Hier sollen Sensoren zur Bestimmung der Masse als Gewicht [kg] und zur Bestimmung des Massenstroms oder Massendurchflusses in [kg/s] vorgestellt werden. Das Gewicht eines Körpers wird über die Gewichtskraft bestimmt, d.h. hier kommen Kraftaufnehmer zum Einsatz. Der Massendurchfluß wird über die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt, die folgenden Sensoren und Verfahren werden also zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt.

3.1 Sensoren zur Bestimmung des Gewichts eines Körpers

Das Gewicht eines Körpers wird bekannter weise durch eine Waage bestimmt, die mit Kraftaufnehmern arbeitet. Verfahren hierzu wurden im Kapitel über Kraftaufnehmer schon vorgestellt, deshalb soll hierauch nicht weiter darauf eingegangen werden. Zur Messung des Gewichts von großen Behältern werden die Sensoren direkt am Körper angebracht und arbeiten dann nach dem gleichen Verfahren wie beschreiben.

3.2 Verfahren zur Bestimmung des Massendurchflusses

3.2.1 Durchflußmessung auf thermischer Grundlage

3.2.1.1 Hitzedrahtmethode

3.2.1.2 mittels Thermosonde

3.2.1.3 mittels Kaltleiter

3.2.2Magnetisch - induktive Durchflußmessung

3.2.2.1 mit Wechselfeld

3.2.2.2 mit kapazitiven Signalabgriff

3.2.3Ultraschall - Strömungsmessung

3.3.1 Durchflußmessung auf thermischer Grundlage

Hierbei tritt als Meßgröße eine Temperatur, Temperaturdiffernz oder einer davon abgeleiteten Größe auf.

3.3.1.1 Hitzedrahtmethode

Ein elektrisch beheizter Metalldraht (muß temperaturabhängig sein z.B. Platin) wird in einen Gasstrom gebracht und von diesem abgekühlt. Die Wärmeabgabe ist dabei von der Geschwindigkeit des vorbei streichenden Gases, von dessen physikalischen Daten und von der Differenz zwischen Draht - und Gastemperatur abhängig.

Es werden zwei Verfahren Angewand :

b)Man hält den Widerstand des Drahtes durch nach regeln der Heizspannung konstant, dann sind Heizspannung bzw. Heizstrom bei Strom losem Galvanometer ein Maß für die Geschwindigkeit des Mediums. Dieses Verfahren eignet sich ebenfalls nur für kleine Geschwindigkeiten, da die Empfindlichkeit ebenfalls mit steigender Strömungsgeschwindigkeit abnimmt.

3.3.1.2 mittels Thermosonde

Thermosonden bestehen aus Halbleiter - Widerständen (NTC, PTC)und sind wegen ihrer hohen Temperaturkoeffizienten und der damit verbundenen großen Ausgangssignalen für die Messung kleiner Geschwindigkeiten besonders geeignet. Den Abkühlungsbedingungen entsprechend, stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Die im Gleichgewichtsfall vorhandene Temperatur des Meßfühlers bestimmt seinen Widerstand, woraus sich mit einer geeigneten Schaltungs- anordnung ein meßtechnisch auswertbares Signal erzielen läßt. Thermosonden werden vorzugsweise zur Messung von Flüssigkeiten eingesetzt. Die Thermosonde ist sehr träge, wodurch nur sehr langsame Geschwindigkeiten mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden können.

3.3.1.3 mittels Kaltleiter

Eine definierte Wärmequelle wird durch Luftströmung abgekühlt. Je nachdem, ob man die Temperatur oder die Leistungsaufnahme der Wärmequelle konstant hält, ist die aufgenommene Energie oder die Temperatur ein Maß für die Strömung. Bei dem folgendem beschriebenen Verfahren wird die Temperatur konstant gehalten. Wird ein Kaltleiter an eine genügend hohe Spannung gelegt, heizt er sich bis in den Bereich oberhalb seiner Nenntemperatur auf und es stellt sich ein stationäres Gleichgewicht zwischen aufgenommener elektrischer Energie und abgegebener Wärme ein. Wird nun das Gleichgewicht infolge Abkühlung gestört, so sinkt zunächst die Temperatur des Kaltleiters und damit der Widerstand. Die dadurch erhöhte Leistungsaufnahme des Kaltleiters wirkt einem weiteren Absinken der Temperatur entgegen. Hierbei ist die Leistungsaufnahme ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.

3.3.2 Magnetisch - induktive Durchflußmessung

Dieses Verfahren beruht auf dem Induktionsgesetz. Hierbei wird die Flüssigkeit als elektrischer Leiter angesehen, daher muß sie eine Mindestleitfähigkeit haben. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz wird in einer durch ein Magnetfeld fließenden elektrisch leitenden Flüssigkeit eine elektrische Feldstärke erzeugt. Der Meßstoff fließt durch ein isoliert ausgekleidetes Rohr, in dessen Wand eine Spannung abgegriffen werden kann, die der mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. Über ein Kabel wird das Signal dem Meßumformer zugeführt, verstärkt und weiterverarbeitet. Hierbei können folgende Probleme auftreten:

 Induktive Sensoren :

3.3.2.2 Bei stark verschmutzten und mischleitenden Flüssigkeiten kann die Elektrodenoberfläche von Rückständen bedeckt sein, so das kein Signal mehr an den Elektrodenanschlüssen abgenommen werden kann. Hier wird ein Magnetisch - induktiver Durchflußmesser mit kapazitiven Signalabgriff eingesetzt. Bei diesem Aufnehmer werden zwei Flächenelektroden in die aus Isolationsmaterial bestehende Rohrauskleidung eingesetzt. Diese haben somit keine Verbindung mehr mit dem Meßmedium. Jede Elektrode bildet mit der die Innenwand benetzten Flüssigkeit einen Koppelkondensator, dessen Dielektrium die Auskleidung ist. Da die Elektrodenspannung sehr klein ist, muß sie direkt hinter den Elektroden verstärkt werden.

Kapazitive Sensoren :

Bei der magnetisch - induktiven Durchflußmessung liefert der Meßwertaufnehmer unmittelbar ein elektrisches Signal, das dann nur noch verstärkt und von Störsignalen getrennt werden muß. Dieses Verfahren ist im Bezug auf die Genauigkeit anderen überlegen. Ein weiterer Vorteil ist noch, das kein mechanischen Teile in das Rohr hineinragen, auch keine beweglichen Teile , wodurch die Strömung nicht behindert wird und der Druckverlust sehr gering gehalten wird. Anwendungsgebiete sind chemische Industrien wo z.B Säuren die Meßaufnehmer angreifen würden, des weiteren in der Nahrungs- und Getränkeindustrie z.B. Abfüllanlgen, Durchflußmessung bei Abwasser, flüssige Metalle in Kernreaktoren die zur Kühlung dienen.

3.4 Ultraschall - Strömungsmessung

Für Ultraschall - Durchflußmessung verwendet man Frequenzen von50 kHz bis mehrere MHz. Der Schall wird mit Hilfe von piezo-elektrischer Schwinger erzeugt. Die piezoelektrischen Kristalle werden auf Membranen aufgeklebt und in Gehäuse eingebaut. Bei anlegen einer elektrischen Spannung wird der piezoelektrische Kristall elastisch deformiert, dies Deformation erzeugt eine Schallwelle. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schallwellen in bewegter Flüssigkeit ändert sich mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Hierbei wird von A nach B ein Ultraschall - Signal in einer Flüssigkeit gesendet. Bei ruhendem Medium wandert das Signal von A nach B mit Schallgeschwindigkeit a. Strömt die Flüssigkeit in einer der gleichen Richtung mit der Geschwindigkeit v, so ist die resultierende Geschwindigkeit v+a. Das Signal erreicht also B früher als bei ruhender Flüssigkeit. Wird unter der Voraussetzung gegen die Strömungsrichtung von B nach A gesendet, so beträgt die resultierende Geschwindigkeit v - a, d.h. das Signal braucht gegen die Strömung länger als mit der Strömung. Diese Zeitdifferenz ist ein Maß für die Geschwindigkeit v des Mediums.

Ultraschallsensoren :

Anbieter und Daten von Strömungssensoren :