Ein thermischer Massedurchflussmesser zeigt in einer Wasserstoffanlage über längere Zeit stabile Werte. Dann verändert sich die Gasqualität: Nach dem Anfahren eines Elektrolyseurs enthält der Wasserstoff noch einen höheren Anteil eines Spülgases, bei einem Brennstoffzellen-Prüfstand verändert sich die Zusammensetzung des Rückgases oder Feuchte und Fremdgase schwanken mit dem Betriebszustand. Obwohl sich der tatsächliche Wasserstoff-Massenstrom nur wenig verändert hat, verschiebt sich plötzlich der angezeigte Durchfluss.
Ein solches Verhalten muss nicht auf einen defekten Sensor zurückzuführen sein. Thermische Massedurchflussmesser bestimmen den Gasstrom über den Wärmeübergang zwischen einem beheizten Sensorelement und dem vorbeiströmenden Gas. Dieser Wärmeübergang hängt nicht nur davon ab, wie viel Gas pro Zeiteinheit strömt, sondern auch von den thermophysikalischen Eigenschaften des jeweiligen Gases. Ändert sich die Zusammensetzung des Wasserstoffstroms, verändert sich damit eine wesentliche Grundlage der Kalibrierkennlinie.
Gerade bei Wasserstoff ist dieser Zusammenhang wichtig. H₂ unterscheidet sich hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte und weiterer Stoffeigenschaften deutlich von vielen typischen Begleitgasen wie Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf. Ein auf reinen Wasserstoff abgestimmter thermischer Massedurchflussmesser kann deshalb bei einem Wasserstoffgemisch einen zusätzlichen Messfehler zeigen, obwohl Druck, Temperatur und tatsächlicher Massenstrom unverändert erscheinen.
Die entscheidende Regel lautet: Bei thermischer Massedurchflussmessung gehört die Gaszusammensetzung zur Messaufgabe. Eine Kalibrierung für reinen H₂ ist nur dann ohne zusätzliche Gemischkorrektur übertragbar, wenn die tatsächliche Zusammensetzung innerhalb der für die geforderte Messunsicherheit zulässigen Grenzen bleibt.
Wie misst ein thermischer Massedurchflussmesser?
Ein thermischer Massedurchflussmesser nutzt den Wärmeübergang vom beheizten Sensorelement zum vorbeiströmenden Gas. Abhängig von der Sensorkonstruktion wird beispielsweise eine definierte Temperaturdifferenz aufrechterhalten oder die für die Beheizung notwendige Leistung ausgewertet. Mit zunehmendem Gasstrom wird mehr Wärme vom Sensor abgeführt. Aus diesem Zusammenhang berechnet die Elektronik den Durchfluss.
Der Vorteil des Prinzips liegt darin, dass bei einer korrekt auf das Gas abgestimmten Messung direkt eine massenbezogene beziehungsweise auf Normbedingungen bezogene Durchflussgröße ausgegeben werden kann. Anders als bei einer reinen Betriebsvolumenmessung muss also nicht ausschließlich aus Betriebsdruck und Betriebstemperatur auf einen Normvolumenstrom umgerechnet werden.
Das bedeutet jedoch nicht, dass ein thermischer Sensor unabhängig von den Gaseigenschaften arbeitet. Ganz im Gegenteil: Die Wärmeabfuhr ist selbst Teil des Messprinzips. Genau deshalb muss bekannt sein, welches Gas am Sensor vorbeiströmt.
Warum ist das thermische Messprinzip gasabhängig?
Gase transportieren Wärme unterschiedlich. Wasserstoff besitzt andere thermische Eigenschaften als Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid oder Methan. Selbst wenn zwei Gase mit identischem tatsächlichem Massenstrom durch dieselbe Messstrecke strömen, muss deshalb nicht dieselbe Wärmeleistung vom Sensorelement abgeführt werden.
Zu den relevanten Größen gehören abhängig von Sensorkonstruktion und Betriebszustand insbesondere Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Zusätzlich können Viskosität, Dichte und das daraus resultierende Strömungsverhalten Einfluss auf die reale Kennlinie haben. Moderne Geräte berücksichtigen diese Zusammenhänge über gasabhängige Kennfelder, Korrekturfaktoren oder eine Kalibrierung mit dem tatsächlichen Prozessgas.
Wird ein Sensor dagegen für Gas A kalibriert und anschließend ohne geeignete Anpassung mit Gas B betrieben, kann sich die Zuordnung zwischen Sensorsignal und tatsächlichem Massenstrom verschieben. Der Sensor kann dabei vollkommen stabil und wiederholbar arbeiten – nur die hinterlegte Kennlinie passt nicht mehr exakt zum aktuellen Medium.
| Einflussgröße | Warum sie relevant ist | Mögliche Folge bei Änderung |
|---|---|---|
| Wärmekapazität | Bestimmt, wie viel Wärme das Gas aufnehmen kann | Veränderte Beziehung zwischen Heizleistung und Massenstrom |
| Wärmeleitfähigkeit | Beeinflusst den Wärmeübergang am Sensorelement | Änderung des thermischen Sensorsignals |
| Dichte | Beeinflusst Strömungszustand und reale Prozessbedingungen | Kann insbesondere zusammen mit Druckänderungen relevant werden |
| Viskosität | Beeinflusst Strömungsprofil und Wärmeübergang | Zusätzliche Abweichung der Kalibrierkennlinie möglich |
| Gaszusammensetzung | Bestimmt die kombinierten Stoffeigenschaften des Gemisches | Kalibrierung für reines H₂ kann nicht mehr exakt passen |
Was bedeutet wechselnde Wasserstoff-Reinheit messtechnisch?
Die Angabe „Wasserstoff 99 %“ reicht für eine genaue Bewertung nicht immer aus. Entscheidend ist auch, welches Gas das verbleibende Prozent bildet. Ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch besitzt andere thermophysikalische Eigenschaften als ein Wasserstoff-Helium-, Wasserstoff-Sauerstoff- oder feuchter Wasserstoffstrom mit derselben nominellen H₂-Konzentration.
Auch die Definition der Reinheit muss eindeutig sein. Bei feuchten Gasen sollte klar sein, ob die H₂-Konzentration auf feuchter oder trockener Basis angegeben wird. Für eine präzise Stoffbilanz kann diese Unterscheidung relevant werden, insbesondere wenn die Gasfeuchte zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen stark schwankt.
Für die Messstellenplanung sollte deshalb nicht nur ein minimaler Wasserstoffanteil angegeben werden. Wesentlich hilfreicher ist eine definierte Zusammensetzungsmatrix: normaler Betrieb, Startbetrieb, maximale zulässige Fremdgaskonzentration und mögliche Sonderzustände.
| Betriebszustand | Typische messtechnische Situation | Sinnvolle Strategie |
|---|---|---|
| Nahezu konstant hochreiner H₂ | Gaszusammensetzung verändert sich nur innerhalb enger Grenzen | H₂-spezifische Kalibrierung beziehungsweise Realgas-Anpassung |
| Definiertes konstantes H₂-Gemisch | Zum Beispiel dauerhaftes Mischgas mit bekanntem Mischungsverhältnis | Kalibrierung oder Konfiguration für genau dieses Gemisch |
| Langsam wechselnde H₂-Reinheit | Zusammensetzung verändert sich im Prozessbetrieb | Zusammensetzung erfassen und Korrektur beziehungsweise Unsicherheitsbudget vorsehen |
| Starke Änderungen beim An- und Abfahren | Spülgas und H₂ wechseln sich zeitweise ab | Messbereich und Gasumschaltung gezielt betrachten; Übergangsphase separat bewerten |
| Stark dynamisches Mehrkomponentengas | Zusammensetzung ändert sich schnell und deutlich | Online-Gasanalyse, geeignete Mehrgaskompensation oder alternatives Messprinzip prüfen |
Welche Begleitgase sind besonders relevant?
Welche Fremdkomponenten auftreten, hängt stark vom Prozess ab. Bei Elektrolyseanlagen können beispielsweise Feuchte sowie geringe Anteile anderer Prozessgase relevant sein. In Prüfständen wird Wasserstoff häufig mit Stickstoff gespült. In Brennstoffzellensystemen können Rückgase eine deutlich komplexere Zusammensetzung besitzen. Formiergase bestehen bewusst aus definierten Wasserstoff-Stickstoff-Mischungen.
Für einen thermischen Massedurchflussmesser ist dabei nicht entscheidend, ob ein Fremdgas chemisch als „Verunreinigung“ oder als gewünschte Prozesskomponente bezeichnet wird. Entscheidend ist, ob sich dadurch die für die Kalibrierung maßgeblichen Stoffeigenschaften verändern.
Besonders kritisch sind Situationen, in denen die Zusammensetzung nicht nur von Charge zu Charge wechselt, sondern während der laufenden Messung. Eine einmal bei der Inbetriebnahme eingestellte Gemischkonfiguration kann eine solche kontinuierliche Änderung nicht automatisch korrigieren, sofern das verwendete Gerät keine entsprechende Online-Funktion besitzt.
Wie entsteht der zusätzliche Messfehler?
Angenommen, ein thermischer Massedurchflussmesser wurde für reinen Wasserstoff kalibriert. Seine Elektronik kennt somit die Beziehung zwischen Sensorsignal und tatsächlichem H₂-Massenstrom unter den vorgesehenen Bedingungen.
Strömt anschließend ein Gemisch aus Wasserstoff und einem Fremdgas über den Sensor, verändert sich die Wärmeübertragung. Das Gerät interpretiert dieses neue thermische Verhalten zunächst mit seiner hinterlegten Wasserstoffkennlinie. Der angezeigte Wert kann dadurch gegenüber dem tatsächlichen Massendurchfluss verschoben sein.
Wichtig ist dabei: Aus einer Reinheitsabweichung lässt sich ohne Kenntnis von Sensor, Fremdgas, Druck, Temperatur und Kalibriermodell kein allgemeingültiger prozentualer Durchflussfehler ableiten. Die Aussage „1 % Stickstoff erzeugt 1 % Durchflussfehler“ wäre beispielsweise fachlich nicht haltbar.
Die Gaszusammensetzung sollte deshalb als eigener Einflussfaktor im Messunsicherheitsbudget betrachtet werden. Wie groß dieser Beitrag tatsächlich ist, muss aus Herstellerdaten, einem validierten Gasmodell oder einer Kalibrierung beziehungsweise Vergleichsmessung bestimmt werden.
Gaskorrekturfaktor und Gemischkalibrierung richtig verwenden
Für thermische Massedurchflussmesser werden häufig Gaskorrekturfaktoren verwendet. Damit kann eine bestehende Kalibrierung auf ein anderes Gas oder ein definiertes Gasgemisch übertragen werden. Moderne Systeme können dafür umfangreiche Stoffdatenbanken oder herstellerspezifische Kennfelder verwenden.
Eine solche Umrechnung ist besonders sinnvoll, wenn das Prozessgas bekannt und stabil ist. Bei einem festen Gemisch aus beispielsweise H₂ und N₂ kann ein Sensor gezielt auf genau dieses Mischungsverhältnis ausgelegt beziehungsweise mit einem entsprechenden Faktor betrieben werden.
Problematischer wird es, wenn das Mischungsverhältnis kontinuierlich schwankt. Ein fest hinterlegter Faktor beschreibt dann nur einen bestimmten Betriebszustand. Für eine höhere Genauigkeit muss entweder die Gaszusammensetzung laufend bekannt sein und in die Korrektur eingehen oder ein Messprinzip eingesetzt werden, dessen Messwert weniger von diesen thermischen Stoffeigenschaften abhängt.
Auch eine mathematische Korrektur sollte nicht mit einer Prozessgaskalibrierung gleichgesetzt werden. Für hohe Genauigkeitsanforderungen ist eine Kalibrierung mit dem tatsächlichen Gas beziehungsweise einem repräsentativen Gemisch grundsätzlich die belastbarere Grundlage.
Rechenbeispiel mit einem vorgegebenen Korrekturfaktor
Ein thermischer Massedurchflussmesser ist auf reinen Wasserstoff kalibriert und zeigt:
QAnzeige = 100 Nm³/h
Für den aktuell analysierten Gaszustand stellt der Hersteller oder ein validiertes Gasmodell einen Verhältnisfaktor von:
KGemisch / KH2 = 0,97
bereit. Nach der für dieses Beispiel angenommenen Korrektur ergibt sich:
Qkorrigiert = 100 Nm³/h × 0,97
Qkorrigiert = 97 Nm³/h
Wichtig: Der Wert 0,97 ist hier ausschließlich ein Rechenbeispiel für einen bereits vorgegebenen und validierten Korrekturfaktor. Er bedeutet nicht, dass eine bestimmte Wasserstoffreinheit grundsätzlich mit diesem Faktor korrigiert werden kann. Der tatsächliche Faktor hängt vom Sensor, den beteiligten Gasen und den Prozessbedingungen ab.
Druck und Temperatur zusätzlich berücksichtigen
Thermische Massedurchflussmessung wird häufig als weitgehend unabhängig von Druck- und Temperaturschwankungen beschrieben, weil nicht einfach nur ein Betriebsvolumenstrom erfasst wird. Für eine präzise Wasserstoffmessung sollte daraus jedoch nicht geschlossen werden, dass Druck und Temperatur grundsätzlich irrelevant sind.
Die thermophysikalischen Eigenschaften realer Gase verändern sich mit den Prozessbedingungen. Besonders bei hohen Drücken kann die reale Gascharakteristik stärker von einfachen Idealannahmen abweichen. Hersteller bieten deshalb für anspruchsvolle Gase wie Wasserstoff je nach Gerät Realgas-Anpassungen beziehungsweise entsprechende Kalibrieroptionen an.
Bei der Auslegung sollten deshalb mindestens minimaler und maximaler Absolutdruck, Gastemperatur, Umgebungstemperatur und vorgesehener Durchflussbereich bekannt sein. Eine Messstelle, die bei 6 bar geprüft wurde, sollte nicht automatisch ohne Herstellerbewertung für einen vollkommen anderen Druckbereich übernommen werden.
Ebenso wichtig ist die Unterscheidung zwischen Massendurchfluss und Normvolumenstrom. Wird Nm³/h angegeben, müssen die zugrunde liegenden Normbedingungen eindeutig dokumentiert sein. Nur so lassen sich Werte verschiedener Geräte, Prüfstände oder Gaslieferungen zuverlässig miteinander vergleichen.
Feuchte, Kondensation und Gasqualität
Wasserdampf ist ebenfalls Bestandteil der Gaszusammensetzung. Steigt die Feuchte eines Wasserstoffstroms, verändert sich das Gemisch. Für sehr hohe Genauigkeitsanforderungen kann deshalb auch die Gasfeuchte Bestandteil der Zusammensetzungsbewertung werden.
Noch kritischer ist Kondensation beziehungsweise der Eintrag von Flüssigkeit oder Aerosolen. Ein thermischer Sensor ist darauf angewiesen, dass die Wärmeübertragung unter definierten Gasbedingungen erfolgt. Flüssigkeitströpfchen oder Ablagerungen auf dem Sensorelement können den Wärmeübergang deutlich verändern und damit zusätzlich zur Gaszusammensetzung einen Messfehler beziehungsweise eine Drift verursachen.
Gerade hinter Elektrolyse- oder Gasaufbereitungsstufen sollte deshalb geprüft werden, ob das Gas am Messort ausreichend aufbereitet ist und unter allen Betriebsbedingungen oberhalb seines Taupunktes bleibt. Gasfilterung und Kondensatmanagement können je nach Prozess ebenso wichtig sein wie die eigentliche Auswahl des Durchflussmessers.
Was passiert bei schnell wechselnder Gaszusammensetzung?
Bei langsam wechselnder Reinheit kann eine externe Gasanalyse mit nachgeschalteter Korrektur vergleichsweise einfach funktionieren. Schwieriger wird es, wenn sich Durchfluss und Gaszusammensetzung schnell gleichzeitig verändern.
Dann müssen die Dynamiken beider Messsysteme berücksichtigt werden. Ein thermischer Durchflusssensor besitzt eine eigene Ansprechzeit. Ein Gasanalysator besitzt ebenfalls Mess-, Transport- und gegebenenfalls Probenaufbereitungszeiten. Befindet sich die Entnahmestelle zusätzlich einige Meter entfernt, kommt die analysierte Gaszusammensetzung zeitlich verzögert an.
Würde eine SPS den aktuellen Durchflusswert direkt mit einem mehrere Sekunden alten Reinheitswert korrigieren, können gerade während schneller Lastwechsel neue Fehler entstehen. Für dynamische Prüfstände sollten Zeitstempel, Totzeiten und Filterzeiten deshalb gemeinsam betrachtet werden.
Eine Online-Korrektur ist nur dann sinnvoll, wenn klar definiert ist, welcher Analysatorwert zu welchem Durchflusswert gehört.
Durchflussmessung mit Gasanalyse kombinieren
Bei stark wechselnder Wasserstoffreinheit kann die Kombination aus Durchflussmessung und Gasanalyse eine robuste Systemarchitektur bilden. Der Gasanalysator liefert die aktuelle Zusammensetzung, während der Durchflusssensor den thermisch erfassten Gasstrom bestimmt. Eine übergeordnete Steuerung kann daraus – sofern ein validiertes Korrekturmodell vorliegt – einen korrigierten Wert berechnen.
Eine mögliche Architektur lautet:
H₂-Prozess → thermischer Durchflusssensor → Roh-Durchflusswert
H₂-Prozess → Probegasaufbereitung → Gasanalyse → Zusammensetzung
Durchfluss + Zusammensetzung + Korrekturmodell → korrigierter Durchfluss
Für eine belastbare Lösung muss dabei klar sein, welche Gasbestandteile analysiert werden müssen. Ist nur H₂/N₂ relevant, kann eine andere Analytik ausreichen als bei einem Gemisch aus Wasserstoff, Wasserdampf, Sauerstoff und weiteren Komponenten.
Außerdem muss geklärt werden, was bei Ausfall oder Wartung des Gasanalysators geschieht. Der unkorrigierte thermische Messwert kann weiterhin verfügbar sein, seine Messunsicherheit bezüglich der aktuellen Zusammensetzung ist dann jedoch entsprechend zu bewerten.
Wann ist ein anderes Messprinzip sinnvoll?
Thermische Massedurchflussmessung ist für viele Wasserstoffanwendungen attraktiv: Das Prinzip benötigt keine beweglichen Teile, kann einen geringen Druckverlust ermöglichen und eignet sich gut für Gasströme. Bei stark wechselnder Zusammensetzung sollte jedoch geprüft werden, ob die erforderliche Messunsicherheit mit einer festen oder dynamischen Gaskorrektur erreichbar ist.
Eine mögliche Alternative ist die Coriolis-Massedurchflussmessung. Sie bestimmt den Massenstrom über die Bewegung eines Messrohres und ist hinsichtlich der eigentlichen Massenstromermittlung nicht auf dieselbe gasabhängige Wärmeübertragungskennlinie angewiesen. Bei Wasserstoff müssen jedoch geringe Dichte, Messbereich, Druckverlust, Betriebsdruck, Dynamik und die konkrete Geräteausführung sorgfältig geprüft werden.
Auch Differenzdruck- oder Ultraschallverfahren sind nicht automatisch unabhängig von der Gaszusammensetzung. Bei Differenzdruckmessung spielt die Gasdichte eine zentrale Rolle, während bei Ultraschallverfahren unter anderem die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches relevant ist. Ein Wechsel des Messprinzips beseitigt deshalb nicht grundsätzlich jede Anforderung an Gasdaten.
Die Wahl sollte sich immer aus der konkreten Messaufgabe ergeben: Durchflussbereich, Druck, Temperatur, Gasqualität, zulässiger Druckverlust, Dynamik, Messunsicherheit, Einbauraum und Sicherheitsanforderungen.
Dichtheit und H₂-Eignung der Messstelle
Bei Wasserstoff ist nicht nur das Messprinzip relevant. Die komplette drucktragende Messstelle muss für den vorgesehenen Wasserstoffeinsatz geeignet sein. Wasserstoff besitzt eine hohe Diffusionsneigung und kann an ungeeigneten Verbindungen leichter austreten als viele schwerere Gase.
Prozessanschlüsse, Dichtungen, Armaturen und medienberührte Werkstoffe sind deshalb zusammen mit Druck und Temperatur zu bewerten. Auch eine messtechnisch hervorragende Durchflussmessung ist wertlos, wenn ein Teilstrom über eine undichte Verbindung verloren geht.
Für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen müssen außerdem die jeweils erforderlichen Ex-Zulassungen und das Schutzkonzept der Gesamtanlage berücksichtigt werden. Eine ATEX- oder IECEx-Ausführung eines Sensors ersetzt dabei nicht die Bewertung der kompletten Installation.
Nach Montage- oder Wartungsarbeiten sollte die Messstelle entsprechend dem betrieblichen Prüfkonzept auf Dichtheit geprüft werden.
Kalibrierung und Verifikation planen
Für eine hohe Messqualität sollte bereits bei der Bestellung geklärt werden, auf welches Gas beziehungsweise Gasgemisch der thermische Sensor abgestimmt werden soll. Ein Gerät für Druckluft ist nicht automatisch ein Wasserstoffmessgerät, nur weil das gleiche Messprinzip verwendet wird.
Bei Wasserstoff ist eine geeignete H₂-Konfiguration beziehungsweise Realgas-Anpassung sinnvoll. Für ein definiertes Gasgemisch sollte das tatsächliche Mischungsverhältnis angegeben und eine entsprechende Herstellerlösung gewählt werden.
Bei schwankender Reinheit muss dagegen definiert werden, für welchen Zusammensetzungsbereich die spezifizierte Messunsicherheit gelten soll. Mögliche Strategien sind:
- Kalibrierung auf den typischen Betriebszustand und zusätzliche Unsicherheit für die zulässige Reinheitsschwankung,
- Kalibrierung beziehungsweise Verifikation an mehreren repräsentativen Gasgemischen,
- dynamische Korrektur anhand einer Gasanalyse,
- Vergleichsmessung mit einem geeigneten Referenzverfahren,
- Wechsel auf ein für die Anwendung günstigeres Messprinzip.
Bei kritischen Prüfständen sollte zusätzlich festgelegt werden, wie häufig die Messkette verifiziert wird und anhand welcher Referenz entschieden wird, ob eine Rekalibrierung erforderlich ist.
Praxisbeispiel am Elektrolyseur
Ein Elektrolyseur liefert im stabilen Betrieb hochreinen Wasserstoff. Ein thermischer Massedurchflussmesser ist speziell für H₂ ausgelegt und dient zur Überwachung der erzeugten Gasmenge.
Im normalen stationären Betrieb ist die Zusammensetzung ausreichend konstant. Der thermische Sensor arbeitet damit innerhalb des für die Messstelle vorgesehenen Gaszustandes. Während des Anfahrens wird die Anlage jedoch zunächst mit Stickstoff gespült. Anschließend steigt die H₂-Konzentration schrittweise bis zum normalen Produktionszustand.
Würde während dieser gesamten Übergangsphase dieselbe reine H₂-Kennlinie verwendet und jeder angezeigte Wert als exakter Wasserstoff-Massenstrom interpretiert, wäre die Messaufgabe nicht sauber definiert. Das Gas am Sensor ist während des Übergangs zeitweise ein H₂/N₂-Gemisch, dessen thermische Eigenschaften sich kontinuierlich verändern.
Eine mögliche Betriebsstrategie besteht deshalb darin, die Startphase messtechnisch getrennt vom freigegebenen Produktionsbetrieb zu behandeln. Erst wenn die Gasanalyse eine definierte Mindestreinheit bestätigt, wird der Durchflusswert für Bilanz- oder Wirkungsgradberechnungen freigegeben.
Soll dagegen bereits während der Übergangsphase ein genauer H₂-Massenstrom bestimmt werden, muss die wechselnde Zusammensetzung in die Berechnung einbezogen oder ein dafür geeignetes Messkonzept gewählt werden.
Dieses Beispiel zeigt einen wichtigen Unterschied: Ein Sensor kann technisch korrekt messen und trotzdem einen für die gewünschte Bilanz ungeeigneten Wert liefern, wenn die Definition des Mediums nicht zum Betriebszustand passt.
Systematischer Planungs- und Prüfablauf
Für neue Wasserstoff-Messstellen sollte die Gaszusammensetzung von Anfang an Teil der Spezifikation sein. Ein bewährter Ablauf ist:
- Messgröße festlegen: Massendurchfluss, Normvolumenstrom oder Betriebsvolumenstrom eindeutig definieren.
- Normalzusammensetzung festlegen: H₂-Reinheit und typische Begleitgase dokumentieren.
- Grenzzustände definieren: Start, Stopp, Spülbetrieb, Störungen und maximale Fremdgaskonzentrationen berücksichtigen.
- Feuchte berücksichtigen: Klären, ob die Reinheit auf trockener oder feuchter Basis angegeben wird.
- Druck- und Temperaturbereich erfassen: Minimal-, Normal- und Maximalwerte angeben.
- Durchflussbereich und Dynamik festlegen: Normalbetrieb und schnelle Lastwechsel berücksichtigen.
- Messprinzip auswählen: Thermisch, Coriolis, Differenzdruck oder anderes Verfahren an der tatsächlichen Anwendung bewerten.
- Gaskalibrierung festlegen: H₂, festes Gemisch oder mehrere repräsentative Zustände definieren.
- Zusammensetzungseinfluss quantifizieren: Herstellerdaten, Korrekturfaktoren oder Kalibrierwerte verwenden.
- Gasanalyse prüfen: Bei wechselnder Reinheit klären, ob eine Online-Zusammensetzungsmessung erforderlich ist.
- Werkstoffe und Dichtungen prüfen: H₂-Eignung für Druck, Temperatur und Prozessgas sicherstellen.
- Ex-Schutz bewerten: Erforderliche Zulassungen und Zonenkonzept berücksichtigen.
- Einbau korrekt ausführen: Einlaufstrecken, Einbaulage und Rohrgeometrie nach Herstellervorgaben beachten.
- Gesamtsystem verifizieren: Durchfluss, Gaszusammensetzung und Referenzmessung gemeinsam plausibilisieren.
Häufige Planungsfehler
„Massendurchfluss“ mit „gasunabhängig“ gleichsetzen
Thermische Massedurchflussmesser erfassen zwar eine massenbezogene Durchflussgröße, ihr Sensorsignal basiert aber auf gasabhängiger Wärmeübertragung.
Eine reine H₂-Kalibrierung für jedes H₂-Gemisch verwenden
Bereits ein definiertes Gasgemisch benötigt eine entsprechende Bewertung beziehungsweise Gemischkonfiguration. Bei schwankender Zusammensetzung ist ein einzelner fester Faktor nicht zwangsläufig ausreichend.
Nur die H₂-Prozentzahl betrachten
98 % H₂ mit Stickstoff als Restgas ist thermisch nicht dasselbe wie 98 % H₂ mit einer anderen Restgaszusammensetzung.
Wasserstoffreinheit und Feuchte getrennt dokumentieren, aber messtechnisch nicht gemeinsam betrachten
Wasserdampf ist ebenfalls Bestandteil des Gasgemisches und kann bei entsprechendem Anteil die Stoffeigenschaften beeinflussen.
Einen Korrekturfaktor aus einer fremden Sensorbaureihe übernehmen
Gaskorrekturfaktoren sind abhängig von Sensorkonstruktion, Kalibriermodell und Hersteller. Sie sollten nicht unkontrolliert zwischen verschiedenen Geräten übertragen werden.
Eine feste Gemischkonfiguration mit automatischer Gemischmessung verwechseln
Ein Sensor, der auf ein H₂/N₂-Gemisch 90/10 parametriert wurde, weiß dadurch nicht automatisch, wenn sich das reale Mischungsverhältnis auf 95/5 verändert.
Online-Gasanalyse ohne Totzeitbetrachtung verwenden
Bei schnellen Änderungen kann der Analysatorwert zeitlich hinter dem tatsächlichen Gas am Durchflusssensor liegen. Eine dynamische Korrektur benötigt deshalb eine abgestimmte Zeitbasis.
Dichtheit nur als Sicherheitsthema behandeln
Eine H₂-Leckage ist nicht nur sicherheitskritisch. Sie verfälscht auch Stoff- und Effizienzbilanzen, wenn der verlorene Gasstrom zwischen Messstellen liegt.
Geeignete Durchflusslösungen bei ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik führt unterschiedliche Durchflusslösungen für Wasserstoffanwendungen. Die Auswahl sollte immer anhand von Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur, Durchflussbereich, gewünschter Messunsicherheit und den erforderlichen Zulassungen erfolgen.
Der IVA550 ist ein thermischer Massenstromsensor als Einstechsonde. Wasserstoff gehört bei geeigneter Ausführung zu den vorgesehenen Gasen. Für H₂ ist die passende Gas- beziehungsweise Realgas-Anpassung bereits bei der Auslegung zu berücksichtigen.
Der IVA570 verwendet ebenfalls das thermische Messprinzip, wird jedoch mit definierter Messstrecke geliefert. Dies kann insbesondere bei kleineren Rohrdurchmessern und bei Anwendungen sinnvoll sein, bei denen eine reproduzierbare Strömungsgeometrie gewünscht ist.
Für beide Geräte können je nach Ausführung unterschiedliche reine Gase beziehungsweise definierte Gasgemische berücksichtigt werden. Bei Gasgemischen muss jedoch das vorgesehene Mischungsverhältnis bekannt sein. Für Anwendungen mit laufend wechselnder Reinheit ist daher zusätzlich zu prüfen, wie groß der dadurch entstehende Messfehler ist und ob eine externe Zusammensetzungsmessung oder ein anderes Messkonzept erforderlich wird.
H²-Durchflusssensoren bei ICS Schneider
H²-Wasserstoff-Lösungen bei ICS Schneider
Fazit
Thermische Massedurchflussmessung eignet sich gut für zahlreiche Wasserstoffanwendungen, setzt für eine belastbare Genauigkeit jedoch eine ausreichend bekannte Gaszusammensetzung voraus.
Die Kalibrierung eines thermischen Sensors gehört immer zu einem definierten Gas beziehungsweise Gasgemisch. Ändert sich die Wasserstoffreinheit, können sich die thermischen Eigenschaften des Gases verändern und damit ein zusätzlicher Messfehler entstehen.
Wie groß dieser Fehler ist, lässt sich nicht allein aus der prozentualen H₂-Reinheit ableiten. Entscheidend sind Art und Anteil der Begleitgase, Sensorprinzip, Kalibriermodell, Druck, Temperatur und der tatsächliche Betriebsbereich.
Bei nahezu konstantem hochreinem Wasserstoff kann eine geeignete H₂-Kalibrierung beziehungsweise Realgas-Anpassung ausreichend sein. Bei einem festen Gasgemisch sollte der Sensor für genau dieses Gemisch konfiguriert oder kalibriert werden. Bei dynamisch wechselnder Zusammensetzung muss dagegen geprüft werden, ob Gasanalyse und Online-Korrektur erforderlich sind oder ein anderes Messprinzip die robustere Lösung darstellt.
Wer Gaszusammensetzung, Feuchte, Prozessdruck, Temperatur, Dynamik, Dichtheit und Kalibrierung bereits bei der Auslegung gemeinsam betrachtet, erhält nicht nur einen plausiblen Durchflusswert, sondern eine Messstelle, die auch für Stoffbilanz, Wirkungsgradbewertung und Prozessregelung belastbar eingesetzt werden kann.
FAQ zur thermischen Wasserstoff-Massedurchflussmessung
Kann ein thermischer Massedurchflussmesser reinen Wasserstoff messen?
Ja, sofern das Gerät für Wasserstoff geeignet und entsprechend kalibriert beziehungsweise konfiguriert ist. Werkstoffe, Druckbereich, Temperatur und gegebenenfalls Ex-Zulassung müssen ebenfalls zur Anwendung passen.
Warum muss ein thermischer Durchflusssensor das Gas kennen?
Das Messprinzip basiert auf der Wärmeübertragung zwischen einem beheizten Sensorelement und dem Gas. Da unterschiedliche Gase unterschiedliche thermophysikalische Eigenschaften besitzen, ist die Kennlinie gasabhängig.
Was passiert, wenn die H₂-Reinheit sinkt?
Die Stoffeigenschaften des Gasgemisches ändern sich. Dadurch kann ein auf reinen Wasserstoff kalibrierter Sensor einen anderen Wert anzeigen, obwohl der tatsächliche Massenstrom unverändert ist.
Kann man den Fehler direkt aus der H₂-Konzentration berechnen?
Nicht allgemein. Zusätzlich müssen das jeweilige Fremdgas, die Sensorkonstruktion, Druck, Temperatur und das verwendete Kalibriermodell berücksichtigt werden.
Ist 99 % H₂ immer messtechnisch dasselbe?
Nein. Entscheidend ist auch, woraus das verbleibende Prozent besteht. Ein H₂/N₂-Gemisch besitzt andere Eigenschaften als beispielsweise ein Gemisch mit einer anderen Restgaskomponente.
Kann ein thermischer Sensor für ein Gasgemisch kalibriert werden?
Ja, bei geeigneten Geräten sind Konfigurationen beziehungsweise Kalibrierungen für definierte Gasgemische möglich. Das Mischungsverhältnis muss dafür bekannt sein.
Erkennt ein auf ein Gasgemisch eingestellter Sensor Änderungen der Mischung automatisch?
Nicht zwangsläufig. Eine feste Gemischkonfiguration beschreibt zunächst nur das hinterlegte Mischungsverhältnis. Für eine automatische Anpassung an eine wechselnde Zusammensetzung ist eine entsprechende Gerätefunktion oder externe Gasanalyse erforderlich.
Was ist ein Gaskorrekturfaktor?
Ein Gaskorrekturfaktor beschreibt, wie eine bestehende thermische Kalibrierung auf ein anderes Gas oder Gasgemisch übertragen werden kann. Er sollte aus Herstellerdaten oder einem validierten Modell stammen.
Ist eine Prozessgaskalibrierung besser als ein rechnerischer Korrekturfaktor?
Für hohe Genauigkeitsanforderungen liefert eine Kalibrierung mit dem tatsächlichen Prozessgas beziehungsweise einem repräsentativen Gemisch grundsätzlich die belastbarere Grundlage.
Hat der Druck Einfluss auf eine thermische H₂-Messung?
Ja, insbesondere bei anspruchsvollen Druckbereichen können reale Gaseigenschaften und Wärmeübertragung vom Kalibrierzustand abweichen. Für Wasserstoff können deshalb Realgas-Anpassungen erforderlich sein.
Spielt die Gastemperatur eine Rolle?
Ja. Temperatur beeinflusst die Stoffeigenschaften und die reale Wärmeübertragung. Der zulässige Temperaturbereich und die Kalibrierbedingungen des Sensors müssen eingehalten werden.
Kann Wasserdampf das Ergebnis beeinflussen?
Ja. Wasserdampf verändert die Gaszusammensetzung. Bei höheren Feuchteanteilen oder hohen Genauigkeitsanforderungen sollte die Feuchte berücksichtigt werden.
Warum ist Kondensation problematisch?
Flüssigkeit auf einem thermischen Sensorelement verändert die Wärmeübertragung erheblich und kann zusätzlich zu Verschmutzung und Messwertdrift führen.
Wann sollte eine Gasanalyse ergänzt werden?
Wenn die Gaszusammensetzung im Betrieb deutlich schwankt und diese Änderung einen relevanten Anteil der zulässigen Messunsicherheit verursachen kann, ist eine Online- oder regelmäßige Gasanalyse sinnvoll.
Kann die Gasanalyse direkt zur Durchflusskorrektur verwendet werden?
Ja, sofern ein validiertes Korrekturmodell vorhanden ist und Totzeiten sowie unterschiedliche Ansprechzeiten von Durchflussmessung und Analyse berücksichtigt werden.
Ist Coriolis bei wechselnder Gaszusammensetzung grundsätzlich besser?
Coriolis misst den Massenstrom nach einem anderen physikalischen Prinzip und ist nicht auf dieselbe gasabhängige Wärmeübertragungskennlinie angewiesen. Ob es für die konkrete Wasserstoffanwendung geeigneter ist, hängt jedoch unter anderem von Druck, Durchflussbereich, Dichte, Druckverlust, Dynamik und Geräteausführung ab.
Welche Daten werden für die Auslegung benötigt?
Benötigt werden unter anderem minimaler und maximaler Durchfluss, Betriebsdruck, Gastemperatur, H₂-Reinheit, Art und Bereich möglicher Begleitgase, Feuchte, Rohrgröße, gewünschte Messunsicherheit, Dynamik, zulässiger Druckverlust und gegebenenfalls Ex-Anforderungen.