SICK-Durchflussmesstechnik: Leitfaden zu Durchfluss, Verbrauch und Prozessüberwachung

Die Durchflussmessung ist kein Bereich, in dem ein einziger Durchflussmessertyp gleichermaßen für Gase, Flüssigkeiten und Schüttgüter eingesetzt werden kann. Der Druckluftverbrauch, der Volumenstrom einer Flüssigkeit im Rohr, die Vermeidung des Trockenlaufs einer Pumpe und der Volumenstrom des Materials auf einem Förderband erfordern unterschiedliche physikalische Prinzipien und Einbauregeln. Dieser Katalogleitfaden vergleicht die aktuellen SICK-Produktfamilien FTMg, T-Easic FTS, FFU und Bulkscan anhand der jeweiligen Messaufgabe. Technische Werte gelten ausschließlich für die ausdrücklich mit Namen und Artikelnummer bezeichnete Familie oder Variante; die endgültige Auswahl muss anhand des aktuellen Datenblatts, der Prozessbedingungen und der Machbarkeit vor Ort erfolgen.

Die Durchflussmessaufgabe richtig definieren

Die Auswahl beginnt nicht mit der Frage „Wie viele Liter?“, sondern mit dem Aggregatzustand des Mediums und der gewünschten Entscheidung. In einem Kühlkreislauf muss möglicherweise nur bestätigt werden, dass ausreichend Durchfluss vorhanden ist; bei einer Abfüllmaschine wird das pro Zyklus durchgeflossene Gesamtvolumen benötigt; in einer Druckluftleitung sind Verbrauch sowie Druck- und Temperaturverlauf relevant; bei einem Förderband im Bergbau kann dagegen der Volumenstrom aus dem Materialprofil auf dem Band gefragt sein. Maßeinheit, Referenzbedingungen, Aktualisierungszeit, zulässige Toleranz und die Verwendung der Daten zur Regelung oder Überwachung sollten bereits in den ersten Zeilen der technischen Spezifikation stehen.

Volumenstrom, auf Standard- oder Normbedingungen umgerechnetes Gasvolumen, Massenstrom und aufsummierte Menge sind nicht gegeneinander austauschbar. Da sich das Gasvolumen mit Druck und Temperatur verändert, müssen die Referenzbedingungen ausdrücklich angegeben werden. Bei Schüttgut misst ein Laserscanner nicht direkt das Gewicht; zunächst wird aus dem Oberflächenprofil das Volumen berechnet, anschließend wird die Masse anhand der festgelegten Dichte abgeleitet. Verändern Feuchtigkeit oder Korngrößenverteilung die Dichte desselben Materials, verändert sich auch die Unsicherheit des daraus abgeleiteten Massenergebnisses.

Messprinzip auf die Anwendung abstimmen

Diese vier Ansätze sind keine stufenweise „weiterentwickelten“ Versionen voneinander. Während T-Easic FTS für die Überwachung von Durchflussschwellen und den Pumpenschutz nützlich sein kann, bietet FFU möglicherweise eine geeignetere Architektur für die präzise Inline-Summierung. FTMg konzentriert sich auf Energietransparenz in Gasleitungen und wird nicht für Flüssigkeiten eingesetzt. Bulkscan wird dagegen überhaupt nicht an eine Rohrleitung angeschlossen und ist für das Profil auf einem Förderband ausgelegt. Die richtige Technologie ist nicht diejenige mit den meisten Funktionen, sondern diejenige, die die Aufgabe unmittelbar erfüllt und dabei eine akzeptable Messunsicherheit und einen akzeptablen Wartungsbedarf aufweist.

Druckluft- und Gasüberwachung: FTMg

FTMg ist eine multifunktionale Sensorfamilie, die Gasdurchfluss und Temperatur kalorimetrisch sowie den Prozessdruck piezoresistiv misst. Die aktuelle SICK-Produktseite nennt Druckluft und nicht korrosive Gase wie Argon, Kohlendioxid und Stickstoff. Der Sensor kann bis zu acht Prozessparameter bereitstellen, darunter Strömungsgeschwindigkeit, Volumenstrom, Gesamtvolumen, Massenstrom, Gesamtmasse, Energie, Druck und Temperatur. Eine interne Datenaufzeichnung über sieben Tage und statistische Auswertungen helfen dabei, Verbrauchsänderungen und mögliche Leckagetrends sichtbar zu machen.

Die Anschlussarchitektur wird abhängig von der Variante ausgewählt. Die Produktfamilie umfasst Schalt-/Analogsignale und IO-Link bei der Industrieausführung sowie webbasierten Zugriff und Optionen wie REST API, MQTT und OPC UA bei der Ethernet-Ausführung. Die bloße Nennung dieser Protokolle bedeutet noch keine abgeschlossene Integration. PLC-Datenabbild, Abtastintervall, Referenzeinheit, Zeitstempel, Netzwerksicherheit und die im übergeordneten System zu speichernde Historie müssen definiert werden. Die von FTMg berechnete pneumatische Energiekennzahl darf nicht als direkte Messung elektrischer Energie am elektrischen Eingang des Kompressors dargestellt werden.

Konkretes Variantenbeispiel: FTMG-ISN50SXX

Das Datenblatt des FTMG-ISN50SXX mit der Artikelnummer 1122525 nennt DN50 und einen 2 inç NPT-Anschluss, einen Standardmessbereich von 58,9–11.780,9 l/dakika, eine Obergrenze von bis zu 17.671,5 l/dakika im erweiterten Bereich, einen Prozessdruck von 0–16 bar und eine Prozesstemperatur von −20…+60 °C. Angegeben sind eine Ansprechzeit von unter 0,3 Sekunden, IO-Link 1.1 zur Kommunikation und die Gehäuseschutzart IP65/IP67. Die Durchflusswerte sind unter Berücksichtigung der Referenzbedingungen nach DIN 1343 zu lesen. Diese Angaben gelten ausschließlich für diese Artikelnummer und dürfen nicht auf FTMg-Varianten mit anderen Durchmessern oder Anschlüssen übertragen werden.

Bei einer Druckluftleitung werden minimaler, normaler und maximaler Verbrauch gemeinsam bewertet, statt den Sensordurchmesser ausschließlich anhand des Hauptrohrdurchmessers auszuwählen. Ein zu großer Messquerschnitt kann die Empfindlichkeit bei geringem Durchfluss einschränken; ein zu kleiner Querschnitt kann Druckverluste und Kapazitätsprobleme verursachen. Gasqualität, Kondensat, Ölgehalt, Filteranordnung und Strömungsrichtung werden gemäß Betriebsanleitung geprüft. Für die Leckageüberwachung sollten der Grundverbrauch während Produktionsstillständen sowie Schicht- und Rezeptinformationen auf derselben Zeitachse aufgezeichnet werden.

Durchflussüberwachung und Pumpenschutz bei Flüssigkeiten: T-Easic FTS

T-Easic FTS misst Durchfluss und Temperatur kalorimetrisch mit einer in die Flüssigkeit eintauchenden Sonde. SICK bietet werkseitig eingelernte Einstellungen für Wasser und Öl sowie eine Teach-in-Möglichkeit für andere Flüssigkeiten. Die integrierte Leerrohrerkennung bewertet den Kontakt der Sondenspitze mit dem Medium und kann der Steuerung ein Eingangssignal zum Schutz der Pumpe vor Trockenlauf liefern. Die Familie umfasst digitale Ausgänge zur Grenzwertüberwachung, einen Impulsausgang zur Volumenerfassung, einen Analogausgang für kontinuierliche Messwerte und Parametriermöglichkeiten über IO-Link. Die genaue Ausgangskonfiguration ist dem Datenblatt der ausgewählten Variante zu entnehmen.

Die Industrieausführung mit VISTAL-Gehäuse und Display sowie die hygienische Edelstahlausführung sind innerhalb derselben Familie für unterschiedliche Einsatzumgebungen vorgesehen. Die aktuelle Familienseite nennt die Schutzart IP67/IP69 und IO-Link 1.1; für die hygienische Variante werden CIP/SIP-Eignung und eine Prozesstemperatur bis 150 °C angegeben. Dieser obere Grenzwert bedeutet nicht, dass sämtliche Anschlussadapter für dieselbe Temperatur und denselben Druck geeignet sind. Dichtung, T-Stück, Einschweißadapter und Rohrmaterial müssen unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Grenzwerte geprüft werden.

Konkretes Variantenbeispiel: FTS-I061F14A

Das offizielle Datenblatt des FTS-I061F14A mit der Artikelnummer 1114951 nennt für Rohre mit mindestens 25 mm einen Strömungsgeschwindigkeitsbereich von 3–300 cm/s für Wasser und Öl, 3–600 cm/s für eingelernte Medien sowie eine 60 mm lange Sonde. Für den Sensor sind −40…+150 °C und −1…100 bar angegeben; der tatsächlich zulässige Prozessdruck kann jedoch abhängig vom ausgewählten T-Anschluss niedriger sein. Dasselbe Datenblatt fordert gerade Einlaufstrecken von 5 × DN und Auslaufstrecken von 3 × DN. Dieses Beispiel zeigt, dass neben dem Sondensensor auch das Montagezubehör die Messgrenzen bestimmt.

Die Sondenspitze muss in einem repräsentativen Strömungsbereich innerhalb des Rohrs positioniert und von Wandeinflüssen ferngehalten werden. Befinden sich strömungsprofilstörende Rohrbögen, Ventile, Pumpen oder Verengungen zu nah am Sensor, kann die Anzeige instabil werden. Bei einem Medienwechsel darf nicht angenommen werden, dass die bisherige Teach-in-Einstellung für die neue Flüssigkeit geeignet ist. Wird ein Trockenlaufschutz eingesetzt, müssen Schaltschwelle, Verzögerung, Pumpennachlaufzeit und die im Prozess normalerweise auftretenden Luftpolster im tatsächlichen Betriebszyklus getestet werden.

Inline-Durchflussmessung für Flüssigkeiten: FFU-Ultraschallsensor

FFU misst den Volumenstrom leitfähiger oder nicht leitfähiger Flüssigkeiten nach dem berührungslosen Ultraschallprinzip. „Berührungslos“ bedeutet hier nicht, dass der Sensor von außen an das Rohr angeklemmt wird; der Messkanal befindet sich innerhalb der Prozessleitung, die Messung kommt jedoch ohne bewegliche Teile aus. Die SICK-Produktseite führt einen dichtungslosen Messkörper aus hochwertigem Polysulfon, die Schutzart IP67, eine integrierte Leerrohrerkennung, Prozesstemperaturen bis 80 °C und Prozessdrücke bis 16 bar als Familienmerkmale auf. Der genaue Druckwert muss abhängig von Anschluss und Variante gesondert geprüft werden.

Bei der Inline-Ultraschallmessung sind ein vollständig gefülltes Rohr, das Fehlen übermäßiger Luftblasen oder Kavitation im Medium und die Einhaltung der erforderlichen geraden Ein- und Auslaufstrecken entscheidend. Die chemische Beständigkeit darf nicht allein anhand der allgemeinen Materialbezeichnung des Gehäuses angenommen werden; eine Bestätigung des Herstellers unter Berücksichtigung von Temperatur, Konzentration, Reinigungsmittel und Kontaktzeit ist erforderlich. Bei einer Summierung über den Impulsausgang müssen Impulswertigkeit und maximale Frequenz des PLC-Zählers aufeinander abgestimmt werden.

Konkretes Variantenbeispiel: FFUC25-1N1SR

Das Datenblatt des FFUC25-1N1SR mit der Artikelnummer 6056879 nennt DN25, einen 1¼ inç NPT-Anschluss, einen Messbereich von 5–240 l/dakika, eine Prozesstemperatur von 0–80 °C und einen maximalen Druck von 10 bar. Dasselbe Dokument nennt gerade Einlaufstrecken von 40 cm und Auslaufstrecken von 20 cm sowie einen analogen Stromausgang und Impuls-/Statusausgänge. Die Genauigkeitsangabe mit Kalibrierung gilt unter den Voraussetzungen gasfreies Wasser, vollständig gefülltes Rohr, kavitationsfreie Strömung und Einhaltung der angegebenen Stabilisierungsbedingungen. Außerhalb dieser Bedingungen darf nicht angenommen werden, dass derselbe Genauigkeitswert erreicht wird.

Schüttgut auf dem Förderband: Bulkscan

Bulkscan erfasst das Oberflächenprofil von Schüttgut auf einem Förderband berührungslos mittels Laser-Laufzeitmessung. Die Differenz zwischen der Referenzkontur des leeren Bands und der Messung des beladenen Bands ergibt die Querschnittsfläche; zusammen mit der Bandgeschwindigkeit wird daraus der Volumenstrom ermittelt. Das System kann die Gesamtmenge erfassen, anhand einer definierten Materialdichte den Massenstrom berechnen und durch Überwachung des Lastschwerpunkts eine einseitige Beladung anzeigen. Die bei diesem Ansatz unmittelbar gemessene Größe ist das Volumenprofil; das Massenergebnis hängt von der Genauigkeit der eingegebenen Dichte ab.

Die aktuelle SICK-Seite nennt für den auf LMS511 basierenden Bulkscan Eigenschaften für anspruchsvolle Außenbedingungen wie Mehrfachechoauswertung, ein IP67-Gehäuse und eine integrierte Heizung. Bei Bändern mit variabler Geschwindigkeit sind Encoderinformationen für eine korrekte Volumenberechnung erforderlich. Das Sichtfeld des Scanners darf nicht durch feste Einbauten oder Staubablagerungen verdeckt werden; das Leerband muss korrekt eingelernt und Bandschwingungen sowie Beladungsgeometrie müssen überprüft werden. Zusätzliche Informationen wie Materialhöhe, Schwerpunkt und Bandschieflauf können zum Prozessschutz genutzt werden.

Das Datenblatt des LMS511-20190 mit der Artikelnummer 1059529 nennt einen 905 nm-Laser der Klasse 1, einen Arbeitsbereich von 0,5–20 m, Scanoptionen mit 35/50/75 Hz, die Auswertung von fünf Echos, Bandgeschwindigkeiten bis 30 m/s, die Schutzart IP67 und einen Umgebungstemperaturbereich von −40…+60 °C. Ethernet-, RS-232/RS-422-, USB- und digitale I/O-Anschlüsse sind vorhanden; wird ein Analogsignal benötigt, kommt ein separates BAM100-Modul zum Einsatz. Diese Werte gelten ausschließlich für die angegebene Scannervariante.

Dimensionierung und Einbauprüfung

Die Baugröße des Durchflussmessers darf nicht einfach aus der Leitungsbezeichnung oder dem Anschlussgewinde übernommen werden. Minimaler, normaler und maximaler Durchfluss, Prozessdruck und -temperatur, zulässiger Druckverlust, Messgenauigkeit, Ansprechzeit und Summierungsbedarf werden gemeinsam dokumentiert. Bei Flüssigkeiten werden Viskosität, Leitfähigkeit, Gasgehalt, Feststoffpartikel, Kavitation und chemische Beständigkeit erfasst; bei Gasen sind es Medienart, Feuchtigkeit, Öl und Referenzbedingungen. Einbaulage und erforderliche gerade Rohrstrecken werden gemäß Betriebsanleitung in die Rohrleitungsplanung aufgenommen.

Die Messstelle muss für Wartungsarbeiten zugänglich, das Display ablesbar und der Steckverbinder erreichbar bleiben. Hohe Rohrleitungslasten dürfen nicht auf das Sensorgehäuse übertragen werden; erforderliche Abstützungen sind vorzusehen. Bei hygienischen Anwendungen sind Toträume, Entleerbarkeit sowie die Eignung von Oberflächen und Anschlüssen anhand der gesamten Montagebaugruppe zu bewerten. Bei Schüttgutanwendungen muss die Scannerhalterung steif ausgeführt sein, die Bandreferenz erhalten bleiben und die Reinigung des Sichtfensters eingeplant werden. Auch eine gute Sensorauswahl kann eine fehlerhafte Einbaugeometrie nicht ausgleichen.

Erforderliche Angaben für ein Angebot

• Bezeichnung des Mediums, Aggregatzustand gasförmig/flüssig/fest, Zusammensetzung, Dichte und erwartete Schwankungen
• Minimaler, normaler und maximaler Durchfluss; gewünschte Einheit, Referenzbedingungen, Gesamtmenge und Toleranz
• Rohrinnendurchmesser, Anschlussnorm, Druck, Temperatur, gerade Rohrstrecke und verfügbarer Einbauraum
• Bevorzugte Installation als Sonde oder Inline-Ausführung; Anforderungen an Dichtungen, medienberührte Werkstoffe, Hygiene und Reinigung
• Bei Förderanlagen: Bandbreite/-geschwindigkeit, Scannerabstand, Materialprofil, Staubbelastung und Witterungsbedingungen
• Anforderungen an Analog-, Impuls- und Digitalsignale, IO-Link, Ethernet sowie das Protokoll des übergeordneten Systems
• Regelkreis, Alarm-/Schwellwertverhalten, Datenaufzeichnungsintervall und Ziel der Berichterstattung
• Erforderliche Kalibrierung, Zertifikate, Abnahmeprüfung sowie Ersatzteil- und Servicekonzept

Inbetriebnahme und Abnahmeprüfung

Bei der Inbetriebnahme werden Nulldurchfluss, Normalbetrieb und nach Möglichkeit ein bekannter Referenzpunkt geprüft. Einheit und Referenzbedingungen müssen in PLC/HMI und auf dem Sensordisplay übereinstimmen. Die Skalierung des Analogsignals, die Impulswertigkeit, die IO-Link-Prozessdaten und die Zuordnung der Netzwerkregister werden dokumentiert. Untere und obere Alarmschwellen werden anhand tatsächlicher Prozessübergänge geprüft. Wird ein Summenzähler verwendet, erfolgt anstelle eines kurzfristigen Vergleichs der momentanen Durchflusswerte eine Referenzmengenprüfung über einen ausreichend langen Zeitraum.

Der Wartungsplan hängt von der Technologie ab. Bei der FTMg-Baureihe werden Gasqualität und Grundverbrauch überwacht, bei T-Easic FTS Ablagerungen an der Sonde und die Gültigkeit des Teach-in, bei FFU die vollständige Rohrfüllung, Blasenbildung und die chemischen Bedingungen sowie bei Bulkscan das optische Fenster, die Halterung, der Encoder und die Leerbandreferenz. Parametersicherung, Artikelnummer, Softwareversion und die Ergebnisse der letzten Abnahme werden in der Anlagendokumentation hinterlegt. So sind Durchflussdaten nicht nur momentane Anzeigewerte, sondern eine rückverfolgbare Prozessgröße, auf die sich Entscheidungen zu Energie, Qualität und Wartung stützen lassen.