Thermische Massendurchflussmesser werden zur Überwachung und/oder Steuerung von massenbezogenen Prozessen – wie chemischen Reaktionen – eingesetzt, die von den relativen Massen der nicht reagierten Bestandteile abhängen. Bei der Erfassung des Massenstroms kompressibler Dämpfe und Gase wird die Messung nicht durch Änderungen des Drucks und/oder der Temperatur beeinflusst. Eine der Fähigkeiten thermischer Massendurchflussmesser ist die genaue Messung niedriger Gasdurchflussraten oder niedriger Gasgeschwindigkeiten (unter 25 ft/min) – viel niedriger als mit jedem anderen Gerät gemessen werden kann.
Thermische Massendurchflussmesser sind in Ausführungen für hohen Druck und hohe Temperaturen sowie in speziellen Materialien wie Glas, Monel® und PRA erhältlich. Durchflussausführungen werden zur Messung kleiner Strömungen reiner Substanzen verwendet (die Wärmekapazität ist konstant, wenn ein Gas rein ist), während Bypass- und Sondenausführungen große Strömungen in Kanälen, Fackeln und Trocknern erfassen können.
Betrieb
Thermische Massendurchflusssensoren arbeiten entweder, indem sie eine bekannte Wärmemenge in den strömenden Fluss einbringen und die damit verbundene Temperaturänderung messen, oder indem sie eine Sonde auf einer konstanten Temperatur halten und die dafür erforderliche Energie messen.Zu den Komponenten eines einfachen thermischen Massendurchflussmessers gehören zwei Temperatursensoren und eine dazwischen liegende elektrische Heizung. Die Heizung kann in den Flüssigkeitsstrom hineinragen (Abbildung 1) oder außerhalb des Rohrs angebracht sein (Abbildung 2).
Bei der Direktheizungsversion wird durch eine elektrische Heizung eine feste Wärmemenge (q) zugeführt. Während die Prozessflüssigkeit durch das Rohr fließt, wird Wärme entzogen, und Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) messen den Temperaturanstieg, während die zugeführte elektrische Wärmemenge konstant gehalten wird. In der Regel werden für diese Temperaturmessung RTDs vom Typ Pt100 verwendet. Sobald die Flüssigkeit im Messrohr zu zirkulieren beginnt, wird der beheizte Temperatursensor durch die Bewegung der Flüssigkeit gekühlt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit den Grad der Kühlung bestimmt. Daher ist der zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz erforderliche elektrische Strom ein direkter Indikator für den Massenstrom.
Der Massenstrom (m) wird auf der Grundlage der gemessenen Temperaturdifferenz (T2-T1), des Messkoeffizienten (K), der elektrischen Wärmeleistung (q) und der spezifischen Wärme der Flüssigkeit (Cp) wie folgt berechnet: m = Kq/(Cp(T2-T1))
ABBILDUNG 1: TAUCHHEIZELEMENT 
ABILDUNG 2: EXTERN BEHEIZTES ROHR Arten von thermischen Durchflussmessern Beheiztes Rohrdesign
Beheizte Rohrdurchflussmesser wurden entwickelt, um die Heiz- und Sensorelemente vor Korrosion und Beschichtungswirkungen des Prozesses zu schützen. Durch die externe Montage der Sensoren an der Rohrleitung (Abbildung 2) reagieren die Sensorelemente langsamer, und das Verhältnis zwischen Massenstrom und Temperaturunterschieden wird nichtlinear. Diese Nichtlinearität resultiert aus der Tatsache, dass die zugeführte Wärme über einen Teil der Rohroberfläche verteilt und entlang der Rohrlänge mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten an die Prozessflüssigkeit übertragen wird.
Die Rohrwandtemperatur ist in der Nähe der Heizung am höchsten (in Abbildung 2 als Tw dargestellt), während in einiger Entfernung kein Unterschied zwischen Wand- und Flüssigkeitstemperatur besteht. Daher kann die Temperatur der unbeheizten Flüssigkeit (Tf) durch Messung der Wandtemperatur an dieser weiter von der Heizung entfernten Stelle ermittelt werden. Dieser Wärmeübertragungsprozess ist nicht linear, und die entsprechende Gleichung unterscheidet sich wie folgt von der oben genannten: m0,8 = Kq/(Cp(Tw – Tf)).
Dieser Durchflussmesser verfügt über zwei Betriebsmodi: Der eine misst den Massenstrom, indem er die elektrische Leistungsaufnahme konstant hält und den Temperaturanstieg erfasst. Der andere Modus hält die Temperaturdifferenz konstant und misst die zur Aufrechterhaltung erforderliche Strommenge. Dieser zweite Betrieb bietet einen viel höheren Messbereich. Bypass-Ausführung
Die Bypass-Version des thermischen Massendurchflussmessers wurde entwickelt, um größere Durchflussraten zu messen. Sie besteht aus einem dünnwandigen Kapillarrohr (mit einem Durchmesser von ca. 0,125 Zoll) und zwei außen gewickelten selbstheizenden Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), die sowohl das Rohr erwärmen als auch den resultierenden Temperaturanstieg messen (Abbildung 3). Der Sensor wird in einem Bypass um eine Verengung im Hauptrohr platziert und ist so dimensioniert, dass er über seinen gesamten Betriebsbereich im laminaren Strömungsbereich arbeitet.
Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, erhöhen die Heizelemente die Temperatur des Bypassrohrs auf etwa 160 °F über der Umgebungstemperatur. Unter dieser Bedingung besteht eine symmetrische Temperaturverteilung entlang der Länge des Rohrs (Abbildung 4). Wenn ein Durchfluss stattfindet, transportieren die Gasmoleküle die Wärme stromabwärts, und das Temperaturprofil verschiebt sich in Richtung des Durchflusses. Eine mit den Sensoranschlüssen verbundene Wheatstone-Brücke wandelt das elektrische Signal in einen Massenstrom um, der proportional zur Temperaturänderung ist.
Die geringe Größe des Bypassrohrs ermöglicht es, die Leistungsaufnahme zu minimieren und die Reaktionsgeschwindigkeit der Messung zu erhöhen. Andererseits sind aufgrund der geringen Größe Filter erforderlich, um ein Verstopfen zu verhindern. Eine gravierende Einschränkung ist der hohe Druckabfall (bis zu 45 psi), der zur Erzeugung einer laminaren Strömung erforderlich ist. Dies ist in der Regel nur für Hochdruckgas-Anwendungen akzeptabel, bei denen der Druck ohnehin reduziert werden muss.
Es handelt sich um einen Durchflussmesser mit geringer Genauigkeit (2 % des Skalenendwerts), geringem Aufwand für die Wartung und niedrigen Kosten. Elektronische Baugruppen innerhalb der Geräte ermöglichen die Datenerfassung, Diagrammaufzeichnung und Anbindung an Computer. Diese Geräte sind in der Halbleiterindustrie sehr beliebt. Moderne Geräte sind auch als komplette Regelkreise erhältlich, einschließlich eines Reglers und eines automatischen Regelventils.
ABBILDUNG 3: BYPASS VERWENDET EINEN GERINGEN PROZENTSATZ DES STROMS 
ABILDUNG 4: TEMPERATURPROFIL Luftgeschwindigkeitssonden
Durchfluss-Sensoren in Sondenform werden zur Messung von Luftströmen verwendet und sind unempfindlich gegenüber mäßigen Staubmengen. Sie halten einen Temperaturunterschied zwischen zwei am Sensorrohr angebrachten RTDs aufrecht. Der obere Sensor misst die Umgebungstemperatur des Gases (Abbildung 5) und hält den zweiten RTD (in der Nähe der Sondenspitze) kontinuierlich auf einer Temperatur von 60 °F über der Umgebungstemperatur. Je höher die Gasgeschwindigkeit, desto mehr Strom wird benötigt, um den Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten.
Eine weitere Version der Geschwindigkeitssonde ist der thermische Massendurchfluss-Sensor vom Venturi-Typ, bei dem ein beheizter Durchfluss-Sensor am minimalen Durchmesser eines Venturi-Durchflusselements und eine Temperaturkompensationssonde stromabwärts angebracht sind (Abbildung 6). Ein Einlasssieb mischt den Durchfluss, um die Temperatur zu vereinheitlichen. Diese Konstruktion wird sowohl für die Gas- als auch für die Flüssigkeitsmessung (einschließlich Schlämme) verwendet, wobei der Messbereich von der Größe des Venturis abhängt. Der Druckabfall ist relativ gering, und die Präzision hängt davon ab, dass die richtige Einstecktiefe der Sonde gefunden wird.
Es ist auch eine Durchfluss-Schalter-Version erhältlich, die zwei Temperatursensoren in der Spitze enthält. Einer der Sensoren ist beheizt, und die Temperaturdifferenz dient als Maß für die Geschwindigkeit. Der Schalter kann verwendet werden, um einen hohen oder niedrigen Durchfluss innerhalb von 5 % zu erkennen.
ABBILDUNG 5: KONFIGURATION DER SONDE 
ABILDUNG 6: VENTURI-EINSATZ Wie Drahtanemometer funktionieren
Der Begriff Anemometer leitet sich von den griechischen Wörtern anemos („Wind“) und metron („Maß“) ab. Mechanische Anemometer wurden erstmals im 15. Jahrhundert entwickelt, um die Windgeschwindigkeit zu messen.
Ein Hitzdrahtanemometer besteht aus einem elektrisch beheizten, feinen Drahtelement (0,00016 Zoll Durchmesser und 0,05 Zoll Länge), das an seinen Enden von Nadeln gehalten wird (Abbildung 7). Als Material für Drahtleitungen wird Wolfram verwendet, da es sehr fest ist und einen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist. Wenn der Draht in einen strömenden Gasstrom gebracht wird, kühlt er ab; die Abkühlungsrate entspricht dem Massenstrom.
Die Schaltung des beheizten Sensorelements wird durch eine von zwei Arten von Halbleiter-Elektronikschaltungen gesteuert: Konstanttemperatur oder Konstantleistung. Der Konstanttemperatursensor hält eine konstante Temperaturdifferenz zwischen einem beheizten Sensor und einem Referenzsensor aufrecht; die zur Aufrechterhaltung der Differenz erforderliche Leistung wird als Indikator für den Massenstrom gemessen.
Konstanttemperatur-Anemometer sind aufgrund ihrer hohen Frequenzantwort, ihres geringen elektronischen Rauschpegels, ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Sensorausfällen bei plötzlichem Luftstromabfall, ihrer Kompatibilität mit Heißfilmsensoren und ihrer Anwendbarkeit auf Flüssigkeits- oder Gasströme sehr beliebt.
Anemometer mit konstanter Leistung verfügen über kein Rückkopplungssystem. Die Temperatur ist einfach proportional zur Durchflussrate. Sie sind weniger beliebt, da ihre Null-Durchfluss-Anzeige nicht stabil ist, die Temperatur- und Geschwindigkeitsreaktion langsam ist und die Temperaturkompensation eingeschränkt ist.
ABILDUNG 7: HEISSDRAHTANEMOMETER
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Was ist ein Anemometer und was misst es? Einleitung zur Messung der Luftgeschwindigkeit