Die Physik der Strömungssensoren ist vielseitig

Strömungssensoren lassen sich mit ganz unterschiedlichen physikalischen Prinzipien realisieren. Es kommt zum Beispiel darauf an, ob ein schneller oder langsamer Durchfluss einer Flüssigkeit oder die Strömung eines heissen Gases erfasst werden soll. Im Folgenden möchten wir kurz auf die verschiedenen Techniken und Einsatzbereiche eingehen.

Quelle: www.ist-ag.com

Magnetisch-induktive Stroemungssensoren
Zugrunde liegt hierbei das Faradaysche Induktionsgesetz. Ein sich änderndes magnetisches Feld induziert aufgrund der Lorentzkraft in einem elektrischen Leiter ein elektrisches Feld, das als Spannung abgegriffen werden kann. Dabei kann das Magnetfeld konstant sein, wenn sich der Leiter in Bewegung befindet. Handelt es sich um eine elektrisch leitfähige, strömende Flüssigkeit, liegt genau eine solche Situation vor.

Das konstante Magnetfeld wird durch zwei Feldspulen rechts und links des Messrohres erzeugt. Je höher die induzierte Spannung an den Enden des Messrohres, desto grösser die Durchflussgeschwindigkeit. Ein handelsüblicher Messumformer transformiert die induzierte Spannung in Standardsignale.

Ultraschall-Durchflussmessungen
Hierbei kommen gleich vier Messprinzipien zum Einsatz:

  1. Laufzeitverfahren
    In einem strömenden Medium ist die Schallgeschwindigkeit in Strömungsrichtung anders als in der entgegengesetzten Richtung. Durch die Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallimpulse, einmal mit der Strömung und einmal dieser entgegen, kann direkt die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.
  2. Dopplerverfahren
    Sind im strömenden Medium Partikel oder Gasblasen enthalten, werden an ihnen Schallsignale reflektiert. Je nach Geschwindigkeit der „Teilchen“ ergibt sich eine Frequenzverschiebung, die leicht und sehr genau gemessen werden kann.
  3. Driftverfahren
    Senkrecht zur Strömungsrichtung wird ein kontinuierliches Ultraschallsignal abgegeben. Die Intensitätsverteilung des Tons, die auf der gegenüberliegenden Seite gemessen wird, verzerrt sich umso mehr, je schneller das Medium strömt.
  4. Stroboskop-Verfahren
    Wie beim Dopplerverfahren geht es auch hierbei um reflektierte Schallsignale an bewegten Partikeln. Gemessen wird bei diesem Verfahren die Zeit, die ein Partikel innerhalb des Schallkegels zum Durchqueren einer bestimmten Wegstrecke braucht. Realisiert wird dies mit vielen kurzen Ultraschallimpulsen, ähnlich den Lichtblitzen bei Stroboskopaufnahmen.

Kalorimetrische Strömungssensoren
Ein relativ warmer Körper gibt grundsätzlich an seine Umgebung Wärmeenergie ab, dies gebietet die allgegenwärtige Entropiezunahme. Das gilt natürlich auch für eine vorbeiströmende Masse. Das Mass der Energieabgabe ergibt sich aus der Temperaturdifferenz Δt und der Intensität des Massendurchflusses. Bei dem thermischen Messverfahren wird die Temperaturdifferenz Δt zwischen dem Messaufnehmer und seiner Umgebung mit einer elektrischen Heizung konstant gehalten. Die Leistungsaufnahme der Heizung gibt so direkt Auskunft über den Massendurchfluss.

Das Verfahren wird als „Constant-Temperature-Difference“ (CTD) Methode bezeichnet. Der Vorteil dieser Messtechnik liegt in der Unabhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit und der Viskosität des Mediums. Die Bauformen der Sensoren sind klein und robust und für alle Nennweiten geeignet.

Coriolis-Massendurchflussmessung (CMD)
Die Coriolis-Scheinkraft tritt bei allen rotierenden Systemen auf. Die grossen Tiefdruckwirbel in unserer Atmosphäre sind eine typische Folge dessen. Die Coriolis-Massendurchflussmesser enthalten ein oder zwei Messrohre, die in ihrer Resonanzfrequenz zwischen 80 und 1000 Hz angeregt werden. Wenn ein Medium durch diese schwingenden Röhren fliesst und die Corioliskraft zu wirken beginnt, hat dies wiederum eine Auswirkung auf die Schwingung, die sich geringfügig ändert. Die sich daraus ergebende kleine Phasenverschiebung kann entweder optisch oder induktiv sehr genau gemessen werden.
Da in die Corioliskraft auch die Masse einfliesst, dient diese Messtechnik via Resonanzfrequenz gleichzeitig der Bestimmung der Dichte des Mediums. Um Temperatureffekte zu kompensieren, wird zusätzlich noch die Messrohrtemperatur, die der Temperatur des Mediums entspricht, erfasst.

Das Vortex-Meter basiert auf einer Wirbelzähler-Durchflussmessung
Befinden sich Störkörper im strömenden Medium, entstehen Wirbel. Daher wird bei dieser Methode ein definierter, scharfkantiger Störkörper fest im Messrohr installiert und vom Medium angeströmt. Durch den damit verursachten Strömungsabriss bilden sich zu beiden Seiten recht regelmässige Wirbel, die als Kármánsche Wirbelstrasse bezeichnet werden. Die Frequenz der Wirbelablösungen ist direkt proportional zur mittleren Fliessgeschwindigkeit.

Messtechnisch liefert jeder abgelöste Wirbel einen kleinen lokalen Unterdruck, der leicht durch einen kapazitiven Sensor gemessen werden kann. Eine Gerätedrift gibt es bei dieser Methode übrigens nicht, daher können Wirbelzähler jederzeit ohne jegliche Nachkalibrierung verwendet werden.