Thermisch statt Flügelrad

Reinhold Kuchenmeister

In Deutschland fließen rund 21 % des gesamten Erdgasbedarfs in die Industrie. Der gößte Teil des Erdgases wird für die Beheizung von Wohnungen verwendet. Neben dem Erdgas müssen in der Industrie auch Gase aus Luftzerlegern wie O2 und N2 sowie die Edelgase He, Ne, Ar, Kr oder Xe mengenmäßig erfasst und zuverlässig an die Verbraucher verteilt werden.

Während man beim Anlagenbetrieb der EnBW Regional AG in Stuttgart in früheren Jahren mit Höntzsch-Flügelradmesssystemen die Durchflussvolumina von Erdgas überwachte, setzt man heute die thermischen Volumenstromsensoren des Typs TA 10Ex Zg3b zur Betriebsmessung ein. Der wichtigste Grund für diesen Wechsel im Messverfahren war, dass die erstmals vor 20 Jahren verwendeten Flügelradsensoren bei den heute geforderten niedrigsten Anlaufwerten an ihre technischen Grenzen gerieten. In der EnBW-Ringleitung mit 600 mm Durchmesser ist das Erdgas bei Drücken zwischen 39 und 49 mbar bereits bei äußerst geringen Strömungsgeschwindigkeiten zu messen. Im Sommer bei geringer Nachfrage gehen die an der Messstelle durchgeleiteten Mengen schon mal unter 1000 m³/h zurück. Dank der thermischen Strömungssensoren konnte nach der Umrüstung vor allem bei kleinsten Strömungsgeschwindigkeiten eine deutliche Verbesserung der Messgenauigkeit erzielt werden. Ein weiterer Vorteil des thermischen Verfahrens liegt in der direkten Anzeige des Massenstroms als erwünschte Messgröße. Die Flügelradsensoren erfassten die Betriebsvolumenströme, die per Auswertegeräte mit Druck und Temperatur kompensiert und über die Stoffdichte zum Massenstrom umgerechnet wurde.

Eine weitere Besonderheit ist die Lage der Messstelle im Freien, ständig den Umgebungstemperaturen ausgesetzt und 24 Stunden an 365 Tagen im Einsatz. Ein Ausfall ist daher unerwünscht. Ein klares Plus für die thermischen Sensoren war hier die Tatsache, dass sie keinerlei mechanisch bewegte, sich verschleißende Teile besitzen. Die TA-Sensoren von Höntzsch arbeiten seit zwei Jahren absolut ohne Wartung und dies soll laut Hersteller noch Jahre so weitergehen. Durch die Leitung strömen je nach Bedarfssituation 0 bis 10 000 m³/h. Mit den thermischen Sensoren können genaue Messungen bereits ab 400 Nm3/h vorgenommen werden. Dies entspricht unter Berücksichtigung des Profilfaktors einer Gasströmungsgeschwindigkeit von nur 0,47 m/s. Dass die Sensorik praktisch wartungsfrei arbeitet, beeinflusst darüber hinaus die Betriebskosten der Messstelle sehr positiv. Neben der Zuverlässigkeit spielt die Genauigkeit eine wichtige Rolle, denn die Messdaten dienen der Gasebilanzierung und damit einer Abrechnungsfunktion. Die verkaufte Menge sollte naturgemäß der eingekauften entsprechen. Messfehler, gerade bei der Ermittlung kleiner Massenstrommengen, würden keine plausible Gasebilanzierung ergeben. Die thermischen Strömungssensoren TA bieten den großen Vorteil, Strömungsgeschwindigkeiten schon ab 0,20 m/s bis 200 m/s zu erfassen. Die Messgenauigkeit nimmt dabei sogar mit kleiner werdender Strömungsgeschwindigkeit zu. Das eingesetzte Messsystem ist zwar kein eichfähiges System, es dient aber der Betriebsmessung für interne Abrechnungen. Kundenabrechnungen der EnBW erfolgen natürlich nur über zugelassene eichfähige Systeme.

Bei der beschriebenen Anwendung ist die Atex-Ausführung unerlässlich. Die TA-Strömungssensoren bieten die Schutzart EEx ia IIC T4, Sonden und Messrohre mit integriertem Messumformer entsprechen EEx e q [ia] IIC T5 und sind damit in der Ex-Zone 1 verwendbar. Der Umformer liefert ein lineares 4…20-mA-Ausgangssignal und verfügt über eine RS232-Schnittstelle, was die geforderte lückenlose und bequeme Dokumentation der Messdaten ermöglicht.

Nicht alle Messstellen verlangen das stationäre Messsystem. Das Handmessgerät HTA-Ex, das Volumenstrom- und Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Luft oder Gasen unter Ex-Bedingungen erlaubt, wiegt nur wenig mehr als 300 g. Auch hier bieten die TA-Strömungssensoren die Schutzart EEx ia IIC T4, Sonden und Messrohre mit integriertem Messumformer entsprechen EEx e q [ia] IIC T5 und sind damit in der Ex-Zone 1 verwendbar.

Die im Stuttgarter Gaswerk eingesetzten Sensoren sind mit Erdgas kalibriert. Die thermischen Sensoren TA können aber – im Falle erhöhter Messgenauigkeitsanforderung bei entsprechenden anderen Anwendungen – auch in Gasen wie CO2, Stickstoff, SF6 und Methan oder Argon, Helium, etc. kalibriert werden. Die Sensoren vertragen partikelbeladene, selbst faserhaltige Strömungen, solange die Sensoroberfläche sauber und unbeschädigt bleibt. Damit ist ein mediumsbedingtes Wartungs- oder gar Ausfallrisiko so gut wie ausgeschlossen. Die TA-Sensoren verursachen durch ihre kleinen Abmessungen nur geringe Druckverluste, was der Energieeinsparung in den Pumpstationen zu Gute kommt. Sie sind dank hoher chemischer Beständigkeit ideal für den Einsatz in der Verfahrenstechnik. Darüber hinaus sind sie leicht zu reinigen und sicher zu sterilisieren. Sie werden auch zur Belebungsluftregelung in Kläranlagen, zur Messung in Deponiegas, Biogas, Methan, Erdgas, Helium etc. eingesetzt und haben sich bei der Überwachung von Laborabzügen bestens bewährt. Neben den insbesondere für Chemie, Pharmazie und Energiewirtschaft relevanten Messaufgaben eignet sich das thermische Messsystem auch zur Überwachung des Laminarflows in Reinraumanwendungen. Aufgabe des HFA ist auch die Kontrolle der Ventilatoren- oder Filterleistung. Ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit und eine sehr große Messdynamik sowie die hohe Druck- und Temperaturbeständigkeit im Temperaturbereich zwischen -25 und +250 °C sind wichtige Eigenschaften.

Für Anwendungen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen bietet Höntzsch Flügelradsensoren. Die den Betriebsvolumenstrom messenden Flügelradströmungssensoren arbeiten umso genauer, je höher die Strömungsgeschwindigkeit wird. Typische Anwendungen sind die Überwachung der Zu- und Abluft in Lackieranlagen oder Trocknungsöfen sowie die Filterüberwachung. Bei entsprechender Sensorauslegung können sie auch die Strömungsrichtung erfassen. Die Sensoren FA vertragen mit bis zu 550 °C auch deutlich höhere Temperaturen und entsprechen der Schutzart EEx ia IICT6, womit sie in Ex-Zone 1, Kategorie 2 betrieben werden können.

cav 429

Weitere Informationen zu den thermischen Sensoren

Technologie-Roadmap über „Prozess-Sensorik“

AMA Fachverband für Sensorik e.V.