Hitzdrahtanemometer

Geräte zur Messung von Wind und Strömungsgeschwindigkeiten werden auch als Anemometer bezeichnet. Sie werden nach ihrem Wirkprinzip in Hitzdrahtanemometer, Flügelradanemometer und Staurohranemometer unterteilt. Hitzdrahtanemometer und Heißfilmanemometer nutzen den Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Wärmeabgabe, deshalb bezeichnet man sie auch als thermische Anemometer. Dass Wärme bei höherer Geschwindigkeit schneller an die kühlere Umgebung abgegeben wird, erkennen wir schon als Kinder, wenn wir über heißes Essen pusten.
Beim Hitzdrahtanemometer wird ein dünner Draht oder leitfähiger Film elektrisch beheizt – der Hitzdraht bzw. Heißfilm. Dieses aufgeheizte Sensorbauteil kühlt umso schneller ab, je stärker es von wärmeabführender Luft umströmt wird. Der elektrische Widerstand sinkt sowohl beim Draht als auch beim Heißfilm mit fallender Temperatur. Es handelt sich also um PTC-Widerstände (PTC für positive temperature coefficient). Viele Hitzdrahtanemometer eignen sich auf Grund ihrer Wirkungsweise gut für sehr kleine Windgeschwindigkeiten, da sie im unteren Messbereich die höchste Empfindlichkeit haben. Aber auch für hohe Geschwindigkeiten, sogar für Überschall können Hitzdrahtanemometer ausgelegt werden. Ein Hitzdrahtanemometer kann zudem bei minimaler Heizleistung auch als sehr schnell reagierendes Thermometer eingesetzt werden.

Durch die sensible Reaktion eignen sich Hitzdrahtanemometer gut zur Erfassung geringer Strömungen. Deshalb werden sie gern für Messungen in Wohnungen und an Arbeitsplätzen eingesetzt, um unerwünschte Luftströmungen zu lokalisieren. Durch die kompakte Sensorform der Hitzdrahtanemometer können sie gut zur Prüfung der Strömungsverhältnisse in engen Schächten oder Rohrleitungen und zum Auffinden von Undichtigkeiten genutzt werden.
Auch die Wirksamkeit von Lüftungsanlagen oder Absaugvorrichtungen in Kliniken, Großraumbüros, Versammlungsstätten oder an Produktionsanlagen ist kann mit einem Hitzdrahtanemometer kontrolliert werden. Bei der Produktion von Dieselmotoren und Komponenten von Lüftungsanlagen werden Hitzdrahtanemometer genutzt, um die Werte von Luftansaug- oder Luftablassvorrichtungen zu prüfen. In der Landwirtschaft und beim Desinfizieren ist es sinnvoll, vor dem flächigen Aufbringen von Pulvern oder Sprühnebeln die Strömungsverhältnisse mit einem Hitzdrahtanemometer zu prüfen. Bei zu starker Strömung würde das Material unbeabsichtigt an anderen Stellen verteilt.

Für Hitzdrahtanemometer werden üblicherweise Thermistoren oder Drähte aus Platin, Nickel, Wolfram oder anderen Metallen eingesetzt, die nur 2,5 bis 10 μm dick und mindestens 200mal so lang sind. Die Strömungsgeschwindigkeit wird hauptsächlich senkrecht zum Thermistor oder Hitzdraht erfasst. Bei Hitzedrähten bestimmt der Durchmesser maßgeblich die erfassbaren Frequenzen. Mit sinkendem Drahtdurchmesser steigt die Reaktionsgeschwindigkeit.
Da die Hitzedrähte und Heißfilmelemente auch mechanisch sehr empfindlich sind, werden sie häufig durch besondere Schutzkappen vor unbeabsichtigter Beschädigung geschützt. Je nach Ausführung des thermischen Widerstands und der Schutzkappen ist darauf zu achten, ob der Sensor abhängig von der Strömungsrichtung ist. Bei richtungsabhängigen Sensoren sind am Sensor häufig Pfeile angebracht, die die Strömungsrichtung kennzeichnen. Damit das Hitzdrahtanemometer die Strömungsgeschwindigkeit korrekt erfassen kann, muss der Sensor so gedreht werden, dass Pfeil- und Strömungsrichtung übereinstimmen.
Bild Hitzdrahtsensor (ist vom PCE-423 … wir haben auch noch PCE-009 )
Für genaue Messungen muss der Hitzdraht frei von Anhaftungen sein. Staub oder andere Beläge beeinflussen die Wärmeabgabe an die Umgebung und damit das Messergebnis. Der Stab des Sensors ist häufig als Teleskopstab ausgeführt. Dadurch können Hitzdrahtanemometer auch Strömungen an schwer zugänglichen Stellen erfassen. Innerhalb des Stabes werden die Anschlussleitungen vom thermischen Widerstand zu den elektronischen Bauteilen im Gerät geführt

Um den strömungsbedingten Wärmeverlust beim Hitzdrahtanemometer und daraus die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln sind zwei Verfahren gebräuchlich. Entweder nutzt man die Messung bei konstantem Strom (CCA – Constant Current Anemometry) oder die Messung bei konstanter Temperatur (CTA – Constant Temperature Anemometry).
Hitzdrahtanemometer mit Konstant-Strom-Anemometrie (CCA – Constant Current Anemometry) arbeiten mit konstantem Heizstrom. Ändert sich die Temperatur am Hitzdraht, ändert sich auch der Widerstand und es kann eine Spannungsänderung gemessen werden. Kühlt der Hitzdraht durch hohe Strömungsgeschwindigkeit weiter ab wird die gemessene Spannung geringer. Die Empfindlichkeit sinkt aber mit steigender Strömungsgeschwindigkeit. Solche CCA Hitzdrahtanemometer sind einfach aufgebaut und gut für geringe Geschwindigkeiten geeignet.
Hitzdrahtanemometer mit Konstant-Temperatur-Anemometrie (CTA – Constant Temperature Anemometry halten die Temperatur des Hitzdrahts konstant. Damit diese Temperatur konstant oberhalb der Umgebungstemperatur liegt, wird die Umgebungstemperatur gemessen. Wird der Hitzdraht durch Luftströmung abgekühlt, erhöht das Hitzdrahtanemometer den Heizstrom, um wieder die Zieltemperatur zu erreichen. Bei höherer Strömungsgeschwindigkeit wird der Hitzdraht schneller abgekühlt und es muss mehr Heizstrom eingesetzt werden. Der verbrauchte Heizstrom wird gemessen und daraus die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Die Temperaturabhängigkeit der Konvektion wird vom CTA Hitzdrahtanemometer durch die Auswertung der Umgebungstemperatur kompensiert. Da die Strömungsgeschwindigkeit auch vom Luftdruck abhängig ist, verfügen einige der CTA Hitzdrahtanemometer über einen zusätzlichen Sensor zur Erfassung des Luftdrucks. Damit sind die CTA Hitzdrahtanemometer technisch aufwendiger als CCA Hitzdrahtanemometer, können aber einen größeren Messbereich arbeiten und Temperatureinflüsse und bei entsprechender Ausstattung auch den Einfluss des Luftdrucks kompensieren.

Für Messungen bei denen auch die Richtung der Strömung bestimmt werden soll, sind Sensoren mit mehreren thermischen Widerständen notwendig. Die Widerstände werden so angeordnet, dass das Hitzdrahtanemometer die Strömungsrichtung aus der unterschiedlichen Wärmeabgabe ermitteln kann. Die Strömungsrichtung kann je nach Anzahl und Anordnung der Hitzedrähte oder Heißfilm-Elemente zwei- oder dreidimensional erfasst werden. Wetterfahnen auf Hausdächern, die Windrichtung nach Himmelsrichtungen anzeigen, sind zweidimensional. Bei der dreidimensionalen Messung wird zusätzlich die Ebene senkrecht zur Himmelsrichtung berücksichtigt.
Hitzdrahtanemometer deren Sonde über drei entsprechend angeordnete Hitzdrähte verfügt, können auch Strömungswinkel und Turbulenzen erfassen. Damit sind auch hoch auflösende Messungen bei Strahlantrieben oder bei Prozessen mit instationären Strömungen möglich.