaubedingungen. Abweichungen können die Eichgültigkeit berühren.