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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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