Das thermische Durchflussmessprinzip

Als eigene Klasse von Durchflussmessgeräten können thermische Massedurchflussmessgeräte in zwei Haupttypen unterteilt werden:

Das Prinzip der „thermischen Dispersion“ (auch thermische Anemometrie genannt) (Abbildung 1):
Ein beheiztes Element wird dem Strömungsmedium ausgesetzt. Die Geschwindigkeit der Abkühlung ist ein Maß für die lokale spezifische Massengeschwindigkeit und damit für den Durchfluss.

Das „kalorimetrische“ Prinzip (Abbildung 2):
Wärme wird einem begrenzten Bereich im Strömungsmedium zugeführt. Der lokale Temperaturanstieg und die Energiezufuhr werden zur Berechnung des Masseflusses verwendet.

Beide Typen sind auf dem Markt erhältlich. Die hohe Empfindlichkeit einiger Ausführungen hat zu einer umfassenden Verwendung in Forschungsanwendungen geführt. Diese Empfindlichkeit bedeutet jedoch auch, dass der gemessene Wert durch die Eigenschaften der Flüssigkeit, wie Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität, oder durch die Gaszusammensetzung (bei Gemischen) und die Installationsbedingungen, beeinflusst werden kann.

Das thermische Messprinzip wird aufgrund seiner präzisen Massenstrommessfähigkeiten in verschiedenen Anwendungen eingesetzt.

Durchflussmessgeräte vom Typ „thermische Dispersion“ arbeiten mit einem der folgenden beiden Verfahren: 1) konstante Leistung oder 2) konstante Temperaturdifferenz.

Bei Verwendung der Konstantleistungsmethode hält die Elektronik einen konstanten elektrischen Strom durch den sogenannten „Geschwindigkeitssensor“ (ein beheiztes Sensorelement, in der Regel in Form eines Widerstandstemperaturfühlers) aufrecht. Mit einem separaten Widerstandstemperaturfühler wird die Flüssigkeitstemperatur gemessen. Bei Änderungen der Durchflussmenge ändert sich die Temperaturdifferenz (Differenz der gemessenen Temperaturen zwischen dem Geschwindigkeitssensor und dem Flüssigkeitstemperatursensor).

Bei der Methode der konstanten Temperaturdifferenz hält die Elektronik eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Geschwindigkeitssensor und dem Flüssigkeitstemperatursensor aufrecht. Wenn sich der Durchfluss ändert, muss die Stromversorgung des beheizten Geschwindigkeitssensors angepasst werden, um die konstante Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten. Unabhängig vom verwendeten Messverfahren sind die gemessenen Änderungen (entweder in der zugeführten Leistung oder in der Differenztemperatur) direkt proportional zu Änderungen der Durchflussmenge. Für beide Ausführungen wird die Beziehung zwischen Durchflussrate und Wärmeübertragung vom Geschwindigkeitssensor durch die King-Gleichung (oder eine Ableitung davon) beschrieben:

Die Form dieser Gleichung zeigt die Empfindlichkeit gegenüber den Fluideigenschaften und die Bedeutung des zweiten Terms bei steigender Durchflussmenge. Die Gleichung ist nichtlinear, aber die Linearisierung lässt sich leicht durch digitale Signalverarbeitungstechniken anwenden. Einige Ausführungen verwenden einen einzelnen beheizten Draht (Anemometer sind hier am gebräuchlichsten), während andere zwei Thermistoren im Referenz- und Erfassungsmodus einsetzen. Abbildung 1 zeigt die Spitzen einer solchen Thermosonde. Flüssigkeit fließt über den Flüssigkeitssensor (a), das unbeheizte Element und den Geschwindigkeitssensor (b), das beheizte Element, um den Wärmestrom zu messen.

Abbildung 2 veranschaulicht das „kalorimetrische“ Messprinzip, das in mehreren kommerziellen Ausführungen von thermischen Durchflussmessgeräten zu finden ist. Im Durchflussmessgerät wird Wärme erzeugt und auf das Durchflussmedium übertragen. Darin befinden sich zwei Messfühler, die die Temperaturschwankungen zwischen verschiedenen Punkten messen. In manchen Fällen werden zwei Heizelemente und drei Temperatursensoren eingesetzt, um ein umfassenderes Bild des Wärmeprofils zu erhalten. Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, zeigen alle Temperatursensoren die gleiche Temperatur an.

Wenn Durchfluss auftritt, erwärmen oder kühlen sich die Sensoren im Verhältnis zueinander und es entsteht eine Temperaturdifferenz ∆T, die direkt mit dem Durchfluss zusammenhängt. Diese Zählertypen werden durch die folgende Gleichung charakterisiert:

Die Zufuhr von Wärme (H) bei einem Durchfluss von Null erzeugt ein unverzerrtes Wärmeprofil (a), das sich bei einem Durchfluss nach rechts bewegt (b).

Die obige Gleichung ist weniger abhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit, obwohl die Konstante „A“ sowohl die Leitfähigkeit als auch die Viskosität umfasst.

Für beide Messverfahren („thermische Dispersion“ und „kalorimetrisch“) wurden Ausführungen mit Einzel- oder Mehrpunktsensoren entwickelt, entweder in Vollbohrungs- oder Bypass-Leitungsausführungen. Dadurch kann ein enormer Durchflussbereich abgedeckt werden, vom geringen Durchfluss sauberer Gase in der medizinischen Anwendung bis hin zu großen Mengen Fackelgas in Abluftkaminen.

In der Praxis werden die beiden zuvor beschriebenen Prinzipien auf Sensoren angewendet, die in der Hauptleitung und in der Bypass-Schleife installiert sind. Es gibt erhebliche Überschneidungen zwischen den beiden Funktionsprinzipien und den beiden grundlegenden kommerziellen Ausführungen, insbesondere wenn die Fließgeschwindigkeit und die Rohrabmessungen berücksichtigt werden. Weitere Faktoren, die die endgültige Wahl des Messprinzips beeinflussen können, hängen entscheidend von der Anwendung und der Art der zu messenden Flüssigkeit ab.

Die einfachste Art eines Messgeräts auf Basis der thermischen Dispersion ist das Hitzdraht-Anemometer. Der Geschwindigkeitssensor ist ein feiner Draht aus Wolfram, Platin oder Nickel. Im Handel sind sowohl Typen mit konstanter Leistung als auch mit konstanter Temperaturdifferenz erhältlich. Der Draht hat einen Durchmesser von üblicherweise 0,02 mm und ist zwischen Stützen montiert. Die geringe Größe sorgt für eine minimale Störung des Durchflusses, sodass Empfindlichkeit und Leistung erhalten bleiben. Die Sensoren können einzeln oder mehrfach in beliebiger Ausrichtung angebracht werden (Abbildung 3). Die komplexeren Ausführungen werden häufig in Forschungsanwendungen eingesetzt.

Bypass-Typen (oder CTMF = Capillary Thermal Mass Flowmeters) sind eigentlich eine Unterart des kalorimetrischen Zweigs der Durchflussmessgeräte. Oftmals wird in Verbindung mit dem Kapillar-Bypass ein Laminar-Flow-Element eingesetzt. Das Kapillarrohr ist mit dem Einlass und Auslass des laminaren thermischen Massestromelements verbunden, sodass eine kleine Menge des Hauptstroms umgeleitet und entnommen wird (Abbildung 4). Das Design gewährleistet ein festes Verhältnis des gesamten Gasdurchflusses durch die Kapillare für die Messung. Das Heizelement und die Temperatursensoren werden in der Regel am Kapillarrohr und nicht am Hauptrohr angebracht. Es gibt jedoch auch Ausführungen ohne Kapillar- und Laminardurchflusselement, bei denen sich die Sensoren direkt am Hauptrohr befinden. Es können ein oder zwei Heizelemente und bis zu drei Temperatursensoren auf verschiedene Weise entlang der Kapillare angeordnet sein.

Im Allgemeinen wird das CTMF-Messgerät mit Schraubgewindeanschlüssen geliefert, obwohl auch Flanschanschlüsse bereitgestellt werden können. Diese Messgerätebauart wird oft mit einem Massestrom-Messregler kombiniert, der dem Messfühler nachgeschaltet ist. Diese Konfiguration wird als Massedurchflussregler (MFC) bezeichnet. In der Regel befindet sich die elektronische Schnittstelle in derselben Einheit wie die Bypass-Schleife.

Bei größeren Rohren werden üblicherweise Einsteckmessgeräte verwendet. Einige Ausführungen können jedoch für Rohrdurchmesser kleiner als DN 50/2 Zoll verwendet werden. Die Sensoren befinden sich am Ende einer Sonde, die in den Gasstrom eingeführt wird. Der Gesamtmassestrom wird aus dem gemessenen Punktdurchfluss, der Querschnittsfläche und der Temperaturkompensation für das Strömungsprofil bestimmt.

Üblicherweise wird ein gewisser physischer Schutz der Sensoren mitgeliefert. Es sind viele Montageanordnungen verfügbar, darunter Flanschverbindungen, Stopfbuchsen, Sanitär- und ultrahochreine Armaturen. Die Position der Sensoren im Querschnitt des Rohrs ist für eine optimale Leistung von entscheidender Bedeutung. Wenn die vom Hersteller empfohlene Installation nicht erreicht werden kann, ist eine Korrektur erforderlich.

Bei bestimmten Ausführungen von Einsteckmessgeräten ist es möglich, die Position des Sensors im Rohr anzupassen, um auf einfache Weise die optimale Messposition zu erhalten. Der Einbau des Einsteckmessgeräts in ein vorhandenes Rohr erfolgt in der Regel über einen Adapter, der an die Außenfläche des Rohrs geschweißt wird. Das Einsteckmessgerät wird über diesen Adapter in das Rohr eingebaut. Der Anschluss des Adapters muss mit dem der Einstecksonde übereinstimmen.

In einigen Anwendungen werden Ausführungen mit mehreren Einführungen verwendet. Eine häufige Anwendung ist beispielsweise die Überwachung von Fackelgas oder verschmutztem Prozessgas. Einige Ausführungen können den Mehrfach-Pitot-Rohren sehr ähnlich sehen, wobei die Drucksensoren die Druckanschlüsse ersetzen. Derart robuste Konstruktionen müssen regelmäßig eingezogen und gereinigt werden, haben sich jedoch als akzeptable Lösung für diese schwierigen Anwendungen erwiesen.

Inline-Thermische-Massedurchflussmessgeräte (ITMF) bestehen aus drei Elementen: dem Körper, dem Sensorelement und der Elektronik, die vom Primärsensor entfernt sein kann. Wie bei den meisten modernen Messgeräten ermöglicht die Signalaufbereitung viele Durchfluss- und Alarmfunktionsausgänge in jedem gewünschten Format. Der Körper ist mit einer Vielzahl von Prozessanschlüssen erhältlich, die für die jeweilige Anwendung geeignet sind (ANSI-, DIN-, NPT-Gewinde oder hygienisch). Abbildung 5 zeigt die schematische Anordnung eines Inline- und eines Einsteckmessgeräts.

Als Geräteklasse haben thermische Massemesser gute allgemeine Eigenschaften, mit Vor- und Nachteilen. Der allgemeine Leistungsbereich dieser Geräte reicht von ±1 % v.M. bis ±3 % v.M. ±0,3 % o.f.s. Typische Turndowns sind 100:1 und höher. Die Wiederholbarkeit beträgt in der Regel rund ±0,5 % o.r. oder besser. Es sind Ausführungen für Durchflussmengen von 2 bis 10.000 kg/h (4,4.bis 22.000 lb/h) und höher verfügbar.