Grundlagen der thermischen Massendurchflussmessung
Messen von gasfömigen Stoffen
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten sind Gase kompressibel. In Abhängigkeit von Druck und Temperatur verändert sich die Gasdichte. Gemäß der idealen Zustandsgleichung für Gase
ändert sich das Volumen im Beispiel in Abb.1 von 1 qm vor dem Kompressor auf 0,172 qm nach dem Kompressor. Da es sich im Beispiel um eine Strömung handelt, ist das Volumen auf die Zeit bezogen angegeben (Volumenstrom).
Unabhängig von Druck und Temperatur ist die transportierte Stoffmenge. In der Abbildung ist der Luft-Massen-Strom dargestellt. Dieser bleibt über die gesamte Strecke konstant bei 1,205 kg/h. Die Dichte ändert sich von 1,205 kg/qm vor dem Kompressor auf
nach dem Kompressor. Gasmengen sind nur dann vergleichbar, wenn diese auf die gleichen Bedingungen bezogen sind. Meistens wird der Massenstrom als Normalvolumenstrom angegeben, d.h. als Volumenstrom bezogen auf den Normzustand nach DIN 1343.
Veranschaulichung der Volumenstromänderung, abhängig vom Messort
Messgröße
Definition
Typ. Einheit
Bemerkungen
Durchströmendes Gasvolumen pro Zeiteinheit
l/min
Die gebräuchlichste Durchflussmessgröße
Durchströmende Gasmenge pro Zeiteinheit
kg/h, g/s
für die meisten Anwendungen relevante Meßgröße
Durchströmende Gasmenge pro Zeiteinheit, umgerechnet in deren volumen im Normzustand
(T= 0°C/273K und p=1013mbar/760Torr)
lN/min,
mN3/h
Kompromiss zwischen gebräuchlicher und relevanter Messgröße, gasartspezifischer Massenstrom bezüglich definierter Referenzbedingungen
Durchströmende Gasmenge pro Zeiteinheit, umgerechnet in deren Volumen im Standardzustand
(T=20°C/293K und p= 1013 mbar/760Torr)
ls/min, slpm,
ms3/h, sccm
Gebräuchliche Messverfahren zur Messung von Gasmengen sind:
Schwebekörper (Rotameter):
Schwebekörper messen in der Praxis weder direkt den Volumenstrom noch den Massenstrom. Sie können für Gase oder Flüssigkeiten mit geringem Druckverlust verwendet werden. Die Mess-Spanne liegt bei ca. 10:1. Werden Schwebekörper unter Kalibrierbedingungen betrieben, so liefern sie direkt den Massenstrom.
Messblenden:
Bei Messblenden wird aus dem Differenzdruck auf die Gasmenge zurückgeschlossen. Um den Massenstrom zu erhalten, muss gewährleistet werden, dass Druck und Temperatur am Messpunkt konstant bleiben. Die Mess-Spanne liebt im Bereich von Schwebekörpern.
Vortex:
Vortex-Sensoren messen den Volumenstrom, der auf den Massenstrom umgerechnet werden muss. Sie besitzen eine sehr lineare Kennlinie und sind für verschmutzte Medien geeignet. Bei diesem Messverfahren ist auf die Gestaltung der Ein- und Auslaufstrecken zu achten.
Coriolis:
Sensoren diesen Typs messen direkt den Massenstrom. Sie benötigen keine Ein- und Auslaufsstrecken und können auch Flüssigkeiten messen. Das Messverfahren und die aufwändige Elektronik machen sich im Preis bemerkbar.
Anemometer (thermische Messung)
Anemometer messen direkt den Massenstrom, unabhängig von Druck und Temperatur, und besitzen eine gute Mess-Spanne, größer gleich 50:1. Je nach Gestaltung des Sensores können auch Flüssigkeiten gemessen werden.