Grundlagen der thermischen Massendurchflussmessung
Erläuterungen des thermischen (anemometrischen) Messverfahrens
| Die Messaufnehmer des thermischen Messverfahrens sind elektrische Widerstände und Teil einer Messbrückenschaltung (Abb. 1). Diese können direkt im Strömungskanal liegen (Hauptstromgerät) oder um den Strömungskanal gewickelt sein (Nebenstromgerät). |
(1) Vereinfachte elektrische Darstellung der Messbrückenschaltung (Widerstände direkt im Strömungskanal) |
| Der Regler stellt den Strom I so ein, dass stets eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Heizwiderstand RS und dem Messwiderstand RT gehalten wird. Da RT im Vergleich zu RS sehr hochohmig ist, entspricht der Strom IS annähernd dem Strom I. Der Widerstand RS wird stets soweit aufgeheizt, dass eine bestimmte Übertemperatur zur Fluidtemperatur, gemessen mit RT, bestehen bleibt. Strömt Gas an RS vorbei, wird Wärme gasabhängig mehr oder weniger gut abgeführt. Der erforderliche Heizstrom, der nötig ist, um die Übertemperatur halten zu können, ist ein Maß für den durch den Kanal strömenden Gasstrom und stellt die primäre Messgröße dar. Dieses Verfahren wird Konstant-Temperatur-Anemometer (CTA, Constant Temperature Anemometer) genannt und ist eine Variante des thermischen Messverfahrens. Mass Flow Controller/Meter werden als Hauptstrom- (Inline) oder Nebenstromgeräte (Bypass) ausgeführt. |
(2) Schnitt eines Hauptstromsensorblocks |
| Abb. 2 zeigt das Messelement eines Hauptstromgerätes. Die Strömungskonditionierung sorgt beim Hauptstromgerät für eine über den Kanalquerschnitt gleichmäßige Strömung. Einlaufstrecken zur Strömungsberuhigung sind daher nicht erforderlich. |
 (3) Skizze eines Nebenstrom- bzw. Bypass-Sensorblocks |
| Nebenstrom- bzw. Bypass-Sensoren (siehe Abb.3) besitzen im Wesentlichen eine Bypasskapillare, um welche die Messwiderstände RT und RS gewickelt sind, und ein Laminar-Flow-Element. Das Laminar-Flow-Element erzeugt einen zum Durchfluss proportionalen Druckabfall, welcher den Durchfluss über die Bypasskapillare treibt. Das Element ist so auszulegen, dass sowohl die Strömung im Bypass- als auch im Hauptkanal laminar ist und so das Teilerverhältnis konstant bleibt. |
| Abhängig vom Gasfluss verschieben sich die Temperaturverhältnisse, die durch die Messwiderstände registriert werden. Abweichende technische Ausführungen des Bypassprinzips sind möglich. Die thermische Messung beruht auf den thermischen Eigenschaften des Gases, der geometrischen Gestaltung des Messkörpers und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Thermisch unterscheiden sich Gase durch die spezifische Wärmekapazität Cp und die Wärmeleitfähigkeit λ F . Dadurch kann es auch sein, dass, abhängig vom gemessenenen Gas, der Messbereich eines Gerätes größer oder kleiner ist. |