Vom König, einer Brücke und Massendurchfluss

Als Geschäftsführer von Bronkhorst Instruments GmbH erkläre ich häufig Kollegen und Anwendern das Inline-Messprinzip hinter unseren Durchflussmessern und Durchflussreglern der MASS-STREAM Reihe. Bronkhorst Instruments GmbH ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Bronkhorst High-Tech B.V..

An unserem Produktionsstandort in Leonhardsbuch (nahe München) werden alle Instrumente der Bronkhorst MASS-STREAM Produktreihe hergestellt.

Das Messverfahren dieser Baureihe basiert auf dem CTA-Prinzip (CTA - Constant Temperature Anemometry). In diesem Blog möchte ich mein Wissen über das Messprinzip mit Ihnen teilen.

Das King'sche Gesetz und das CTA-Messverfahren

L.V. King (kanadischer Physiker) hat im Jahr 1914 das nach ihm benannte King'sche Gesetz (King’s Law) aufgestellt, welches den Wärmetransfer in fließenden Medien mathematisch beschreibt. Er benutzte einen Heizdraht, der in ein fließendes Medium eintauchte, um die Massengeschwindigkeit zu messen.

Dieses Video zeigt das Funktionsprinzip des thermischen Massendurchflussreglers MASS-STREAM

Das King'sche Gesetz wird mit der folgenden Formel beschrieben:

P = P0 + C · Φmn
P: Leistung Heizung
P0: Leistung Heizung Offset bei null Durchfluss
C: Konstante (Gerätebhängig)
Φm: Massenfluss
n: Zahl (Typ 0.5)

n : chiffre sans dimension (type 0,5)

Die Wheatstone-Brücke und das CTA–Prinzip

Laut dem King'schen Gesetz ist die Abkühlung umso größer, je größer die Geschwindigkeit des Gases über die Messsensoren ist. Die Elektronik wird mit einer Wheatstone-Brücke realisiert. Hierbei handelt es sich um eine elektrische Schaltung, die verwendet wird, um einen unbekannten elektrischen Widerstand zu messen.

Ähnlich dem klassischen Potentiometer arbeitet die Wheatstone'sche Brückenschaltung so, dass drei bekannte Widerstände so angepasst sind, bis deren Brückenspannung null beträgt. Der vierte Widerstand ist ein veränderlicher Widerstand, dessen Wert sich aus den drei bekannten Widerständen berechnen lässt. Der veränderliche Widerstand zeigt den Einfluss der Temperaturänderung am Messsensor.

Schematischer Aufbau einer Wheatstone-Brücke

Die beiden Messsensoren des CTA-Sensors wirken wie die Schenkel der Wheatstone-Brücke und da der erste Fühler durch das fließende Medium gekühlt wird, wird der Widerstand dieser Sonde verringert und es wird mehr Energie benötigt, um die Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten, während an der zweiten Messposition die Temperatur steigt. Der CTA-Sensor zielt darauf ab, diese Temperaturdifferenz (Delta-T) zwischen den beiden Sonden auf einem konstanten Niveau zu halten.

Die Heizenergie, die erforderlich ist, um dieses konstante Delta-T aufrechtzuerhalten, ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und somit kann der Massenstrom des Gases bestimmt werden. Der tatsächliche Massendurchsatz wird durch Messen der variablen Leistung berechnet, die erforderlich ist, um diese konstante Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten, wenn das Gas über den Sensor fließt.

Typische Applikationen eines Inline-CTA-Massendurchflussmessers

Bei dem CTA-Prinzip handelt es sich um eine Direktstrom-Messung, das heißt, dass kein Bypass benötigt wird. Die Direktstrom-Messung ist also weniger empfindlich auf Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen des fließenden Mediums. Dazu kommt, dass der Druckverlust über das Instrument sehr gering ist und damit dieses Messverfahren eine ideale Lösung für die folgenden Applikationen ist:

Vom König, einer Brücke und Massendurchfluss

Das King'sche Gesetz und das CTA-Messverfahren

Die Wheatstone-Brücke und das CTA–Prinzip

Typische Applikationen eines Inline-CTA-Massendurchflussmessers

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