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
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 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.
- Erwärmung
Ein Sensor oder Heizelement wird elektrisch erwärmt. - Wärmeabfuhr
Das strömende Medium nimmt Wärme vom Sensor auf und transportiert sie ab. - Auswertung
Die Abkühlung, die Temperaturdifferenz oder die erforderliche Heizleistung wird gemessen und daraus der Durchfluss bzw. der Massendurchfluss bestimmt.
➜ geringe Wärmeabfuhr
➜ geringe Kühlung des Sensors
➜ hohe Wärmeabfuhr
➜ starke Kühlung des Sensors
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
Alle auf durchfluss.info veröffentlichten Fachartikel mit Namensnennung wurden von Harald Peters persönlich erstellt oder fachlich geprüft.
Autor dieses Artikels:
Harald Peters – Fachautor für Durchflussmesstechnik.