Präzise Durchflussmessung ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz und Sicherheit moderner industrieller Prozesse. Wir stellen fest, dass die richtige Messtechnik den Unterschied zwischen optimaler Produktion und kostspieligen Fehlern ausmachen kann. Besonders in anspruchsvollen Umgebungen zeigt sich die Bedeutung zuverlässiger Messverfahren.

Die thermische Durchflussmessung bietet dabei bemerkenswerte Vorteile gegenüber konventionellen Methoden. Sowohl bei der Durchflussmessung von Wasser als auch bei Heizungsanlagen kommen diese Vorteile zum Tragen. Besonders bei der Durchflussmessung von Gasen überzeugt das thermische Prinzip durch seine Genauigkeit. In diesem Artikel untersuchen wir, wie die thermische Durchflussmessung mit Heizelementen funktioniert und warum diese Technologie in vielen Industriebereichen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Ausserdem betrachten wir die spezifischen Anwendungsfälle der thermischen Durchflussmessung für Gas und andere Medien sowie die technischen Grundlagen, die hinter dieser präzisen Messtechnik stehen.

Messprinzip der thermischen Durchflussmessung mit Heizelementen

Das thermische Durchflussmessprinzip basiert auf einem grundlegenden physikalischen Phänomen: Einem beheizten Körper wird durch das Vorbeiströmen eines Mediums Wärme entzogen. Diese Wärmeübertragung bildet die Basis für präzise Messungen in der Industriemesstechnik.

CTA- und CTV-Modus im Vergleich

Bei der thermischen Durchflussmessung unterscheiden wir hauptsächlich zwischen zwei Betriebsarten:

• Konstante Temperaturdifferenz (CTA): Bei dieser Methode wird eine konstante Temperaturdifferenz zwischen einem Heizelement und einem Referenzsensor aufrechterhalten. Die zur Aufrechterhaltung dieser Differenz benötigte Heizenergie ist proportional zum Massendurchfluss. Dieser Modus zeichnet sich durch eine schnellere Reaktionszeit aus und ist daher in der Praxis häufiger anzutreffen.
• Konstante Leistung (CTV/CPA): Hier wird dem Heizelement eine konstante elektrische Leistung zugeführt. Bei Änderungen der Durchflussmenge variiert die entstehende Temperaturdifferenz zum Referenzsensor. Diese Änderung der Temperaturdifferenz dient als Messgrösse für den Durchfluss.

Die mathematische Beziehung zwischen Durchflussrate und Wärmeübertragung wird durch die King-Gleichung beschrieben: QL=ΔT⋅{K+(2π⋅K⋅cv⋅ρ⋅v⋅d)}0.5. Diese nichtlineare Gleichung zeigt deutlich, wie empfindlich das Messverfahren gegenüber den Fluideigenschaften ist.

Symmetrische Heizstruktur und ihre Vorteile

Moderne thermische Durchflussmesser verwenden oft symmetrische Heizstrukturen mit mehreren Sensorelementen. Bei kalorimetrischen Sensoren kommen typischerweise symmetrisch angeordnete Thermosäulen zum Einsatz, die vor und hinter dem Heizelement positioniert sind. Diese Anordnung bietet entscheidende Vorteile:

Zunächst ermöglicht die symmetrische Struktur eine bessere Kompensation von Umgebungseinflüssen. Darüber hinaus erhöht sie die Messempfindlichkeit erheblich. Bei Nulldurchfluss zeigen alle Temperatursensoren die gleiche Temperatur an. Sobald eine Strömung auftritt, erwärmen oder kühlen sich die Sensoren im Verhältnis zueinander.

Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration ist die hohe Messdynamik. Typische Geräte erreichen ein Messbereichsverhältnis von 100:1. Diese beeindruckende Dynamik ermöglicht präzise Messungen sowohl bei sehr niedrigen als auch bei hohen Durchflussraten, was besonders bei der Durchflussmessung von Gasen wichtig ist.

Temperaturdifferenz als Messgrösse

Die Temperaturdifferenz bildet das Herzstück der thermischen Durchflussmessung. In einem typischen Aufbau misst ein Sensor die aktuelle Mediumstemperatur als Referenz, während ein zweiter Sensor beheizt wird und bei “Nulldurchfluss” eine konstante Temperaturdifferenz zum ersten Sensor aufweist.

Sobald das Medium zu fliessen beginnt, kühlt der beheizte Temperatursensor ab – und zwar umso stärker, je höher die Fliessgeschwindigkeit ist. Der Abkühlvorgang ist folglich ein direktes Mass für die Fliessgeschwindigkeit. Bei der CTA-Methode wird der zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz erforderliche Heizstrom gemessen und ist proportional zum Massedurchfluss.

Die Vorteile dieser Messmethode sind beachtlich: Sie ermöglicht eine direkte Massedurchflussmessung ohne Druck- oder Temperaturkompensation. Ausserdem bietet sie eine hohe Messempfindlichkeit und schnelle Reaktion auf Durchflussschwankungen.

Besonders bei Gasmessungen zeigt sich die Leistungsfähigkeit des thermischen Prinzips. Ein typischer thermischer Massenflussmesser des Typs G4 kann sowohl mit einer maximalen Erdgas-Durchflussrate von 6 m³/h als auch mit einer maximalen Wasserstoff-Durchflussrate von über 20 m³/h problemlos umgehen.

Die thermische Durchflussmessung mit Heizelementen stellt somit ein ausgereiftes Verfahren für die präzise Bestimmung von Massedurchflüssen dar – insbesondere dort, wo herkömmliche Messverfahren an ihre Grenzen stossen.

Sensoraufbau und Signalverarbeitung                

Die Zuverlässigkeit und Präzision der thermischen Durchflussmessung hängt massgeblich vom Aufbau der Sensoren und der nachgelagerten Signalverarbeitung ab. Um präzise Messergebnisse bei der Durchflussmessung zu erzielen, spielt die Konstruktion der Sensoren sowie die Verarbeitung der Messsignale eine entscheidende Rolle.

Aufbau des Heizelementsensors

Thermische Durchflussmesser basieren hauptsächlich auf MEMS-Technologie (mikroelektromechanische Systeme). In ihrer einfachsten Form bestehen diese Sensoren aus einem Heizelement und mehreren Temperatursensoren. Je nach Anwendung und Messbereich kommen dabei zwei Haupttypen zum Einsatz:

• Anemometrische Sensoren: Sie messen den Massendurchfluss durch die Energieabgabe eines Gases am Heizelement. Das vorbeiströmende Gas kühlt das Heizelement ab und verändert dadurch dessen Widerstand.
• Kalorimetrische Sensoren: Diese verwenden symmetrisch angeordnete Thermosäulen vor und hinter dem Heizelement. Bei Nulldurchfluss zeigen beide Sensoren identische Werte. Sobald ein Medium strömt, erwärmt sich der stromabwärts liegende Sensor stärker als der stromaufwärts positionierte.

Bei der kalorimetrischen Messmethode ist die Anordnung der Temperatursensoren entscheidend für die Messgenauigkeit. Das Heizelement wird mit einem konstanten Strom versorgt, um die Temperaturdifferenz konstant zu halten. Der Messeffekt basiert darauf, dass ein beheizter Körper durch das vorbeiströmende Medium abgekühlt wird – je stärker die Strömung, desto grösser der Kühleffekt.

Besonders bei der Durchflussmessung von Gasen zeigt sich die Leistungsfähigkeit dieser Sensorkonstruktion. Der zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz erforderliche Heizstrom ist ein direktes Mass für den Massedurchfluss.

Signalverstärkung und A/D-Wandlung

Nach der Erfassung des physikalischen Messsignals folgt die Signalverstärkung und Digitalisierung. Da die Messsignale an thermischen Widerstandssensoren typischerweise im Millivolt-Bereich liegen, ist eine Verstärkung unerlässlich. Integrierte Vorverstärker (PGA, Programmable Gain Array) können für Verstärkungen von 1 bis 128 programmiert werden und ermöglichen einen optimalen Kompromiss zwischen Erregerstrom, Verstärkung und Genauigkeit.

Vor der A/D-Wandlung ist zudem eine Filterung erforderlich, um Antialiasing sicherzustellen und Störanteile im Messsignal zu reduzieren. Diese Filterung kann entweder durch interne analoge Puffer oder durch externe R-C-Filter realisiert werden.

Für die präzise Digitalisierung der analogen Messsignale kommen häufig Sigma-Delta-Wandler zum Einsatz. Diese erreichen eine Auflösung von bis zu 24 Bit und sind dank ihrer integrierten digitalen Filter gegenüber höherfrequenten Störsignalen unempfindlich. Durch den mehrstufigen Wandleraufbau erreichen diese Wandler ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, was besonders bei der Durchflussmessung von Wasser und Gas wichtig ist.

Nach der Digitalisierung ist eine Kalibrierung notwendig, um Verstärkungs- und Offsetfehler zu eliminieren. Durch interne Null- und Messbereichs-Kalibrierung kann der Gesamtmessfehler auf deutlich weniger als ±1 °C reduziert werden.

Einfluss der Umgebungstemperatur

Die Umgebungstemperatur spielt eine entscheidende Rolle bei der thermischen Durchflussmessung, da sie direkt die Messergebnisse beeinflussen kann. Besonders betroffen sind dabei die Temperaturmessungen selbst, da sie empfindlich auf Temperaturschwankungen reagieren.

Folgende Einflüsse sind dabei zu beachten:

• Selbsterwärmung von Sensoren: Bei Widerstandsthermometern kann die elektrische Stromzufuhr zur Selbsterwärmung führen, insbesondere wenn die Umgebungstemperatur stark von der Zieltemperatur abweicht.
• Messdrift: Durch hohe Umgebungstemperaturen können thermische Sensoren driften, besonders wenn sie über längere Zeit thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

Um diese Einflüsse zu minimieren, werden in modernen thermischen Durchflussmessern verschiedene Kompensationsmassnahmen implementiert. Dazu gehören temperaturstabilisierte Sensoren sowie spezielle Schaltungen, die Temperatureinflüsse ausgleichen. Besonders bei der Durchflussmessung in Heizungsanlagen ist diese Kompensation wichtig, da hier erhebliche Temperaturunterschiede auftreten können.

Bei thermischen Massendurchflussmessern für Gase ist allerdings ein entscheidender Vorteil, dass keine Druck- oder Temperaturkompensation erforderlich ist, da die Messung unabhängig von der Dichte des Mediums erfolgt. Dies vereinfacht die Messung erheblich, da weniger externe Faktoren berücksichtigt werden müssen.

Typische Einsatzbereiche in der Industrie

Thermische Durchflussmessgeräte haben sich in zahlreichen industriellen Anwendungen als unverzichtbar erwiesen. Ihre Vielseitigkeit und Präzision machen sie zu einer bevorzugten Wahl für unterschiedlichste Einsatzszenarien. Von der Überwachung sensibler Umgebungen bis hin zur effizienten Steuerung von Versorgungssystemen bieten sie entscheidende Vorteile.

Durchflussmessung von Gasen in Reinräumen

In der kontrollierten Umgebung von Reinräumen spielt die präzise Messung von Gasströmen eine fundamentale Rolle. Die thermische Durchflussmessung ist besonders bei der Überwachung des Laminarflows in Reinräumen unter Fan-Filter-Units unverzichtbar. Für die Pharma-, Nahrungsmittel- und Halbleiterindustrie ist die Messung selbst geringster Strömungsgeschwindigkeiten von entscheidender Bedeutung.

In Fertigungsräumen müssen strenge Kontrollen eingehalten werden. Thermische Sensoren überwachen den Flow in speziellen Umgebungen wie:

• Handschuhboxen und Isolatoren in der Pharmaindustrie
• Sinkgeschwindigkeitsmessung in Lackierkabinen der Automobilindustrie
• Spezielle Fertigungsbereiche in der Halbleiterindustrie

Die Messung erfolgt dabei berührungslos, was besonders in Branchen mit hohen Reinheitsanforderungen von Vorteil ist. Folglich eignet sich diese Technologie hervorragend für Bereiche, in denen Hygiene und Sauberkeit eine entscheidende Rolle spielen.

Insbesondere für hochgenaue gasmassenstrom-proportionale Messungen, wie sie in Motorenprüfständen, Klimakammern oder bei der Verbrennungssteuerung erforderlich sind, bieten thermische Durchflussmesser optimale Voraussetzungen.

Durchflussmessung in Heizungsanlagen

In der Heiztechnik dienen Durchflussmessgeräte primär zur Kontrolle des Durchflusses von Heizungswasser. Sie spielen eine wichtige Rolle beim hydraulischen Abgleich, der zur Bestimmung der Volumenströme des Heizungswassers durchgeführt wird. Damit kann die Heizungsregelung optimiert und eine energieeffiziente Betriebsweise sichergestellt werden.

Bei Fussbodenheizungen sind Durchflussmesser besonders wichtig. Sie zeigen an, wie hoch der Druck bzw. die Durchflussmenge in den einzelnen Heizkreisen ist. Dementsprechend kann bei ungleichmässiger Heizleistung eine Nachjustierung vorgenommen werden, um optimale Wärmeverteilung zu gewährleisten.

In der Heiztechnik kommen sowohl mechanische als auch elektronische Durchflussmesser zum Einsatz. Die mechanischen Geräte dienen hauptsächlich zur Kontrolle des Durchflusses von Heizungswasser und zeichnen sich durch ihre Robustheit und einfache Handhabung aus.

Besonders verbreitet sind Schwebekörper-Durchflussmesser. Diese bestehen aus einem Rohr mit einem speziellen Schwebekörper, der abhängig vom Volumenstrom im Rohr nach oben oder unten steigt. Sie werden aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit und günstigen Anschaffungskosten häufig in Heizungsanlagen verwendet.

Darüber hinaus finden auch Ultraschall-Durchflussmessgeräte Anwendung bei der Energieoptimierung während des hydraulischen Abgleichs sowie bei der Kälte- und Wärmemengenmessung. Sie eignen sich hervorragend zur Datenerfassung und Identifizierung von Anlagenstörungen wie defekten Pumpen, fehlerhaften Ventilen oder zugesetzten Wärmetauschern.

Anwendungen in der Wasseraufbereitung

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet thermischer Durchflussmesser ist die Wasseraufbereitung. In Aufbereitungsanlagen messen sie präzise den Verbrauch, die Fördermengen oder etwaige Verluste. Diese Daten sind essenziell für die Prozesssicherheit, Effizienz und Qualitätssicherung.

Besonders in der Abwasserbehandlung übernehmen thermische Massendurchflusssensoren kritische Aufgaben. Sie messen unter anderem den Luftstrom im Belebungsbecken, was für den ordnungsgemässen Betrieb der Kläranlage entscheidend ist. Die genaue Messung fördert das Wachstum von Mikroorganismen, die Schadstoffe abbauen.

Die Vorteile dieser Sensoren in der Wasseraufbereitung sind vielfältig:

• Robuste Bauweise für raue Industrieumgebungen und Aussenbereiche
• Kostengünstige Installation und minimaler Wartungsaufwand
• Präzise Steuerung und Regelung des Belüftungsprozesses

Zudem können thermische Massendurchflusssensoren den Durchfluss von Druckluft messen, die zum Rühren oder Mischen verwendet wird. Dies gewährleistet eine genaue Prozessüberwachung und optimiert den Energieverbrauch.

Magnetisch-induktive Durchflussmesser werden ebenfalls häufig in der Wasseraufbereitung eingesetzt. Sie eignen sich hervorragend für feststoffarme, niedrigviskose und höchstens schwach aggressive Medien. Aus diesem Grund finden sie sowohl in der Wasseraufbereitung als auch zum Bewässern und Kühlen von Maschinen in industriellen Prozessen Verwendung.

Installationsanforderungen und Einbaulage

Die korrekte Installation von Durchflussmessgeräten bestimmt massgeblich deren Messgenauigkeit und Langlebigkeit. Selbst das präziseste Messgerät liefert fehlerhafte Ergebnisse, wenn es nicht sachgemäss installiert wurde. Daher müssen bestimmte Anforderungen an die Einbaulage und Montagesituation unbedingt beachtet werden.

Einfluss von Ein- und Auslaufstrecken

Die Strömungsverhältnisse im Rohr beeinflussen unmittelbar die Messgenauigkeit. Für zuverlässige Messergebnisse sind daher ausreichend lange, gerade Ein- und Auslaufstrecken vor und nach dem Durchflussmessgerät erforderlich. Bei den meisten Anwendungen reichen eine gerade Einlaufstrecke von 3 x DN und eine Auslaufstrecke von 2 x DN aus (wobei DN den Nenndurchmesser des Rohrs bezeichnet).

Allerdings hängen die konkreten Anforderungen vom Messverfahren und der Rohrgeometrie ab. So gelten beispielsweise gemäss DIN 19200 für Prüfstände strengere Referenzbedingungen: Hier sind 10 x DN für den geraden Einlauf und 5 x DN für den geraden Auslauf vorgesehen. Für besonders anspruchsvolle Einbausituationen liefert die folgende Übersicht einen Richtwert für minimale Einlaufstrecken:

• Ein Krümmer: 10 x DN
• Zwei Krümmer in der gleichen Ebene: 13 x DN
• Drei oder mehr Krümmer in derselben Ebene: 15 x DN
• Zwei Krümmer in verschiedenen Ebenen: 15 x DN
• T-Stück: 20 x DN
• Ventil: 40 x DN

Als allgemeine Faustregel gilt: Je komplexer die Einbausituation, desto länger sollten die ungestörten geraden Rohrabschnitte sein. Bei unzureichender Einlaufstrecke kann alternativ ein Strömungsgleichrichter eingesetzt werden, der das Strömungsprofil normalisiert. Mehr zum Thema DIN : https://de.wikipedia.org/wiki/DIN-Norm

Vermeidung von Turbulenzen und Vibrationen

Turbulenzen können die Messergebnisse erheblich beeinflussen und müssen daher vermieden werden. Besonders problematisch sind stehende Wirbel, die in die Zone der Messwertbildung hineinreichen, wie sie nach Raumkrümmern, bei tangentialem Einschuss oder bei halbgeöffneten Schiebern vor dem Durchflussmessgerät entstehen können.

Zusätzlich sollten Durchflussaufnehmer nicht in der Nähe von starken elektromagnetischen Feldern montiert werden, da diese die Messelektronik stören könnten. Ausserdem ist bei der Installation in der Nähe von Pumpen oder anderen vibrationsverursachenden Einbauten der Einsatz von mechanischen Schwingungskompensatoren sinnvoll. Bei langen Rohrleitungen werden Antivibrationskompensatoren empfohlen, um Erschütterungen zu reduzieren.

Die Strömungsgeschwindigkeit spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Bei kleiner Fliessgeschwindigkeit und grosser Viskosität liegt eine laminare Strömung vor, bei der sich die Flüssigkeitsteilchen auf wohlgeordneten, nebeneinander hergleitenden Schichten bewegen. Bei höherer Fliessgeschwindigkeit oder geringerer Viskosität entsteht eine turbulente Strömung mit einem gleichmässigeren Geschwindigkeitsprofil. Der Umschlagpunkt wird durch die kritische Reynoldsche Zahl (ReKr ~ 2300) gekennzeichnet.

Montagehinweise für vertikale und horizontale Leitungen

Bei der Installation von Durchflussmessgeräten sind spezifische Anforderungen je nach Einbaulage zu beachten. Bei thermischen Massendurchflussmessern ist die bevorzugte Einbaulage horizontal. Insbesondere Hochdruck-Geräte (>10 bar) sollten immer horizontal eingebaut werden.

Für horizontale Rohrleitungen gilt: Der Durchflusssensor sollte so eingebaut werden, dass das Messrohr stets vollständig gefüllt ist. Die Sensoren sollten nach Möglichkeit horizontal montiert werden, wobei eine Abweichung von bis zu 60° von der Horizontalen problemlos möglich ist. Dabei sollte die gedachte Verbindungslinie der Elektroden möglichst waagerecht liegen, damit keine Gasblasen die Elektroden berühren können.

Bei vertikalen Rohrleitungen ist eine Strömungsrichtung von unten nach oben empfehlenswert. Der Einbau in eine vertikale Rohrleitung ist ideal, wenn das Medium von unten nach oben gefördert wird. Die Installation in Fallleitungen (Durchfluss von oben nach unten) sollte nach Möglichkeit vermieden werden, da solche Leitungen keine 100%ige Rohrfüllung garantieren. Besonders problematisch ist die Montage unmittelbar vor einem freien Rohrauslauf.

Folgende Einbaulagen sollten grundsätzlich vermieden werden:

• Montage direkt vor einer fallenden Leitung
• Montage in einer fallenden Leitung
• Montage am höchsten Punkt eines Rohrleitungssystems
• Montage an der Ansaugseite einer Pumpe

Für eine optimale Entgasung ist eine leichte Steigung der Leitung von etwa 3% vorteilhaft. Bei stark verschmutzten Messstoffen empfiehlt sich zudem eine Umgehungsleitung, damit während der mechanischen Reinigung der Betrieb der Anlage ohne Unterbrechung weitergeführt werden kann.

Vergleich mit anderen Messverfahren

Bei der Wahl eines Durchflussmessverfahrens für industrielle Anwendungen müssen verschiedene Aspekte wie Messgenauigkeit, Wartungsaufwand und Kosten berücksichtigt werden. Jedes Messverfahren bringt individuelle Stärken und Schwächen mit, die je nach Anwendungsfall unterschiedlich ins Gewicht fallen.

Thermisch vs. Coriolis bei Gasen

Der Vergleich zwischen thermischen und Coriolis-Messverfahren bei Gasen zeigt deutliche Unterschiede in Funktionsweise und Leistung. Während thermische Durchflussmesser auf dem Prinzip der Wärmeübertragung basieren, nutzen Coriolis-Geräte den physikalischen Coriolis-Effekt zur direkten Massestrommessung.

Ein entscheidender Vorteil thermischer Durchflussmesser liegt in ihrer Eignung für Anwendungen mit hoher Messdynamik oder geringen Druckverlusten. Sie bieten bei der Gasmessung eine echte Alternative zu traditionellen Messverfahren – etwa bei der Prozesssteuerung, Verbrauchskontrolle oder Leckageüberwachung. Darüber hinaus erlauben sie die direkte Erfassung von Massedurchfluss und Mediumstemperatur, ohne dass eine Druck- oder Temperaturkompensation erforderlich ist.

Coriolis-Messgeräte hingegen gelten als die genausten Inline-Durchflussmesser auf dem Markt, mit Spezifikationen ab 0,05% des Messwertes. Ausserdem bieten sie:

• Direkte Massendurchflussmessung ohne Beeinflussung durch physikalische Faktoren wie Leitfähigkeit, Druck oder Viskosität
• Gleichzeitige Erfassung von Flüssigkeitsdichte und Massendurchfluss
• Höchste Flexibilität bei variierenden Prozessbedingungen

In der Gasmesstechnik zeigen sich allerdings Anwendungsunterschiede: Thermische Messverfahren eignen sich besonders gut für Druckluft, Kohlendioxid, Argon, Stickstoff, Sauerstoff und Erdgas. Coriolis-Messgeräte sind hingegen die einzige Option für schwierige Gase wie NO2, die in einem unbekannten Gleichgewicht mit N2O4 stehen.

Thermisch vs. Vortex bei Dampf

Bei Dampfanwendungen konkurrieren thermische Durchflussmesser mit dem Vortex-Verfahren. Das Vortex-Messprinzip beruht auf der Kármánschen Wirbelstrasse, bei der ein umströmter Körper gegenläufige Wirbel erzeugt. Diese Wirbel bilden hinter dem Störkörper lokale Druckdifferenzen, die durch einen Sensor erfasst werden. Die gemessene Frequenz der auftretenden Wirbel verhält sich proportional zur Fliessgeschwindigkeit.

Im Gegensatz dazu nutzt das thermische Verfahren zwei Widerstandssensoren, wobei einer als Heiz- und der andere als Messelement für die Mediumstemperatur dient. Die Temperaturdifferenz zwischen dem heizenden PT100 und dem Medium wird konstant gehalten, und die dafür erforderliche Heizleistung gemessen. Aus dieser Heizleistung lässt sich direkt auf die Durchflussmenge schliessen.

Für Dampfanwendungen bieten Vortex-Geräte wie die Prowirl-Serie besondere Vorteile:

• Verfügbarkeit in unterschiedlichen Werkstoffen und mit speziellen Reinigungsoptionen
• Einsetzbarkeit bei Wasserstoff oder Sauerstoff
• Integrierte Heartbeat Technology für einfache Geräteverifikation vor Ort

Dennoch bleibt das thermische Messprinzip aufgrund seiner hohen Messempfindlichkeit und schnellen Reaktion auf Durchflussschwankungen für viele Anwendungen die bevorzugte Wahl.

Kosten-Nutzen-Vergleich für thermische Sensoren

Ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl des geeigneten Durchflussmessverfahrens sind die Kosten im Verhältnis zum Nutzen. Grundsätzlich gilt: Messgeräte mit höherer Genauigkeit kosten mehr, und selbst geringfügige Verbesserungen können je nach Zählertyp und Durchflussmenge teuer werden.

Anschaffungskosten im Vergleich:

• Laminar-Durchflussmesser (unteres Preissegment): ca. CHF 0,89
• Coriolis-Durchflussmesser (höhere Genauigkeit): ca. CHF 4,45

Allerdings weisen Coriolis-Messgeräte überraschend niedrige Lebenszykluskosten auf, da sie relativ wartungsfrei sind und eine hohe Flexibilität bei stark variierenden Prozessbedingungen bieten.

Thermische Massendurchflussmesser punkten hingegen mit folgenden Vorteilen:

• Multivariable Messtechnik mit direkter Erfassung von Massedurchfluss und Temperatur
• Hohe Messdynamik (100:1) und Messempfindlichkeit
• Schnelle Reaktion auf Durchflussschwankungen

Die Wahl des optimalen Messverfahrens hängt letztlich von der spezifischen Anwendung ab. Während thermische Durchflussmesser am besten für saubere Gase geeignet sind, da Partikel die Wärmeübertragung beeinträchtigen können, sind Coriolis-Durchflussmesser vielseitiger einsetzbar, jedoch mit höheren Anschaffungskosten verbunden.

Auch die Reaktionszeit spielt eine wichtige Rolle. Diese variiert bei Coriolis-Messgeräten je nach Grösse, Prozessor und Firmware zwischen 1 ms und 500 ms. Bei thermischen MEMS-Zählern ist besonders die kurze Aufwärmzeit von wenigen Sekunden statt Minuten ein Vorteil.

Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Messunsicherheit

Für präzise industrielle Prozesse müssen thermische Durchflussmessgeräte zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse liefern. Während manche Anwendungen höchste Genauigkeit erfordern, tolerieren andere gewisse Messabweichungen. Die genaue Kenntnis der Messunsicherheit ist allerdings stets entscheidend für den erfolgreichen Einsatz.

Wiederholbarkeit bei konstantem Volumenstrom

Die Wiederholbarkeit beschreibt die Eigenschaft eines Messgeräts, unter gleichen Bedingungen identische Messwerte zu liefern. Interessanterweise kann ein Durchflussmessgerät eine hohe Wiederholbarkeit aufweisen, ohne besonders genau zu sein – umgekehrt ist jedoch keine hohe Genauigkeit ohne gute Wiederholbarkeit möglich. Falls ein Messgerät unter identischen Bedingungen unterschiedliche Werte liefert, sind diese Werte grundsätzlich nicht als genau zu betrachten.

Bei Wirbelzähler-Durchflussmessgeräten liegt die Reproduzierbarkeit typischerweise bei etwa 0,1%. Einige spezialisierte thermische Massendurchflussmesser erreichen Wiederholgenauigkeiten von bis zu ±0,25%. Diese bemerkenswerte Stabilität macht sie besonders wertvoll für Anwendungen, bei denen konstante Prozessbedingungen überwacht werden müssen.

Die Wiederholbarkeit wird allerdings durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Hierzu zählen vor allem:

• Temperaturstabilität des Messgeräts und der Elektronik
• Mechanische Vibrationen im Messsystem
• Langzeitstabilität der Sensortechnologie
• Mögliche Drifteffekte der Messkomponenten

Einfluss der Viskosität auf die Messgenauigkeit

Die Viskosität oder Zähigkeit eines Mediums beeinflusst direkt die Messgenauigkeit von Durchflussmessgeräten. Da die Viskosität temperaturabhängig ist, verändert sich auch die Messgenauigkeit bei schwankenden Temperaturen. Dies ist besonders bei der Durchflussmessung von Wasser und anderen Flüssigkeiten zu beachten, während die Auswirkungen bei Gasen geringer ausfallen.

Ein entscheidender Parameter für die Einschätzung des Viskositätseinflusses ist die Reynolds-Zahl. Bei Reynolds-Zahlen unter 10.000 werden Messungen durch zusätzliche Fehler beeinträchtigt, da die Strömung nicht die vollständige Regelmässigkeit erreicht. Für den Bereich zwischen 5.000 und 10.000 kann dieser Fehler noch ausgeglichen werden, wenn Prozessparameter wie Medium, Druck, Temperatur und Viskosität bekannt sind. Bei Reynolds-Zahlen unter 5.000 wird eine zuverlässige Messung nahezu unmöglich, da die Strömungsablösung unregelmässig und schlecht definiert ist.

Turbinen-Durchflussmesser reagieren besonders empfindlich auf Viskositätsänderungen und benötigen für optimale Ergebnisse eine spezifische Kalibrierung entsprechend der zu messenden Fluidviskosität.

Messunsicherheiten bei niedrigen Durchflussraten

Bei geringen Durchflussraten treten spezifische Messunsicherheiten auf. Thermische Durchflussmesser bieten hier Vorteile, da bei niedrigen Durchflussraten die direkte Platzierung des Sensors im Durchflussweg höhere Genauigkeit ermöglicht. Diese direkte Messung erfordert weniger Wärmeenergie und liefert präzisere Ergebnisse als Bypass-Zähler.

Dennoch existieren mehrere Quellen für Messunsicherheiten bei niedrigen Durchflussraten:

1. Aufwärmzeit: Thermische Sensoren benötigen eine gewisse Zeit, um Betriebstemperatur zu erreichen, was die Anfangsmessung beeinflussen kann.
2. Selbsterwärmung: Widerstandsthermometer können durch elektrische Stromzufuhr Selbsterwärmung zeigen, besonders wenn Umgebungs- und Zieltemperatur stark voneinander abweichen.
3. Drifteffekte: Längerfristig können thermische Sensoren driften, insbesondere bei dauerhafter thermischer Belastung.

Für eine korrekte Beurteilung der Messunsicherheit sollten alle relevanten Einflussgrössen in einem Modell erfasst werden. Das Messmodell muss sämtliche Grössen berücksichtigen, die das Ergebnis beeinflussen könnten – einschliesslich Umgebungsbedingungen, Schaltungs- und Messgerätefaktoren sowie menschlicher Einflüsse. Dabei werden die Unsicherheitsbeiträge nach Typ A (statistische Analyse von Messreihen) und Typ B (andere Erkenntnisse wie Herstellerangaben oder Kalibrierscheine) kategorisiert.

Die Genauigkeit eines Messgeräts sollte immer im Kontext der spezifischen Anwendung betrachtet werden, da nicht alle Prozesse höchste Präzision erfordern.

Wirtschaftlichkeit und Wartungsaufwand

Die Investition in Durchflussmessgeräte sollte nicht nur unter technischen Gesichtspunkten betrachtet werden. Vielmehr spielen wirtschaftliche Faktoren wie Langlebigkeit und Wartungsaufwand eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des optimalen Messgeräts für industrielle Anwendungen.

Langzeitstabilität der Heizelemente

Thermische Durchflusssensoren zeichnen sich durch ihre bemerkenswerte Langzeitstabilität aus. Hochwertige Messgeräte bieten eine ausgezeichnete Stabilität über Jahre hinweg, was besonders für langfristige Industrieprozesse relevant ist. Die Sensoren zeigen eine hervorragende Reaktionsschnelligkeit und besitzen eine beeindruckende Langzeitstabilität – ein entscheidender Faktor für die zuverlässige Regelung über viele Jahre.

Hersteller wie SIKA entwickeln ihre Sensoren speziell für jahrelangen Einsatz. Die robuste Konstruktion ist unempfindlich gegenüber Druckspitzen und Verunreinigungen, was besonders in Heizkreisläufen wichtig ist. Diese Sensoren liefern exakte Werte in Echtzeit, sind äusserst reaktionsschnell und behalten ihre Präzision über die gesamte Betriebsdauer.

Moderne thermische Messgeräte nutzen spezielle Dichtigkeitskonzepte wie “proTect+”, die Dichtigkeit und Zuverlässigkeit über den gesamten Lebenszyklus sicherstellen. Allerdings werden für anspruchsvolle Prozesse oft Sensoren aus hochwertigeren Materialien benötigt. In aggressiven Umgebungen kommen daher Durchflussmessgeräte aus Speziallegierungen wie Hastelloy, Tantal oder Titan zum Einsatz.

Wartungsfreier Betrieb durch fehlende bewegliche Teile

Ein wesentlicher Vorteil thermischer Durchflussmessgeräte ist der nahezu wartungsfreie Betrieb. Im Gegensatz zu mechanischen Messverfahren enthalten sie keine beweglichen Komponenten, die verschleissen könnten. Das Messsystem besteht nicht aus mechanischen Teilen, sondern basiert auf einem thermischen Messelement, das durch ein robustes Gehäuse sicher geschützt ist.

Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile:

• Reduktion ungeplanter Wartungszyklen
• Minimierung von Servicekosten
• Längere Lebensdauer der Geräte

Besonders in Heizungsanlagen sind wartungsfreie Sensoren gefragt. Die VVX-Serie von SIKA beispielsweise bietet robuste Lösungen in Kunststoffausführung mit PVC-Mantelleitung, die Pumpen und Wärmetauscher vor Fehlfunktionen schützen. Nach dem Einbau liefern qualitativ hochwertige Durchflusssensoren über Jahre hinweg zuverlässig korrekte Werte und müssen nicht ausgetauscht oder neu kalibriert werden.

Diese Wartungsfreiheit macht thermische Durchflussmesser besonders wirtschaftlich im Vergleich zu herkömmlichen Wartungsmethoden, die sehr zeitaufwändig und kostenintensiv sein können. Herkömmliche Wartungen werden nach festgelegten Intervallen durchgeführt oder erst dann eingeleitet, wenn bereits ein Maschinenausfall eingetreten ist – beides führt zu Stillstandzeiten und wirtschaftlichen Einbussen.

Energieverbrauch im Dauerbetrieb

Bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit spielt auch der Energieverbrauch eine wichtige Rolle. Moderne thermische Durchflussmessgeräte zeichnen sich durch ihren geringen Leistungsbedarf aus. Hochwertige Sensoren benötigen lediglich 0,5 W, was Energie spart und eine geringere Transformatordimensionierung ermöglicht.

Darüber hinaus führt der niedrige Druckverlust zu einem energieoptimierten Einsatz der Pumpe. Magnetisch induktive Durchflusssensoren verfügen über ein durchgängiges Messrohr ohne Verengung oder Einbauten, sodass im System kein Druckverlust entsteht. Dies ermöglicht eine optimale Pumpenleistung ohne Energieverluste.

Grundsätzlich senkt eine gut eingestellte und überwachte Anlage den Energieverbrauch deutlich. Je nach Zustand und Wartung können bis zu 10% Heizenergie pro Jahr eingespart werden – bei heutigen Energiepreisen macht sich das schnell bemerkbar.

Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist auch die langfristige Überwachung wichtig. Moderne Durchflussmesser verfügen über Heartbeat Technology, die eine Geräteüberprüfung ohne Prozessunterbrechung ermöglicht. Diese kontinuierliche Überwachung hilft Betreibern, die Produktion und den ordnungsgemässen Betrieb zu kontrollieren, um den Komfort in Innenräumen zu verbessern und gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten spürbar zu senken.

Praxisbeispiele aus der industriellen Anwendung

Thermische Heizelemente beweisen ihre Vielseitigkeit täglich in unterschiedlichsten Industriezweigen. Anhand konkreter Praxisbeispiele lässt sich die Leistungsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit dieser Messverfahren besonders gut veranschaulichen.

Durchflussmessung in Druckluftsystemen

Druckluft zählt zu den teuersten Energieformen in der Industrie und macht bis zu 20% des gesamten Energieverbrauchs in Produktionsbetrieben aus. Dennoch bleibt der tatsächliche Verbrauch in vielen Unternehmen eine unbekannte Grösse. Der gezielte Einsatz thermischer Durchflussmesser kann entscheidend zur Senkung der Energiekosten beitragen.

Eine besondere Herausforderung stellen Leckagen dar, durch die zwischen 25 und 40 Prozent der erzeugten Druckluft verloren gehen können. Thermische Durchflussmesser erfassen selbst geringste Volumenströme und ermöglichen die zuverlässige Detektion von Leckagen. Die kontinuierliche Überwachung verringert zudem das Risiko eines Produktionsausfalls durch ungeplanten Anlagenstillstand.

Ein Beispiel für einen praxisorientierten Sensor ist der CMM 500, der direkt hinter dem Kompressor zur Messung in nasser Druckluft oder als Druckluftzähler zur Abrechnung in trockener Druckluft eingesetzt werden kann. Die Sensoren arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip – sie messen die Temperaturdifferenz, die durch den Kühlungseffekt des strömenden Materials entsteht.

 

Thermische Sensoren in der Lebensmittelindustrie

In der Lebensmittelindustrie müssen Temperaturen während des gesamten Produktions-, Transport- und Lagerprozesses sorgfältig kontrolliert werden. Thermische Durchflusssensoren übernehmen hier wichtige Aufgaben in verschiedenen Produktionsbereichen:

Bei der Extrusion von Lebensmitteln werden gewünschte Strukturen und Texturen durch präzise Steuerung von Druck, Temperatur und Geschwindigkeit erreicht. Thermische Sensoren liefern hierfür die erforderlichen zuverlässigen Messwerte.

Besonders interessant ist der Einsatz bei Wärmebehandlungsprozessen, wo schnelle, hochgenaue und von der Prozesstemperatur unbeeinflusste Messtechnik den Energieeinsatz in Wärmetauschern optimiert. Im Bereich der Filtration ermöglichen thermische Sensoren eine stabile und effiziente Filtration durch genaue Druck- und Durchflussregelung.

Einsatz in der chemischen Prozessüberwachung

In der chemischen Industrie beweist die thermische Durchflussmessung ihre Stärken insbesondere bei der Überwachung von Prozessgasen wie Chlor und Ammoniak. Durch die direkte Messung des Massenstroms ohne Druck- oder Temperaturkompensation vereinfacht sich die Prozessüberwachung erheblich.

Die thermischen Massenfluss-Sensoren überzeugen durch hohe Genauigkeit und kurze Ansprechzeiten. Darüber hinaus bieten sie einen grossen Messbereich ohne Genauigkeitsverluste auch bei kleinsten Durchflussmengen. Diese Eigenschaften machen sie zur idealen Wahl für anspruchsvolle chemische Prozesse, bei denen exakte Dosierungen entscheidend sind.

Besonders in der Petrochemie werden thermische Massendurchflussmesser zur Steuerung der Reaktorgaseinspeisung eingesetzt. Die präzise Dosierung von Gasen ist für die Sicherheit und Effizienz dieser oft kritischen Prozesse unerlässlich.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend bietet die thermische Durchflussmessung mit Heizelementen entscheidende Vorteile für zahlreiche industrielle Anwendungen. Dieses Messverfahren ermöglicht eine direkte Massendurchflussmessung ohne zusätzliche Druck- oder Temperaturkompensation, was besonders bei der Messung von Gasen beachtliche Vorteile mit sich bringt. Durch die symmetrische Heizstruktur moderner Messgeräte wird eine hohe Messempfindlichkeit erreicht, die selbst geringste Durchflussmengen zuverlässig erfasst.

Die vielfältigen Einsatzbereiche der thermischen Durchflussmessung reichen von Reinräumen über Heizungsanlagen bis hin zu Druckluftsystemen und chemischen Prozessen. Folglich erweist sich diese Technologie als äusserst vielseitig und anpassungsfähig. Besonders bemerkenswert ist die hohe Messdynamik von typischerweise 100:1, die präzise Messungen über einen weiten Durchflussbereich ermöglicht.

Wir haben ebenso gesehen, dass die korrekte Installation der Messgeräte massgeblich zur Messgenauigkeit beiträgt. Vor allem ausreichende Ein- und Auslaufstrecken sowie die Vermeidung von Turbulenzen spielen dabei eine wichtige Rolle. Unquestionably müssen diese Faktoren bei der Planung und Installation sorgfältig berücksichtigt werden.

Ein weiterer entscheidender Vorteil thermischer Durchflussmessgeräte liegt im wartungsfreien Betrieb. Das Fehlen beweglicher Teile reduziert Verschleiss erheblich und sorgt für eine lange Lebensdauer. Dementsprechend sinken die Betriebskosten über den gesamten Lebenszyklus des Messgeräts.

Trotz anfänglich höherer Investitionskosten im Vergleich zu einfacheren Messverfahren zahlt sich die thermische Durchflussmessung langfristig aus. Der geringe Energieverbrauch, die Langzeitstabilität und die minimalen Wartungsanforderungen machen diese Technologie wirtschaftlich attraktiv. Ausserdem ermöglicht die präzise Messung eine optimierte Prozessführung, was wiederum zu Energieeinsparungen und höherer Produktqualität führt.

Alles in allem hat sich die thermische Durchflussmessung mit Heizelementen als zuverlässige und zukunftssichere Technologie für industrielle Anwendungen etabliert. Die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Messverfahren verspricht weitere Verbesserungen in Genauigkeit, Anwendungsvielfalt und Wirtschaftlichkeit. Für Unternehmen, die nach präzisen, langlebigen und wartungsarmen Durchflussmessgeräten suchen, stellt diese Technologie zweifellos eine hervorragende Wahl dar.

FAQs

Q1. Welche Vorteile bietet die thermische Durchflussmessung gegenüber anderen Verfahren? Thermische Durchflussmesser ermöglichen eine direkte Massendurchflussmessung ohne zusätzliche Druck- oder Temperaturkompensation. Sie zeichnen sich durch hohe Messempfindlichkeit, grosse Messdynamik und wartungsarmen Betrieb aus. Besonders bei der Messung von Gasen und niedrigen Durchflussraten bieten sie entscheidende Vorteile.

Q2. Wie funktioniert das Messprinzip der thermischen Durchflussmessung? Das Prinzip basiert auf der Wärmeübertragung eines beheizten Elements an das vorbeiströmende Medium. Dabei wird entweder die Temperaturdifferenz zwischen zwei Sensoren oder die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperaturdifferenz benötigte Heizleistung gemessen. Diese Werte sind proportional zum Massendurchfluss.

Q3. In welchen industriellen Bereichen werden thermische Durchflussmesser eingesetzt? Thermische Durchflussmesser finden vielfältige Anwendung, unter anderem in Reinräumen, Heizungsanlagen, Druckluftsystemen, der Lebensmittelindustrie und der chemischen Prozessüberwachung. Sie eignen sich besonders für die präzise Messung von Gasen und niedrigen Durchflussraten.

Q4. Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit thermischer Durchflussmesser? Die Messgenauigkeit wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, darunter die korrekte Installation mit ausreichenden Ein- und Auslaufstrecken, die Vermeidung von Turbulenzen, die Viskosität des Mediums und Umgebungstemperaturschwankungen. Auch die Wiederholbarkeit und die Messunsicherheit bei niedrigen Durchflussraten spielen eine wichtige Rolle.

Q5. Wie wirtschaftlich sind thermische Durchflussmesser im Langzeitbetrieb? Thermische Durchflussmesser zeichnen sich durch hohe Langzeitstabilität, wartungsfreien Betrieb aufgrund fehlender beweglicher Teile und geringen Energieverbrauch aus. Trotz höherer Anfangsinvestitionen können sie sich durch niedrige Betriebskosten, lange Lebensdauer und Prozessoptimierung langfristig als wirtschaftlich vorteilhaft erweisen.