Massenstrom-Messgeräte

Thermische Massenstromsensoren für Gase: Funktionsprinzip & Anwendungen

1. Funktionsprinzip

Thermische Massenstromsensoren arbeiten nach dem Prinzip der Wärmeübertragung und messen den Gasstrom, indem sie die Kühlwirkung des Gasstroms auf einen beheizten Sensor erfassen. Es gibt zwei primäre Messmethoden:

Konstant-Temperaturdifferenz (CTD)-Methode

Zwei Temperatursensoren (RTDs oder Thermistoren) werden verwendet:

Beheizter Sensor: Wird auf einer festen Temperatur oberhalb des Gasstroms gehalten.

Referenzsensor: Misst die Gastemperatur.

Die zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz erforderliche Leistung ist proportional zum Massenstrom.

Konstantleistungs-Methode

Eine feste Wärmemenge wird auf den Sensor aufgebracht.

Die Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Sensor und dem Gasstrom wird gemessen, was mit dem Massenstrom korreliert.

Die grundlegende Gleichung, die die thermische Durchflussmessung bestimmt, lautet:

Q = frac{P}{c_p cdot Delta T}

Q: Massenstrom (kg/s)

P: Heizleistung (W)

c_p: Spezifische Wärmekapazität des Gases (J/kg·K)

ΔT: Temperaturdifferenz zwischen den Sensoren (K)

Da thermische Durchflusssensoren den Massenstrom direkt messen, benötigen sie keine separate Druck- oder Temperaturkompensation.

2. Hauptmerkmale & Vorteile

✅ Direkte Massenstrommessung – Keine zusätzliche PT-Kompensation erforderlich.

✅ Keine beweglichen Teile – Geringer Wartungsaufwand, hohe Zuverlässigkeit.

✅ Großer Messbereich (bis zu 100:1) – Geeignet für niedrige und hohe Durchflussraten.

✅ Schnelle Reaktionszeit – Ideal für die dynamische Durchflussregelung.

✅ Geringer Druckverlust – Energieeffizient für Gasanwendungen.

✅ Kompatibel mit den meisten nicht korrosiven Gasen – Einschließlich Luft, N₂, O₂, CO₂, Erdgas und Biogas.

3. Einschränkungen

❌ Gasspezifische Kalibrierung erforderlich – Die Genauigkeit hängt von den thermischen Eigenschaften des Gases (c_p) ab.

❌ Nicht geeignet für schmutzige/feuchte Gase – Partikel oder Feuchtigkeit können die Sensorleistung beeinträchtigen.

❌ Begrenzt auf Niederdruck-/Mitteldruckanwendungen – Typischerweise < 50 bar.

❌ Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen – Benötigt stabile Umgebungsbedingungen.

4. Häufige Anwendungen

Druckluft- und Gasüberwachung (Leckageerkennung, Verbrauchsanalysen)

Biogas- und Erdgas-Messung

HLK-Systeme (Luftstromregelung)

Halbleiter- und chemische Industrie (Prozessgasüberwachung)

Umwelt- und Emissionsprüfung (Messung des Abgasstroms)

5. Ausgangssignale & Installation

Analoge Ausgänge: 4-20 mA, 0-10 V zur Integration in SPS/SCADA.

Digitale Kommunikation: Modbus, HART oder PROFIBUS für intelligente Systeme.

Installationsrichtlinien:

Vermeiden Sie Rohrvibrationen und übermäßige Turbulenzen.

Stellen Sie gerade Rohrstrecken sicher (5D vor dem Sensor, 3D nach dem Sensor für Genauigkeit).

Schlussfolgerung

Thermische Massenstromsensoren liefern hochpräzise, zuverlässige Massenstrommessungen für Gase, ohne dass Druck- oder Temperaturkorrekturen erforderlich sind. Ihr nicht-intrusives Design, die schnelle Reaktionszeit und der geringe Wartungsaufwand machen sie ideal für industrielle, umwelttechnische und Laboranwendungen. Zukünftige Verbesserungen konzentrieren sich auf die Mehrgas-Kalibrierung und eine verbesserte Sensorhaltbarkeit für raue Umgebungen.