Thermische Anemometrie

Strömungsmessung durch erzwungene Konvektion

(PresseBox) (St. Georgen, ) Die Thermische Anemometrie ist eine Methode zur Strömungsmessung gasförmiger Fluide, die auf dem Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeabführung durch erzwungene Konvektion basiert. Strömungsgeschwindigkeiten können mit unterschiedlichen Messprinzipien wie durch Wirkdruck, Laserstreuung oder Wärmekonvektion gemessen werden, wobei die Hitzdrahtanemometrie selbst kleine Strömungsgeschwindigkeiten erfasst und neben dem Betrag auch die Strömungsrichtung bestimmt.

Hitzdrahtanemometer besitzen einen elektrisch beheizten Metalldraht als Widerstand, gespannt zwischen zwei Haltespitzen. Heißfilmsonden haben anstelle des Hitzdrahtes einen dünnen Metallfilm auf einem Glassubstrat. Robuster und weniger aufwendig als Heißfilmsonden sind beheizte NTC-Perlensonden, weil sie eine Schutzummantelung tragen und als Standardbauelemente für Temperaturmessung verfügbar sind. 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, und ihr Schutzgehäuse gibt der Sonde zwangsläufig eine Richtcharakteristik.

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.

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. Zu den gebräuchlichsten Methoden für den Betrieb von Anemometern zählen die Constant-Current Anemometry (CCA) und die Constant-Temperature Anemometry (CTA).

CCA misst den Sondenwiderstand und kommt ohne aufwändige Regelung aus, da der Sensor mit konstantem Strom beheizt wird. Für kleine Strömungsgeschwindigkeiten ist diese Messschaltung sehr gut geeignet, nicht aber für schnelle Strömungsänderungen. Hier dienen CTA-Messschaltungen, deren schnelle Regelkreise den Sensor mittels Nachführung von Speisestrom oder Speisespannung auf einer konstanten Temperatur halten. Vorteil: die Sensortemperatur kann bestimmt werden und somit ist auch eine theoretische Korrektur des Temperatureinflusses möglich. Im Gegensatz zum Konstant-Strom-Anemometer ist auch eine wesentlich höhere Empfindlichkeit über einen großen Geschwindigkeitsbereich vorhanden.

Das thermische Messverfahren ermöglicht eine sehr große Messbereichsspanne von etwa 0,1 bis 200 m/s. 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. Durchflussmessungen mit thermischen Anemometern eignen sich nicht nur für kleine Rohrströmungen. Masse- und Volumenstrommessungen unter Normalbedingungen können ohne weitere Nebenmessgrößen unmittelbar durchgeführt werden.

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