Durchflussmessung in Gasen – Was ist ein Normkubikmeter?

Das kalorimetrische Messverfahren

Das kalorimetrische Messverfahren basiert auf den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung und des Wärmetransports in Flüssigkeiten und Gasen. Ein Körper höherer Temperatur gibt an seine Umgebung Energie in Form von Wärme ab. Die Höhe der Energieabgabe ist abhängig von der Temperaturdifferenz und dem Massefluss. Bei FlowVision wird diese Gesetzmäßigkeit durch zwei Verfahren zur Massestrommessung bei unseren Durchflusssensoren genutzt.

CP-Verfahren (Constant Power)
Beim CP-Verfahren wird ein Heizwiderstand mit konstanter Heizleistung versorgt. In Abhängigkeit von der durch den Massefluss abtransportierten Wärmemenge stellt sich eine Übertemperatur am Heizwiderstand gegenüber der umgebenden Mediumstemperatur ein. Diese Übertemperatur stellt ein Maß für den Massestrom dar.

CTD-Verfahren (Constant Temperature Difference)
Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe eines Temperaturregelkreises ein Widerstand um eine bestimmte Temperaturdifferenz über die Mediumstemperatur konstant erwärmt. Die dazu benötigte Heizleistung ist abhängig vom Massefluss. Sie stellt somit ein Maß für den Massestrom dar.

Allgemeine Eigenschaften des kalorimetrischen Verfahrens:

• Es ist prinzipiell für alle Stoffe geeignet, bedarf jedoch eines stoffspezifischen Abgleichs. FlowVision bietet standardmäßig Wasser- und diverse Gaskennlinien an, andere Stoffe wie z. B. niederviskose Öle können im Haus vermessen werden.
• Es handelt sich um ein invasives Verfahren.
• Es sind keine bewegten Teile im Einsatz – hohe Verschleißfestigkeit.
• Es ermittelt den Massestrom.
• Es hat eine hohe Auflösung.
• Es hat einen großen Dynamikbereich > 1:100.
• Es hat eine hohe Reproduzierbarkeit.
• Es ist unabhängig von folgenden Stoffeigenschaften: Viskosität, elektrische Leitfähigkeit.
• Das Verfahren kann in allen Nennweiten eingesetzt werden.

Grundlegendes

Die Durchflussmessung von Gasen unterscheidet sich in wichtigen Punkten grundlegend von der Durchflussmessung von Flüssigkeiten. Der Grund hierfür ist die Kompressibilität von Gasen. Das bedeutet, dass sich das Volumen eines Gases in Abhängigkeit von der Temperatur und des Drucks ändert. Dies lässt sich mit der folgenden Formel beschreiben:

p · V/T = konstant (p: Druck, V: Volumen, T: Temperatur)

Liegt eine konstante Temperatur vor vereinfacht sich die Formel weiter auf:

p · V = konstant

Das Volumen eines Gases ändert sich dementsprechend in Abhängigkeit vom Druck. Erhöht man den Druck um Faktor 8, zum Beispiel von 1 bar auf 8 bar, verringert sich das Volumen entsprechend auf 1/8 des ursprünglichen Wertes, zum Beispiel von 10 m³ auf 1,25 m³. Im Gegensatz dazu ist die Volumenänderung von Flüssigkeiten in der Praxis vernachlässigbar.

p1 · V1 = 1 bar · 10 m³ = 8 bar · 1,25 m³ = p2 · V2

Bei der Bestimmung einer Gasmenge ist die Angabe eines Volumens alleine, zum Beispiel 10 m³ oder 10000 Liter, also nicht ausreichend. Vielmehr muss die Masse des Gases angegeben werden, da diese immer konstant bleibt. Im oben abgebildeten Beispiel ist also die Masse des Gases bei 1 bar und 10 m³ Volumen die gleiche wie bei 8 bar und 1,25 m³. In der Praxis wird anstatt der Masse häufig das Normvolumen angegeben.

Ein Normkubikmeter (Nm³) Gas ist die Menge eines Gases, die bei 1,01325 bar und 273,15 K (0 °C) in einem Volumen von 1 m³ enthalten ist. Da die Masse bei 1 bar und 8 bar Druck wie bereits beschrieben konstant ist, ist demzufolge auch das enthaltene Normvolumen konstant.
Einige Beispiele für die Masse, welche bestimmte, häufig in der Industrie verwendete Gase pro 1 Nm³ enthalten:

Durchflussmessung in Gasen

Denkt man nun an ein Druckluftnetz mit unterschiedlich hohen Drücken an verschiedenen Stellen im Netz wird klar, warum eine
Messung des Betriebsvolumenstroms in m³/h keinen Sinn macht. Das folgende Beispiel zeigt einen Teil eines Druckluftnetzes mit verschiedenen Durchflussmessstellen:

Stellt man zum Beispiel fest, dass eine größere Leckage im Druckluftnetz vorhanden ist und will man messen, wie viel wertvolle Druckluft dadurch unnötig verloren geht, ist es sinnvoll direkt den Massenstrom bzw. Normvolumenstrom zu messen. Dieser ist bei der durchgehenden Rohrleitung an allen drei Messstellen gleich. Misst man stattdessen den tatsächlich vorhandenen Betriebsvolumenstrom, bekommt man an allen drei Messstellen unterschiedliche Ergebnisse. Der Grund hierfür ist, dass die Luft bei höherem Druck stärker komprimiert ist. Dadurch reicht bei höherem Druck ein geringerer Betriebsvolumenstrom, um die gleiche Masse zu transportieren.

Um die unterschiedlich großen Betriebsvolumenströme miteinander vergleichbar zu machen, ist es notwendig direkt an den Messstellen zusätzlich den dort herrschenden Druck und die Temperatur zu messen. Erst dadurch kann man zum Beispiel durch Umrechnung auf Normbedingungen die Messergebnisse sinnvoll vergleichen. Um diese zusätzlichen Messungen zu umgehen, kann direkt der Massen-/Normvolumenstrom gemessen werden. Die folgende Tabelle zeigt, mit welchen Messverfahren dies möglich ist:

Zusammenhang zwischen Norm- und Betriebsvolumenstrom

Der Normvolumenstrom und der Betriebsvolumenstrom beziehen sich auf die Förderrate eines Gases unter verschiedenen Bedingungen und werden genutzt, um die Gasströme unter verschiedenen Temperatur- und Druckbedingungen miteinander zu vergleichen.

Betriebsvolumenstrom
Der Betriebsvolumenstrom ist das Volumen eines Gases, das unter den aktuellen Betriebsbedingungen (Druck und Temperatur) pro Zeiteinheit gefördert wird. Das Betriebsvolumen variiert, wenn sich Temperatur oder Druck ändern.

Normvolumenstrom
Der Normvolumenstrom ist das Volumen eines Gases, das unter definierten Standardbedingungen (Normdruck und Normtemperatur) pro Zeiteinheit gefördert wird. Die Normbedingungen sind in der Regel 273,15 K (0 °C) und 1,01325 bar (1013,25 hPa). Das Normvolumen dient als Referenz, sodass Volumenströme verschiedener Gase vergleichbar gemacht werden können, unabhängig von den tatsächlichen Betriebsbedingungen.

Die Messung des Normvolumenstroms ist damit eine Möglichkeit, den Förderstrom unabhängig von den äußeren Bedingungen zu betrachten und standardisierte Werte zu verwenden. So kann man sicherstellen, dass Gasmengen auch unter veränderten Betriebsbedingungen vergleichbar bleiben.