Skrevet af Morten B. Jensen, Product Manager – Instrumenter hos KLINGER Danmark
Der findes på markedet et stort udbud af flowmålere baseret på det termiske spredningsprincip. Princippet beskriver hvordan et opvarmet legeme afkøles i en gasstrøm, og vi hører det daglig omtalt i både TV og radio i forbindelse med vejrudsigten. Her tales der ofte om hvad vindens afkøling vil betyde for vores opfattelse af temperaturen – og hvordan en kraftig vind kan give os følelsen det er meget koldere end det reelt er.
I praksis er det muligt at benytte dette fænomen til at måle flowet med. Det gøres ved at kontrollere opvarmningen af et legeme i gasstrømmen, idet opvarmningen styres så der altid er en konstant differenstemperatur med en identisk udformet reference, så vil den effekt der skal benyttes til opvarmningen nemlig være proportional med masseflowet af gassen.
I matematiske termer udtrykkes dette som: Q = (k*F*S*dT/d) * (m*d/u)p * (Pr)n,
Hvor:
Q er den energi der tilføres det cylindriske legeme
k er gassens termiske ledningsevne
u er gassens viskositet
dT er differenstemperaturen mellem de to legemer
m er gassens masseflow
d er det cylindriske legemes diameter
S er legemets overflade areal
Pr er gassens specifikke varmekapacitet udtrykt i Prandtl's tal
F, p og n er konstanter bestemt af målerens fysiske udformning
Studeres dette udtryk lidt nærmere vil det fremgå, at en række af parametrene er konstanter eller data, der har med den fysiske udformning af måleren at gøre. Samles disse til en ”målerkonstant” vil det fremgå at den tilførte energi kun afhænger af to størrelser:
Umiddelbart fremgår det også at hverken mediets tryk eller temperatur indgår i grundligningen for måleprincippet, hvilket dog er en sandhed med modifikationer. Den termiske ledningsevne for en gas varierer nemlig med tryk og temperatur, en variation, der ved lave værdier og ”simple gasarter” som atmosfærisk luft, nitrogen, kuldioxid, methan o.lign, kan betragtes som minimal i forhold til måleusikkerheden. Bliver forholdene mere krævende bør opgaven vurderes fra gang til gang, for at sikre målingen nu også kan give de ønskede resultater.
For at kompensere for princippets afhængighed af gassens egenskaber skal måleren kalibreres på det aktuelle produkt, for at få en troværdig måling. I praksis er det dog muligt at foretage kalibreringen på en veldefineret gasart, f.eks. luft, og tilføje en omregnings faktor, der tager højde for det aktuelle produktets termiske ledningsevne, viskositet og specifikke varme kapacitet.
I faktoren indregnes information om gassens ”fugtindhold”, idet den termiske ledningsevne kan variere med op til 50% ved overgang fra tør til mættet gas.
Opbygning af en termisk masseflowmåler
De meste udbredte typer af termiske flowmålere er små kompakte enheder, hvor gassen ledes i en delstreng forbi to temperaturfølere – mellem disse er placeret et lille varmelegeme, der tilfører en konstant energi og det er så differenstemperaturen der er et udtryk for masseflowet.
Fordelen ved dette arrangement er, at sensorelementet kan fremstilles som en lille integreret enhed (CMOS chip), med meget lille energiforbrug og hurtig responstid, og for producenten nok så vigtigt, med stor ensartethed, der letter den senere indstilling/kalibrering.
Hele herligheden monteres på flowstrækket, der også indeholder en flowsplitter / restriktion, som sørger for en repræsentativ del af flow’et passerer målekammeret. Det er så op til elektronikken, og leverandørens erfaring, at tolke den målte differenstemperatur – og omsætte den til et brugbart målesignal.
De kompakte målere dækker normalt områder for luft fra 25Nml/min op til 450Nl/min, afhængig af målestrækkets dimensioner. Den forventede nøjagtighed er typisk bedre end 1% af måleværdien – en værdi der måske lyder lidt høj, men for en kompenseret gasmåling er det faktisk en rigtig god nøjagtighed – med et stort dynamikområde på 100:1.
Til større rørsystemer/flowmængder er er de kompakte enheder ikke relevante, derimod kan der benyttes indstiksmålere, hvor de to temperaturfølere er placeret ude i spidsen hvor flowet ønskes målt. Det betyder at selve sensordelen kun udgør en ringe restriktion i rørsystemet, og derfor er vil det være velegnet til at arbejde ved meget lave driftstryk.
Indstiksmålerens største ulempe er, at det er en måling i et punkt, hvilket betyder at den optimale nøjagtighed kun kan opnås, hvor produktets hastighedsprofil er entydig defineret, og identisk med det profil der findes på kalibreringsstedet.
Erfaring har vist, at de bedste måleresultater opnås når måleren installeres på et vertikalt rør, så eventuelt kondensat kan løbe væk fra måleren, ligesom det for denne type målere – mere end nogen anden gælder – at jo længere lige rørstræk før måleren desto bedre måleresultat.
Med indstiksmålere kan man normalt ikke regne med en målenøjagtighed på bedre end +/- 2% af måleværdien i hele området – et område som til gengæld er meget stort typisk 100:1. Egenskaber der bl.a. gør måleren velegnet til opgaver hvor såvel måling, som lækagesporing er ønsket.
Konklusion
Som et af de nyeste måleprincipper indenfor flow, giver de termiske målere en række spændende fordele som umiddelbart gør dem velegnede til de fleste måleopgaver indenfor gasmåling. Her tænkes specielt på dynamikområdet der er en unik egenskab princippet, som ikke kan matches af andre målerprincipper i tilsvarende prisleje.
Princippet er i dag under stadig udvikling, og vi vil i nær fremtid se målere der også kan benyttes til væske - og hvis udformning vil gøre, at de er mindre afhængige af de fysiske montageforhold i anlægget.
Allerede i dag kan princippet dog tilbyde en række fordele, specielt indenfor overvågningsopgaver, som giver brugeren mulighed for at foretage en ”ægte” masseflowmåling, hvor man tidligere måtte måle andre parametre, til en attraktiv pris.
Læs mere om termiske flowmålere her