Volumenströme direkt erfassen

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08.02.2011 Thermische Strömungssensoren werden häufig zur Messung von Volumen- oder Massenströmen in Gasen eingesetzt. Diese wartungsfreie und robuste Messmethode stieß aber bislang bei höheren Temperaturen an ihre Grenzen. Eine Neuentwicklung ermöglicht jetzt eine Messung bis 350 °C und erschließt nicht nur ein breiteres Einsatzspektrum, sondern lässt sich auch als durchgängige Lösung verwenden.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • Der Strömungssensor SS 20.650 verfügt über ein Sensorelement, dessen Trägermaterial hochtemperaturbeständige Keramik ist.
  • Vor mechanischen Beanspruchungen oder hohen Drücken geschützt wird es durch einen ebenfalls hochtemperaturbeständigen Keramik-Kammerkopf.
  • Der Sensor selbst enthält sowohl den Heizwiderstand als auch den Temperaturfühler und misst direkt die Norm- Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von Druck und Temperatur.
  • Mit einer Druckfestigkeit von 16bar kann der neue Strömungssensor nun auch für Messungen bis 350°C eingesetzt werden, die z.B. zur Regelung thermischer Prozesse mit vorgewärmter Verbrennungsluft benötigt werden.

Für das Messen von Strömungsgeschwindigkeit und Volumenstrom stehen mehrere Methoden zur Wahl. Eine davon ist die thermische Anemometrie. Dabei wird ein Sensorelement kontinuierlich aufgeheizt und diese Temperatur mithilfe einer Regelschaltung rund 40°C über die Mediumstemperatur konstant gehalten. Eingetaucht in ein Messmedium, kühlt es durch die Luft- oder Gasströmung ab. Gemessen wird die Energie, die nötig ist, um diese Temperatur zu halten. Der Wärmeübergang vom Heizelement in das Medium ist letztlich ein Maß für dessen Strömungsgeschwindigkeit bzw. der vorbei strömenden Molekülanzahl. Da die Strömungsgeschwindigkeit wiederum von der Masse des am Sensor vorbeiströmenden Mediums abhängt, müssen die Temperatur und der Druck nicht kompensiert werden. Dies ist somit der große Vorteil von thermischen Strömungssensoren bei der Volumen- und Massenstrombestimmung. Die Sensoren werden vom Hersteller auf einen standardisierten barometrischen Druck und die Umgebungstemperatur abgeglichen. Man spricht daher auch von einer Norm-Strömungsgeschwindigkeit. Die Vorteile dieser Methode liegen in der Messbarkeit sehr geringer Luftströmungen ab 0,2Nm/s bis zu hohen Volumenströmen Zudem ist ein thermischer Strömungssensor sehr robust, wartungsfrei und reaktionsschnell.

Auch gute Alternativen haben Nachteile

Eine mechanische Messmethode ist das Flügelrad, das wie ein Propeller funktioniert. Wird der Sensor mit seiner Achse in die Strömungsrichtung des Mediums gebracht, erzeugt dessen Strömungsgeschwindigkeit eine dazu proportionale Drehzahl des Flügelrades. Diese kann beispielsweise über die Änderung der Induktivität erfasst werden. Ein Flügelrad misst lediglich die Geschwindigkeit der vorbeiströmenden Moleküle – und die sind bei 1bar Druck genau so schnell wie bei 2bar. Deshalb muss neben der Temperatur auch der Druck gemessen werden, woraus sich der Norm-Volumenstrom berechnen lässt.

Diese Messmethode zeichnet sich bei mittleren Strömungsgeschwindigkeiten und mittleren Umgebungstemperaturen durch ihre hohe Genauigkeit aus. Ihr großer Nachteil liegt in den mechanischen Verschleißteilen und in der hohen Fehlerquote, die sich bei niedrigen Geschwindigkeiten durch das Anlauf-Drehmoment ergeben. Auch zu hohe Temperaturen bringen das Flügelrad an seine Grenzen. Nämlich dann, wenn sich die Flügel durch die Wärme ausdehnen und auf die Lager drücken.
Eine gängige Methode bei sehr hohen Temperaturen ist die Differenzdruckmessung. Die Luftströmung wird mit Hilfe einer Messblende und eines Staurohrs über Staudruck und den statischen Druck ermittelt. Staurohre sind robust und eignen sich auch für hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Geringe Strömungsgeschwindigkeiten lassen sich mit ihnen allerdings nicht messen und ihre Genauigkeit ist – abhängig von der Temperatur – begrenzt. Darüber hinaus müssen bei diesen Verfahren der Druck und die Temperatur bekannt sein und verrechnet werden.

Neue Materialien trotzen hohen Temperaturen

Die sensible Sensorik und die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung und Verschmutzungen galten bisher als Nachteile der thermischen Sensoren. Jetzt wurde die Erfahrung in der Herstellung von Strömungssensoren mit modernsten Technologien und Materialen kombiniert und eine neue Sensorgeneration vorgestellt, mit der sich der tatsächlich vorherrschende Volumenstrom bis in hohe Temperaturbereiche messen lässt.

SS 20.650 heißt die jüngste Entwicklung unter den Strömungssensoren, die neben speziellen Verbindungselementen auch über ein Sensorelement verfügt, dessen Trägermaterial hochtemperaturbeständige Keramik ist. Vor mechanischen Beanspruchungen oder hohen Drücken geschützt wird es durch einen ebenfalls hochtemperaturbeständigen Keramik-Kammerkopf. Der Sensor selbst enthält sowohl den Heizwiderstand als auch den Temperaturfühler.
Mit einer Druckfestigkeit von 16bar kann der neue Strömungssensor nun auch für Messungen bis 350°C eingesetzt werden, wie es bei Prozessen vorkommt, in denen vorgewärmte Verbrennungsluft vorliegt. Einbaulängen zwischen 400 und 1000mm, auch kundenspezifische Längen sind erhältlich, tragen jeder Einbausituation Rechnung. Bei Bedarf erhält der Anwender den Sensor auch mit einem Hochpräzisionsabgleich. Dafür wird jeder Sensor an Referenzmesskanälen vermessen; Genauigkeit sowie Reproduzierbarkeit sind in einem ISO-Kalibrierzertifikat dokumentiert.

Messbereich und Wartungsfreiheit ermöglichen neue Einsatzgebiete

Durch die Messung des tatsächlichen Volumenstroms ohne Hilfsgrößen und Berechnungen eröffnet der Strömungssensor ein erweitertes Einsatzgebiet. Auch die Tatsache, dass er ohne Wartung und Drift eine hohe Langzeitstabilität gewährleistet, trägt dazu bei. So ist der kompakte Sensor, der sich schon bei Rohren ab 25mm einsetzen lässt, zum Beispiel auch dann geeignet, wenn an schwer zugänglichen Stellen gemessen werden soll. Schon allein deshalb, weil sein Einbau aufgrund einer Durchgangsverschraubung aus Messing schnell und unkompliziert erfolgt.

Unterschiedliche Betriebszustände und Lastzeiten verlangen von einem Strömungssensor, dass er sowohl minimale als auch maximale Volumenströme präzise erfassen kann. Hier kommt dem Anwender die hohe Messbereichs-Dynamik von 0,2 bis zu 60Nm/s des Sensors zugute. Aus diesem Grund ist er auch zur Druckluftmessung geeignet, weil er dort neben der Leistungsmessung auch zur Leckageüberprüfung herangezogen werden kann.

Insgesamt kann der Anwender durch den Strömungssensor den kompletten Regelbereich seiner Anlage abdecken, für den vorher noch mindestens eine weitere Messmethode nötig war. So auch bei der Überwachung von Trocknungsprozessen: Neben der präzisen Volumenstromregelung der Trocknungsluft ist die gleichzeitige Temperaturerfassung am Messpunkt wichtig für das Produktionsergebnis in der Beschichtungstechnik.

 

Heftausgabe: Februar 2011
Rolf Bürssner, Leiter Vertrieb Unternehmensbereich Sensorik Schmidt Technology

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Rolf Bürssner, Leiter Vertrieb Unternehmensbereich Sensorik Schmidt Technology

Autor: Rolf Bürssner, Leiter Vertrieb Unternehmensbereich Sensorik, Schmidt Technology

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