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Wie viel wiegt Luft?

Wie ein Massen­strom­sensor die exakte Luft­menge bestimmt.


Für die effi­zi­ente Verbren­nung in einer Gastherme ist das rich­tige Verhältnis von Gas und Luft entschei­dend. Deshalb ist es wichtig, dass in einem Gas-Luft-Verbund das Gebläse dem System immer die opti­male Menge an Luft zuführt. Die Maßein­heit dafür ist der Massen­strom. Sie gibt an, wie viel Gramm Luft pro Sekunde durch einen defi­nierten Quer­schnitt strömt.

Der Massen­strom, den ein Venti­lator fördert, lässt sich über seine Dreh­zahl regeln. Beispiels­weise erzeugen 8.000 Umdre­hungen einen Massen­strom von neun Gramm Luft pro Sekunde, der für 20 Kilo­watt Heiz­leis­tung notwendig ist. Diese Rech­nung geht aber nur bei konstanten Umge­bungs­be­din­gungen auf. Wenn sich Druck oder Tempe­ratur ändern, kann von der Dreh­zahl nicht mehr direkt auf den Massen­strom geschlossen werden und die gewünschte Leis­tung der Heiz­therme lässt sich nur noch nähe­rungs­weise errei­chen. Wer also den exakten Leis­tungs­wert unab­hängig von den Umge­bungs­be­din­gungen anfahren möchte, muss den Massen­strom genau bestimmen können.

Funk­ti­ons­weise eines Massen­strom­sen­sors

Funktionsweise-Massenstromsensor

OP regelt die Brücken­span­nung so, dass die Über­tem­pe­ratur des Heiz­ele­mentes zur Umgebungs­temperatur konstant ist.

QE ist die Wärme, die durch elek­tri­sche Leis­tung zuge­führt wird.

QF ist der Wärme­strom, der vom Thermo­ele­ment an das vor­bei­strö­mende Fluid abge­geben wird.

UM ist die Span­nung, die vom Mikro­con­troller gemessen und in einen Massen­strom umge­rechnet wird (Kali­brie­rung nötig).

So misst der Massen­strom­sensor

Diese Aufgabe über­nimmt ein kali­brierter Massen­strom­sensor, auch ther­mi­sches Anemo­meter genannt. Das Mess­prinzip funk­tio­niert so: Ein etwa drei mal fünf Milli­meter großes Heiz­ele­ment wird mittels elek­tri­scher Energie auf eine Tempe­ratur erwärmt, die immer konstant 15 Grad Celsius über der Umge­bungs­tem­pe­ratur liegt. Dieses Heiz­ele­ment ist im Gas-Luft-Verbund so plat­ziert, dass der Luft­strom auf dem Weg zum Brenner darüber hinweg­fließt.

Der Massen­strom­sensor im Gas-Luft-Verbund

Dabei gibt das Element mehr Wärme an die Umge­bung ab als ohne Luft­strom. Im Prinzip wie bei heißem Essen: Das kühlt eben­falls schneller ab, wenn man darüber­bläst. Damit das Heiz­ele­ment nun die Tempe­ra­tur­dif­fe­renz von 15 Grad Celsius beibe­hält, muss es stärker geheizt werden. Die dabei verbrauchte zusätz­liche elek­tri­sche Energie wertet ein Mikro­con­troller aus: Die gemes­sene Span­nung gibt nun Auskunft über den Massen­strom. Bei einer Span­nung von vier Volt strömen beispiels­weise 16 Gramm Luft pro Sekunde durch das Rohr.

Diese Mess­daten können Heiz­ge­rä­te­her­steller nutzen, um den Massen­strom exakt einzu­stellen. Bei einem pneu­ma­ti­schen Verbund lässt sich aufgrund dieser Infor­ma­tionen die Dreh­zahl des Lüfter­rads gezielt einstellen. In einem elek­tro­ni­schen Verbund können die Mess­daten für Regel­stra­te­gien verwendet werden. Zusätz­lich lässt sich das Signal auch auswerten, um Fehler­quellen zu finden. Kann beispiels­weise trotz funk­tio­nie­rendem Gebläse kein Massen­strom gemessen werden, deutet das auf ein verstopftes Abgas­rohr hin.

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