Das Messprinzip der thermischen Durchflussmessung

Tagtäglich werden höchst unterschiedliche Gase in Rohrleitungssystemen transportiert und verteilt. Dies kann beispielsweise Luft in Wasser- und Abwasseranlagen sein, Kohlendioxid für Lebensmittel und Getränke, Stickstoff und Sauerstoff für Pharmazeutika oder Erdgas für Kessel und Brenner.
Aufgrund der wechselnden Bedingungen in den Prozessen haben die durch die Rohre strömenden Gase oft unterschiedliche Eigenschaften. Um sie zu messen, werden deshalb unterschiedliche Messprinzipien benötigt. Eines davon ist die Durchflussmessung nach dem thermischen Prinzip.
Die physikalischen Grundlagen dieses Prinzips gehen auf den kanadischen Physiker Louis Vessot King zurück. 1914 lieferte er die mathematische Beschreibung des Wärmetransports in Strömungen.

Dieses Messverfahren funktioniert folgendermaßen.
Im Inneren von thermischen Durchflussmessgeräten befinden sich zwei Temperatursensoren, die in das Messrohr hineinragen. Sie werden als Pt100-Widerstandsthermometer bezeichnet.
Einer dieser Temperatursensoren misst die Ist-Temepratur des Gases als Referenz – unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit.
Der zweite Temperatursensor wird konstant elektrisch beheizt, sodass zwischen den beiden Sensoren eine vorab definierte Temperaturdifferenz aufrechterhalten wird, z. B. 10 Grad.

Solange keine Strömung vorhanden ist, ändert sich die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren nicht.
Sobald das Medium im Messrohr zu strömen beginnt, wird dem beheizten Temperatursensor durch das vorbeiströmende Gas Wärme entzogen. Die Wärme wird durch die Strömung abgeführt.
Die entsprechende Kühlwirkung wird gemessen und sofort durch eine Erhöhung des Heizstroms kompensiert. Dadurch wird der vorgegebenen Sollwert der Temperaturdifferenz durchgängig aufrechterhalten.
Der zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz erforderliche Heizstrom ist proportional zur Kühlwirkung und damit ein direktes Maß für den Massedurchfluss im Rohr.
Je höher die Durchflussgeschwindigkeit – und somit die zusätzliche Kühlung des beheizten Sensors – desto höher ist der erforderliche Heizstrom.

In einer alternativen Variante des Messprinzips wird der Heizstrom auf einem konstanten Wert gehalten und anschießend die Änderung der Temperaturdifferenz gemessen.
Doch wie wird die Wärme eigentlich von dem beheizten Temperatursensor auf das vorbeiströmende Gas übertragen?
Diese Sequenz zeigt, dass die Wärme von den Gasmolekülen selbst übertragen wird. Wenn das Gas vorbeiströmt, nehmen die Moleküle winzige Wärmepakete auf und führen sie mit der Strömung mit. Je schneller das Gas strömt, desto öfter nehmen sie die Wärme auf.
Die Wärmeübertragung hängt auch von der Dichte des Gases ab, denn bei einem höheren Druck – oder einer niedrigeren Temperatur – sind mehr Gasmoleküle in der Rohrleitung vorhanden. Die größere Anzahl an Molekülen führt zu mehr Kontakt mit dem beheizten Sensor, d. h. zu einer verstärkten Kühlung und somit zu einem erhöhten Heizstromfluss.

Die Wärmeübertragung wird schließlich auch von den thermischen Eigenschaften des Gases beeinflusst. Bei gleichem Massedurchfluss bewirkt beispielsweise die hohe Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff – hier grün dargestellt – eine 100-mal stärkere Kühlung als Luft. Für eine genaue Messung ist es daher wichtig, dass die spezifischen Eigenschaften des Gases bekannt und gleichbleibend sind.
Auch bei großen Rohren kann der Durchfluss nach dem thermischen Prinzip gemessen werden. Für diese Anwendung wurden spezielle Messgerätetypen entwickelt. Sie können direkt über einen Standard-Prozessanschluss in das Rohr eingesteckt werden. Wichtig ist dabei die Beachtung der erforderlichen Einstecktiefe, damit die Messung an der richtigen Stelle durchgeführt wird.
Deshalb muss für alle Einsteck-Messgeräte der tatsächliche Innendurchmesser des Rohrs programmiert werden. Auch bei rechteckigen und quadratischen Kanälen, wie sie oft in Lüftungsanlagen von Fabriken oder anderen Gebäuden anzutreffen sind, kommt es darauf an, dass das Messgerät korrekt eingesteckt wird.

Mit thermischen Massedurchfluss-Messgeräten von Endress+Hauser können viele unterschiedliche Gase und Gasgemische genau gemessen werden – sogar bei niedrigen Prozessdrücken und niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten.
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