Strömungsmessung durch erzwungene Konvektion Thermische Anemometrie

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1 Strömungsmessung durch erzwungene Konvektion Thermische Anemometrie Konvektion bezeichnet die Wärmeübertragung von einer heißen Oberfläche an ein vorbeiströmendes Medium. Wird der Wärmetransport durch äußere Einflüsse wie z. B. ein Gebläse verursacht, spricht man von erzwungener Konvektion. Dieser Mechanismus liegt der thermischen Anemometrie zu Grunde einer Methode zur Strömungsmessung gasförmiger Fluide, die auf dem Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeabführung durch erzwungene Konvektion basiert. Strömungsgeschwindigkeiten in Fluiden können mit unterschiedlichen Messprinzipien wie z. B. durch Wirkdruck, Laserstreuung oder Wärmekonvektion gemessen werden. Wo der Druckverlust in rohrgebundenen Systemen oder die Kosten für eine Messeinrichtung mit Laser-Doppler-Anemometer zu hoch sind, stellt die so genannte Hitzdrahtanemometrie eine interessante Alternative dar. Mehr noch: sie kann selbst kleine Strömungsgeschwindigkeiten erfassen und neben dem Betrag auch die Strömungsrichtung bestimmen.

2 Unterschiedliche Messsonden Hitzdrahtanemometer basieren auf einem elektrisch beheizten Metalldraht, der zwischen zwei Haltespitzen gespannt ist. Die Drähte sind meist aus Platin, Wolfram oder Nickel. Da die elektrischen Widerstände dieser Werkstoffe einen hohen Temperaturkoeffizienten besitzen ist eine hohe Messempfindlichkeit gegeben. Außerdem sind sie bei hohen Heiztemperaturen mechanisch stabil und medienresistent. Die so genannten Dual- oder X-Sonden, bei denen die Haltespitzen in einem gemeinsamen Keramikkörper fixiert sind, verfügen über zwei senkrecht zueinander angeordnete Hitzdrähte in jeweils getrennten elektronischen Messkreisen. Dadurch ist es möglich, Strömungsgeschwindigkeiten nach Betrag und Richtung zu erfassen. Anstelle des Hitzdrahtes verfügen Heißfilmsonden über einen dünnen Metallfilm auf einem Glassubstrat. Zylindrische Quarzstäbchen sind an den Enden unterkupfert und vergoldet und auf einer Halterung aufgelötet. Heißfilmsonden können mit kegel- oder keilförmigen Glasubstraten versehen sein, wobei die Kegelsonde gegen fluidische Verunreinigungen weniger empfindlich ist als die Keilsonde. Heißfilmsonden kommen für Geschwindigkeitsmessungen in Gasen und Flüssigkeiten zum Einsatz. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Sonde und Fluid eingestellt ist, desto empfindlicher kann gemessen werden. Die Kunst der effizienten Instrumentierung liegt nun darin, die Fühlertemperatur so niedrig wie möglich zu halten und zugleich eine hohe Messempfindlichkeit zu erreichen. Robuster und weniger aufwendig als Heißfilmsonden sind beheizte NTC- Perlensonden, weil sie eine Schutzummantelung tragen und als Standardbauelemente für Temperaturmessung am Markt verfügbar sind. Diese so genannten Thermistoren eignen sich besonders zum einfachen Messen kleiner Luftströmungsgeschwindigkeiten, wenn die messtechnischen Anforderungen nicht allzu hoch gesteckt sind.

3 Kammerkopf-Sensor Das neu entwickelte Sensorelement eignet sich nicht nur für Messungen bei Temperaturen bis 350 C, dank Heizelement und Temperaturfühler kann es Temperatur und Strömung in einem Schritt messen. Einbaufertige Geschwindigkeitsund Durchflussmesser Für den Einbau in Strömungskanäle sind die Sensoren mit diversen Trägerformen und Zuleitungen ausgestattet. Einbaumessfühler verfügen über eine Stabsonde mit einem Messkopf, der entweder mit einem Dünnfilmelement oder einer NTC-Perle bestückt ist. Ihr Schutzgehäuse gibt der Sonde zwangsläufig eine Richtcharakteristik, weshalb diese Art von Sonden in Kanälen mit gerichteter Strömung angewandt wird. Speziell für die Messung des Massestroms geeignet sind thermische Durchflussmesser. Dabei handelt es sich um konfektionierte Messrohre mit thermischen Messelementen und Anzeigeeinheiten. Die Sensorik besteht aus einer elektronischen Brückenschaltung, einer Regeleinrichtung sowie aus digitalen Messwertoperatoren und Ausgabeschnittstellen. Die Messschaltung arbeitet nach zwei Methoden: Bei der Abkühlmethode wird die Strömung über die fluidische Abkühlung des beheizten Messelementes erfasst. Bei der Konstant-Temperaturmethode ist die Heizleistung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, die in Abhängigkeit des abgeführten Wärmestroms elektronisch nachgeregelt wird. Sowohl thermische Geschwindigkeits- als auch Durchfluss-Messsonden unterliegen der einsatzbedingten Alterung. Korrosion, Verschmutzung oder Überhitzung können den elektrischen Heizwiderstand und den Wärmeübergang verändern, so dass nach einer gewissen Betriebszeit eine Kalibrierung und gegebenenfalls ein Neuabgleich empfehlenswert sind. Hierfür stehen Kalibrierwindkanäle herstellerseitig zur Verfügung.

4 Regelkreise in der Anemometrie Wird das thermische Sensorelement von einem Medium umströmt, ändert die konvektive Wärmeabfuhr die elektrischen Bedingungen des Messkreises. Entsprechende Hilfsmessgrößen werden erfasst, um aus deren Veränderungen auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schließen. Hilfsmessgrößen sind abhängig von der gewählten Heizbedingung. Bei einer konstanten Heizleistung oder konstanten Heizspannung wird die Temperaturdifferenz gemessen, bei konstanter Heizstromstärke die Heißtemperatur, bei konstanter Heißtemperatur die Heizstromstärke und bei einer konstanten Temperaturdifferenz die dafür nötige Heizspannung. Zu den gebräuchlichsten Methoden für den Betrieb von Anemometern zählen die Constant-Current Anemometry (CCA) und die Constant- Temperature Anemometry (CTA). Die erste der beiden kommt ohne aufwändige Regelung aus, da der Sensor mit konstantem Strom beheizt wird. Gemessen wird der Sondenwiderstand, der sich wegen der Abkühlung des Hitzdrahtsensors durch das vorbei strömende Medium ändert. Wegen des Ohmschen Gesetzes wächst dadurch die Messspannung. Für kleine Strömungsgeschwindigkeiten ist die CCA-Messschaltung sehr gut geeignet. Die thermische Trägheit der Sonde jedoch wirkt sich nachteilig auf die Messdynamik aus, da ihr Widerstand mit seiner großen thermischen Zeitkonstante schnellen Strömungsänderungen nicht folgen kann. Diesen Nachteil hebt die CTA auf. Sehr schnelle Regelkreise halten den Sensor bei CTA- Messschaltungen mittels Nachführung von Speisestrom oder Speisespannung auf einer konstanten Temperatur. Die Abkühlung des Hitzdrahts wird kompensiert, womit auch sein Widerstand konstant bleibt. Von Vorteil bei dieser Methode ist, dass die Sensortemperatur bestimmt werden kann und somit auch eine theoretische Korrektur des Temperatureinflusses möglich ist. Im Gegensatz zum Konstant-Strom-Anemometer ist auch eine wesentlich höhere Empfindlichkeit über einen großen Geschwindigkeitsbereich vorhanden.

5 Heißfilmsonde glaspassivierte Platin- Widerstandselemente im Thermoplast Kammerkopf Vorteile der thermischen Strömungsmessung Das thermische Messverfahren ermöglicht eine sehr große Messbereichsspanne von etwa 0,1 bis 200 m/s. Kleine und mittlere Geschwindigkeiten können mit sehr hoher Auflösung erfasst werden. Zudem sind kleine Sondenabmessungen möglich, bei denen eine geringe Trägheit gegenüber Strömungsschwankungen besteht. Möglich sind Grenzfrequenzen bis 600 khz und die quantitative Erfassung des Turbulenzgrades. Die einfache Messschaltung sowie der geringe Aufwand zur Fluidtemperaturkompensation zählen zu den weiteren Vorteilen. Durchflussmessungen mit thermischen Anemometern eignen sich nicht nur für kleine Rohrströmungen. Masse- und Volumenstrommessungen unter Normalbedingungen können ohne weitere Nebenmessgrößen unmittelbar durchgeführt werden. Unabhängigkeit von Druck und Temperatur, schnelles Ansprechen bei Fluidschwankungen, die hochdynamische Messbereichsspanne sowie die direkte Erfassung des Massedurchflusses machen die thermische Anemometrie in der Strömungsmesstechnik unverzichtbar. Mehr zum Thema