Kalorimetrische Durchflussmesser – Messprinzip, Einsatzgebiete und Auswahl

Ein kalorimetrischer Durchflussmesser bzw. kalorimetrischer Durchflusswächter ist ein Messgerät zur Messung oder Überwachung des Durchflusses von Flüssigkeiten und Gasen. Das Messprinzip kalorimetrischer Durchflussmesser basiert auf der Wärmeübertragung zwischen einem beheizten Sensor und dem strömenden Medium.

Dabei wird ein Sensor im Messrohr oder in der Rohrleitung gezielt erwärmt. Das vorbeiströmende Medium führt die Wärme vom Sensor ab und kühlt ihn dadurch ab.
Je größer der Durchfluss ist, desto mehr Wärme wird vom strömenden Medium abgeführt.
Die dadurch entstehende Abkühlung bzw. die zur Aufrechterhaltung einer definierten Temperatur erforderliche Heizleistung dient als Maß für den Durchfluss.

Das kalorimetrische Messverfahren kann je nach Aufbau und Anwendung in verschiedene Verfahren und Geräteklassen unterteilt werden:

• Kalorimetrische Durchflussmesser und Durchflusswächter
  zur Messung und Überwachung von Flüssigkeiten und Gasen
• Thermische Massendurchflussmesser und -regler
  zur direkten Messung des Massendurchflusses, insbesondere von Gasen
• Thermische Anemometer
  zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen

Die Geräte haben keine beweglichen Teile im Messrohr und zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und einen geringen Wartungsaufwand aus.

Messprinzip eines kalorimetrischen Durchflussmessers

Das Messprinzip eines kalorimetrischen Durchflussmessers basiert auf der Wärmeübertragung zwischen einem beheizten Sensor und dem vorbeiströmenden Medium.
Die thermische Durchflussmessung nutzt dabei die physikalische Eigenschaft, dass ein Körper mit einer höheren Temperatur Wärme an seine kältere Umgebung abgibt. Bei einem strömenden Medium wird die vom Sensor abgegebene Wärme durch die Strömung abtransportiert.

Die Wärmeabgabe eines beheizten Sensors hängt unter anderem von der Temperaturdifferenz zwischen Sensor und Medium, den thermischen Eigenschaften des Mediums (Wärmleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dichte) und der Strömung ab. Mit zunehmendem Durchfluss wird mehr Wärme vom Sensor abgeführt.
Dieser Zusammenhang wird von der Auswerteelektronik erfasst und zur Bestimmung oder Überwachung des Durchflusses genutzt.

Das Grundprinzip der kalorimetrischen und thermischen Durchflussmessung lässt sich vereinfacht in drei Schritten erklären:

1. Erwärmung
   Ein Sensor oder Heizelement wird elektrisch erwärmt.
2. Wärmeabfuhr
   Das strömende Medium nimmt Wärme vom Sensor auf und transportiert sie ab.
3. Auswertung
   Die Abkühlung, die Temperaturdifferenz oder die erforderliche Heizleistung wird gemessen und daraus der Durchfluss bzw. der Massendurchfluss bestimmt.

Auswerteverfahren zur kalorimetrischen Durchflussmessung

Zur Auswertung der durch die Strömung verursachten Wärmeübertragung kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Je nach Aufbau des Sensors und der elektronischen Auswertung werden unter anderem die Messung bei konstanter Heizleistung , die Messung bei konstanter Temperaturdifferenz sowie das Intervall- oder Aufheizverfahren eingesetzt.

Messung mit konstanter Heizleistung

Beim Verfahren mit konstanter Heizleistung werden zwei Sensoren verwendet.

• Sensor 1
  erfasst die Temperatur des strömenden Mediums und dient als Referenzsensor
• Sensor 2
  wird mit einer konstanten elektrischen Leistung beheizt.

Durch die Beheizung ist Sensor 2 wärmer als das umgebende Medium. Zwischen den beiden Sensoren entsteht dadurch eine Temperaturdifferenz. Das strömende Medium führt Wärme vom beheizten Sensor 2 ab.
Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wird mehr Wärme vom beheizten Sensor abgeführt. Bei konstanter Heizleistung sinkt dadurch die Temperatur des beheizten Sensors und somit die Temperaturdifferenz zwischen Sensor 1 und Sensor 2.
Die gemessene Temperaturdifferenz ist damit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluss.
Die Beziehung zwischen Temperaturdifferenz und Durchfluss ist jedoch nicht grundsätzlich linear und hängt unter anderem von der Sensorbauform und den thermischen Eigenschaften des Mediums ab.
Das Verfahren kann konstruktiv vergleichsweise einfach aufgebaut werden. Da die Messung von der Temperatur des Mediums und dessen thermischen Eigenschaften beeinflusst wird, ist eine geeignete Kompensation bzw. Kalibrierung für die jeweilige Anwendung erforderlich. Zur Signalauswertung waren bei älteren kalorimetrischen Durchflussmessern die beiden temperaturabhängige Widerstandssensoren Bestandteil einer Wheatstone'schen Brückenschaltung. Dabei wird das Brückensignal direkt zur Bestimmung der durch die Strömung verursachten Temperaturänderung bzw. Temperaturdifferenz ausgewertet.
Bei modernen Sensoren wird die Wheatstone-Brücke häufig durch integrierte elektronische Schaltungen und digitale Signalverarbeitung ersetzt.

Messung bei konstanter Temperaturdifferenz

Beim Konstanttemperaturverfahren bzw. bei der Messung mit konstanter Temperaturdifferenz werden ebenfalls zwei Sensoren eingesetzt.

• Sensor 1
  misst die Temperatur des Mediums und dient als Referenz.
• Sensor 2
  wird elektrisch beheizt.

Die Auswerteelektronik erfasst kontinuierlich die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren. Ein elektronischer Regelkreis steuert die Heizleistung von Sensor 2 so, dass die vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen Sensor 1 und Sensor 2 konstant bleibt.
Erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, führt das strömende Medium mehr Wärme von Sensor 2 ab.
Um die eingestellte Temperaturdifferenz trotzdem konstant zu halten, muss die Heizleistung erhöht werden.
Die zur Aufrechterhaltung der konstanten Temperaturdifferenz erforderliche Heizleistung ist somit ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit und den Durchfluss.
Je größer der Durchfluss ist, desto mehr elektrische Heizleistung muss dem beheizten Sensor zugeführt werden.
Das Konstanttemperaturverfahren ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Änderungen der Strömung und wird insbesondere bei thermischen Strömungssensoren und thermischen Massendurchflussmessern eingesetzt. Die tatsächliche Messcharakteristik hängt von der Sensorbauform, dem Medium und den Betriebsbedingungen ab. Zur Signalauswertung waren bei älteren kalorimetrischen Durchflussmessern die beiden temperaturabhängige Widerstandssensoren Bestandteil einer Wheatstone'schen Brückenschaltung. Das Brückensignal dient als Istwert für einen Regelkreis, der die Heizleistung so anpasst, dass die vorgegebene Temperaturdifferenz konstant bleibt
Bei modernen Sensoren wird die Wheatstone-Brücke häufig durch integrierte elektronische Schaltungen und digitale Signalverarbeitung ersetzt.

Intervallverfahren – periodisches Aufheizen und Abkühlen

Hier wird nur ein Sensor benötigt, der abwechselnd aufgeheizt und anschließend durch die Strömung des Mediums wieder abgekühlt wird.
Während der Heizphase wird der Sensor gezielt auf eine erhöhte Temperatur gebracht. Anschließend wird die Heizung abgeschaltet. Das strömende Medium führt nun die gespeicherte Wärme vom Sensor ab und kühlt ihn wieder ab.
Die Abkühlgeschwindigkeit des Sensors hängt von der Strömungsgeschwindigkeit ab.
Bei höherem Durchfluss wird mehr Wärme pro Zeiteinheit vom Sensor abgeführt. Der Sensor kühlt deshalb schneller ab und erreicht seine Ausgangstemperatur bzw. einen definierten Temperaturwert in kürzerer Zeit.
Die Auswerteelektronik erfasst den zeitlichen Verlauf der Abkühlung. Dazu können beispielsweise die Abkühlzeit, die Temperaturänderung innerhalb eines definierten Zeitintervalls oder die Steigung der Abkühlkurve ausgewertet werden.
Um den Zusammenhang zwischen Abkühlverhalten und Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen, werden unter definierten Bedingungen, für verschiedene Temperaturen, Kennlinien oder Kennfelder ermittelt, die in der Auswerteelektronik hinterlegt werden. Bei der späteren Messung wird der tatsächlich gemessene Abkühlverlauf mit diesen hinterlegten Kennwerten verglichen. Daraus berechnet die Elektronik die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchfluss.
Da die Abkühlung auch von den thermischen Eigenschaften des Mediums beeinflusst wird, gelten die ermittelten Kurven nur für ein spezifisches Medium.

Vergleich der Auswerteverfahren

Durch moderne Sensor- und Mikroprozessortechnik können die Messsignale heute digital ausgewertet und anhand von Kennlinien oder Kennfeldern korrigiert werden. Dadurch lassen sich kalorimetrische Durchflussmesser an unterschiedliche Medien und Betriebsbedingungen anpassen und zuverlässig zur Durchflussmessung und Durchflussüberwachung einsetzen.

Bypassverfahren bei thermischen Massedurchflussmessern

Das Bypassverfahren bei thermischen Massedurchflussmessern wird eingesetzt, um auch größere Gasströme mit einem vergleichsweise kleinen thermischen Sensor zu messen. Dabei wird ein definierter Teil des Hauptstroms durch einen Bypass mit einem thermischen Messsensor geführt. Die thermische Messung erfolgt somit nicht direkt im gesamten Hauptstrom, sondern in einem genau definierten Teilstrom.

Im Hauptrohr befindet sich ein Laminar-Flow-Element (LFE). Es besteht aus einer Vielzahl kleiner, parallel angeordneter Strömungskanäle. Durch das Laminar-Flow-Element entsteht ein definierter Druckverlust zwischen der Druckseite vor dem LFE und der Druckseite nach dem LFE.

Der zwischen den beiden Seiten des Laminar-Flow-Elements entstehende Differenzdruck erzeugt einen Teilstrom durch das Bypassrohr. Bei geeigneter Auslegung besteht ein reproduzierbarer Zusammenhang zwischen dem Druckverlust über dem Laminar-Flow-Element und dem Volumen- bzw. Massendurchfluss. Dadurch kann ein definierter Anteil des Gesamtstroms durch den thermischen Messkanal geführt werden.

Im Bypass befindet sich der eigentliche thermische Massendurchflusssensor. Ein Heizelement überträgt Wärme auf das durch den Bypass strömende Medium. Zwei Temperatursensoren, T1 und T2, erfassen die Temperatur des Mediums vor und hinter dem Heizelement.

Bei stehendem Medium, also ohne Durchfluss, verteilt sich die vom Heizelement eingebrachte Wärme durch Wärmeleitung im Messkanal. Nach dem Einschwingen stellt sich zwischen den beiden Temperatursensoren keine dauerhafte Temperaturdifferenz ein. Die Temperaturen von T1 und T2 gleichen sich annähernd an.

Bei vorhandenem Massendurchfluss wird die vom Heizelement eingebrachte Wärme mit dem strömenden Medium abtransportiert. Dadurch entsteht zwischen dem Temperatursensor T1 vor dem Heizer und dem Temperatursensor T2 hinter dem Heizer eine messbare Temperaturdifferenz ΔT. Die Größe und der zeitliche Verlauf dieser Temperaturdifferenz hängen vom Massendurchfluss und von den thermischen Eigenschaften des Mediums ab.

In einer nachgeschalteten Auswerteelektronik wird der aus der Temperaturdifferenz errechnte Teildurchfluss auf den Gesamtdurchfluss umgerechnet. Dabei werden sensorspezifische Eigenschaften, Eigenschaften des Mediums, usw. durch Kalibrierkennlinien, Kennfelder und mathematische Korrekturen berücksichtigt.

Vorteile und Nachteile

Vorteile

• Keine beweglichen Teile - dadurch nahezu verschleißfrei
• Geringer Druckverlust
• Wartungsarmer Betrieb
• Schnelle Ansprechzeit
• Messung und Überwachung von Flüssigkeiten und Gasen

Nachteile

• Abhängigkeit von den thermischen Eigenschaften des Mediums
• Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung und Ablagerungen am Sensor
• Einfluss von Medientemperatur und thermischen Eigenschaften auf die Messung
• Anpassung oder Kalibrierung bei wechselnden Medien erforderlich
• Einfluss ungünstiger Strömungsbedingungen auf die Messgenauigkeit
• Elektrischer Energiebedarf für die Sensorbeheizung

Einsatzgebiete

• Maschinen- und Anlagenbau
• Prozessüberwachung bei Kühlkreisläufen
• Wasser- und Abwassertechnik
• Überwachung und Verbrauchserfassung von Gas- und Druckluftsystemen

Historische Entwicklung der thermischen Durchflussmessung

Die Geschichte der thermischen Durchflussmessung ist eng mit der Erforschung der Wärmeübertragung zwischen einem beheizten Körper und einem strömenden Fluid verbunden.

Eine wichtige Grundlage für die Entwicklung der thermischen Strömungsmessung wurde Anfang des 20. Jahrhunderts durch Untersuchungen zur Wärmeübertragung an dünnen, elektrisch beheizten Drähten geschaffen. Besonders bedeutend waren dabei die Arbeiten des kanadischen Physikers und Professors Louis Vessot King (L. V. King) von der McGill University in Montreal.

Louis V. King veröffentlichte im Jahr 1914 eine grundlegende wissenschaftliche Arbeit über die Wärmeübertragung von kleinen Zylindern und dünnen Platindrähten an strömende Fluide. Veröffentlichung Professor Luis V. King
Die von King beschriebenen Zusammenhänge wurden später als King's Law bzw. King'sches Gesetz bekannt. In vereinfachter Form beschreibt die Beziehung den Zusammenhang zwischen der Wärmeabgabe eines beheizten Sensors und der Strömungsgeschwindigkeit. Sie wurde zu einer wichtigen Grundlage für die Entwicklung und Kalibrierung von Hitzdrahtanemometern.

Von der Hitzdrahtanemometrie zur thermischen Durchflussmessung

Die Hitzdrahtanemometrie wurde zunächst vor allem zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt. Ein elektrisch beheizter Draht oder Sensor wird dabei von einem strömenden Gas umgeben. Die Strömung führt Wärme vom Sensor ab. Aus der Änderung der Sensortemperatur oder der erforderlichen Heizleistung wird die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.

Mit der Weiterentwicklung der Sensor- und Elektroniktechnik wurde dieses Prinzip zunehmend für die industrielle Durchflussmessung genutzt. Es wurden zunehmend robustere Sensoren entwickelt, die sich auch für industrielle Anwendungen eigneten. Moderne Sensoren bestehen beispielsweise aus dünnen metallischen Schichten oder speziell entwickelten Heizelementen und Temperatursensoren.

Hersteller

• Alicat Scientific, Inc Typen: MC, u.A.
• Baumer GmbH Typen: Flexflow
• Bronkhorst High-Tech B.V. Typen: FLEXI-FLOW, EL-FLOW
• Brooks Instrument GmbH Typen: AMF, GF, GP, u.A.
• CS INSTRUMENTS GmbH & Co. KG Typen: VA, VD, u.A.
• EGE-Elektronik Spezial-Sensoren GmbH Typen: SC.., SN.., ST.., u.A.
• Endress+Hauser GmbH Typen: Proline t-mass, Flowphant
• Hoentsch GmbH Typen: TA
• IFM electronic GmbH Typen: KA, SA
• Kobold Messring GmbH Typen: KAL, DVK, MAS, KME, KEC u.A.
• SEIKOM Electronic GmbH & Co. KG Typen: RLS
• Vögtlin Instruments GmbH Typen: red-y-smart
• Wenglor sensoric elektronische Geräte GmbH Typen: FFA, FX
• ...und Andere