Zur stationären Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Volumenstroms in Luft und Gasen gibt es eine Reihe von Messprinzipien. Neben der Erfassung von Pralldruck, Verdrängung oder des Strömungswiderstands sind vor allem die so genannten Anemometer („Windmesser“) stark verbreitet, die nach dem Prinzip der Wärmekonvektion oder des Wirkdrucks arbeiten.

Welches dieser Systeme für die jeweilige Anwendung besser geeignet ist, muss anhand der einzelnen Sensor-Charakteristika entschieden werden.

Der Favorit: Thermische „Windmesser“

Die Grundlagen der thermischen Anemometrie wurden schon 1914 am Beispiel eines beheizten Metalldrahts untersucht: Befindet sich ein solcher Körper in einem fließenden Medium, gibt er über seine Oberfläche Wärme-Energie an die Umgebung ab. Dabei verhält sich der Wärmefluss proportional zur Kontaktoberfläche und dem Temperaturunterschied zwischen Heizkörper und Fluid. Dieses nimmt die Wärme-Energie auf und zwar umso stärker, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist. Der Wärme-Übergang beruht auf dem Zusammenwirken der Wärmeleitung und einem materiellen Mitführungseffekt, der auch als Konvektion bezeichnet wird. Außerdem hängt die Heizleistung direkt von der Mediumsdichte ab und eignet sich somit auch zur Bestimmung des Massestroms.

Thermische Anemometer bieten zwei Optionen, die Strömungsgeschwindigkeit zu erfassen: Entweder wird die Heizleistung konstant gehalten und die Abkühlung in Form der Temperaturdifferenz gemessen oder die Temperaturdifferenz wird konstant geregelt und die Heizleistung in Abhängigkeit vom Massestrom bestimmt. Letzteres Prinzip, das so genannte CTD-Verfahren (Constant Temperature Difference), hat den Vorteil, dass es über einen sehr weiten Messbereich ein starkes Ausgangssignal erzeugt und somit eine empfindliche Messung vor allem auch im unteren Messbereich des Sensors ermöglicht. Zudem ist die Messung des Massestroms unabhängig von Druck und Temperatur des Mediums. Neben dem Wärme-Übertragungsprinzip hat sich mit der so genannten Temperaturwaage ein weiteres Messverfahren der thermischen Anemometrie etabliert. Damit kann zusätzlich die Strömungsrichtung erkannt werden.

Mit der Miniaturisierung der Messelemente sind kompakte Sensoren mit geringer Leistungsaufnahme zwischen 100 mW und 2,5 W möglich. Die Messbereichsspanne reicht von 0,05 bis 200 m/s Strömungsgeschwindigkeit – ohne Bereichsumschaltung. In Verbindung mit Eintauchsonden lassen sich Rohrnennweiten von DN 15 bis DN 2000 abdecken. Zum Einsatz kommen die thermischen Verfahren in der Industriemesstechnik, im Bereich HKL (Heizung, Klima, Lüftung), beim Druckluft-Monitoring aber auch in der Reinraumtechnik (Halbleiterindustrie), chemischen Industrie sowie der Pharmazie und Medizintechnik.

Indirekte Messverfahren - die Alternativen?

Die Strömungsgeschwindigkeit lässt sich ebenso mittels Druckmessung bestimmen: Mit einem Prandtl-Staurohr wird beispielsweise der dynamische Druck als Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck über zwei Messanschlüsse des Staurohrs abgegriffen. Dabei verursacht die geringe „Versperrung“ im Strömungsprofil des Rohr- oder Lüftungskanals nur einen geringen Druckverlust. Die Staurohr-Messung ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber Verschmutzung und Strömungsturbulenzen. Für eine präzise Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit müssen jedoch die „Hilfsgrößen“ Druck und Temperatur des Mediums zusätzlich erfasst werden.

Da der dynamische Druck mit der Strömungsgeschwindigkeit quadratisch und damit zunächst nur sehr langsam ansteigt, ist das Messverfahren für sehr geringe Strömungen, wie sie etwa bei der Raumluftüberwachung auftreten, weniger geeignet.

Thermisches Anemometer (links) und die typische Strömungskennlinie: Bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten sind genaue Messungen möglich.

© Schmidt Technology

Die untere Nachweisgrenze der Druckmessung liegt typisch bei etwa 5 Pa. Unter atmosphärischen Bedingungen entspricht dieser Druck einer Strömungsgeschwindigkeit von rund 3 m/s.

Eine andere, häufig anzutreffende Variante stellen Messblenden dar: Wird die Strömung in einem Rohr durch eine gezielte Querschnittverengung gedrosselt, lässt sich der Durchfluss aus dem Druckabfall an der Verengung (Messblende) ableiten. Dazu wird die statische Druckdifferenz vor und hinter der Blende gemessen und für die Berechnung des Volumendurchflusses genutzt. Die Mess-Einsätze sind meist sehr einfach gebaut und auch in kurzen Rohrleitungsabschnitten integrierbar. Verschmutzungen im Medium können jedoch Ablagerungen an der Blende verursachen und dadurch das Mess-Ergebnis verfälschen. Im Vergleich zu Staurohren bewirkt die relativ starke Verengung des Strömungsquerschnitts einen hohen Druckverlust.

Für hochpräzise Durchflussmessungen ist das Venturi-Rohr oder die kürzere Bauform der Venturi-Düse geeignet. Der im Vergleich zur Blende geringere Wirkdruck des Venturi-Rohrs wird, ausgeglichen durch den niedrigeren Druckverlust in der Rohrstrecke, kompensiert. Er beträgt nur einen geringen Teil des Venturi-Wirkdruckes, während der Wirkdruck einer Messblende fast vollständig als Druckverlust in der Rohrstrecke verbleibt. Dieser Vorteil muss allerdings mit einer außerordentlich großen Baulänge des Drosselkörpers erkauft werden. Die Konstruktion dieser Rohre ist in der Regel zudem aufwendig und setzt enge Maßtoleranzen voraus, sollen die Messergebnisse präzise sein.

Luftchemische Prozesse als Einsatzschwerunkt

In der Prozesstechnik spielen Strömungssensoren immer dann eine wichtige Rolle, wenn luftchemische Prozesse überwacht, optimiert, geregelt oder gesteuert werden müssen. 

Thermische Sensoren sind hier besonders geeignet, weil sie den Massestrom als eine der führenden Prozessparameter ohne zusätzliche Messgrößen direkt erfassen, beispielsweise bei Industrie-Brennöfen für Keramiken. Hier optimiert die Regelung des Luftmassen-Stroms den mehrstufigen Brennprozess hinsichtlich Energie-Ausnutzung. Dies gilt ebenso für industrielle Trocknungsprozesse, bei denen es auf kurze Prozesszeiten bei einem bestmöglichen Wirkungsgrad ankommt.

Eine weitere Anwendung thermischer Strömungssensoren stellt die Regelung der Verbrennungsluft bei Feuerungsprozessen dar. Prozessziel ist die lastabhängige Optimierung der Reaktionsrate und die Ausbeute an Wärme-Energie. Die gemessene Reaktionsluft sorgt dafür, dass in allen Betriebszuständen der Schadgas-Gehalt eingehalten und in der Abluft auf das jeweilige Minimum reduziert wird.

Paradedisziplin: Druckluftüberwachung

Bei Druckluft handelt es sich um einen teuren Energieträger. Daher ist es wichtig, die Druckluftströme quantitativ zu erfassen, den Gesamtprozess auf Energieverluste zu überwachen und darüber Einsparpotenziale zu ermitteln. Den mit Abstand größten Anteil an den Verlusten haben Leckagen im Druckluftsystem, gefolgt von Fehlbedienungen und den so genannten Schleichmengen. Ansatzpunkte für die Optimierung liefern Energiemanagement-Systeme.
Ein solches Energie-Informationssystem nutzt ein Getränkehersteller in seiner vollautomatischen Abfüllanlage. Kaltgetränke werden mehr und mehr in Kunststoff-Flaschen aus PET abgefüllt.

Staudruckmessung mit dem Prandtl-Staurohr (links) und Messblenden, die einen größeren Druckverlust verursachen.

© Schmidt Technology

Der Hersteller kauft die Flaschen als standardisierte Rohlinge ein und bläst diese erst kurz vor der Abfüllung auf ihre endgültige Form auf. Dazu werden die Rohlinge erwärmt und mit steriler Druckluft bei rund 28 bar in ihre endgültige Form gepresst. Für die Druckluftversorgung sind zwei Kompressoren mit rund 200 kW Maschinenleistung notwendig, welche die Druckluft aus dem vorhandenen Versorgungsnetz (6 bar) in zwei Stufen komprimieren. Um den immensen Energie-Aufwand in Grenzen zu halten, will der Getränkehersteller die Energiekosten-Verteilung im Betrieb nachvollziehen. Deshalb ist es notwendig, neben den anderen Energie-Arten den Druckluftverbrauch in den Betriebs- und Ruhezeiten mit einem Energiemanagement-System zu überwachen. Dazu wurden thermische Strömungssensoren in den Druckluftleitungen installiert.

Die Sensoren liefern für die Erfassung sowohl die momentane Durchflussrate (Analogausgang) wie auch den Volumendurchfluss über einen Impulsausgang. Die Zählerausgänge stellen die Anschluss-Kompatibilität mit den Datenerfassungsmodulen der Gebäudeautomation sicher und erfassen die Druckluftverbräuche. Mittels der Sensoren zeichnet der Hersteller die Verbrauchsprofile an den tatsächlichen Entnahmestellen auf. Anhand eventueller Differenzen können Leckagen und sonstige Stillstands-Verbräuche im Verteilernetz räumlich zugeordnet und eindeutig identifiziert werden. Die hohe Messbereichs-Dynamik erlaubt bei der Applikation die Messung von Volumenströmen zwischen 1 und 10 500 m³/h bei Nennweiten von DN 50 bis DN 150 und kombiniert die Verbrauchsmessung sowie die Leckage-Erkennung in einem Gerät.

Autor: Mathias Moser ist Verkaufsgruppenleiter Sensorik bei der Firma Schmidt Technology in St. Georgen.