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Eine ganze Reihe unterschiedlicher physikalischer Grössen sind für ein erfolgreiches Energiecontrolling und damit auch für das Energiemanagement als Ganzes relevant.
Im Folgenden werden wichtige Messgrössen beschrieben und die jeweiligen Messprinzipien und Geräte kurz aufgezeigt. Während die direkte Relevanz einiger Grössen schon auf den ersten Blick ersichtlich sein sollte, stehen andere Messgrössen vielleicht etwas weniger offensichtlich in Verbindung mit Energieeffizienz. Trotzdem können beispielsweise Messungen bezüglich Lichtqualität später in ein effektives Energiemanagement einfliessen.
9.2.1 Spannung und Strom
Spannung und Strom bilden die Grundbestandteile der elektrischen Energie und sind damit natürlich auch für die Messung elektrischer Energie wichtig. Weiterführende Informationen über die elektrische Messtechnik finden sich in. 33
Das ohmsche Gesetz U = R ∙ I formalisiert den Zusammenhang zwischen Spannung U, Strom I und Widerstand R. Handelt es sich um eine Wechselstromschaltung, wo also u (t) = û sin (ωt) und i (t) = î sin (ωt) zeitlich variierende, sinusförmige Grössen mit Amplitude û bzw. î und Kreisfrequenz ω sind, schreibt sich u (t) = R ∙ i (t).
Die elektrische Spannung, SI-Einheit Volt (V), wird mit einem Spannungsmessgerät oder Voltmeter gemessen. Zur Messung der Spannung über einem Widerstand R wird das Messgerät parallel zum Widerstand geschaltet, wie in Abb. 49 gezeigt.
Abb. 49: Elektrische Schaltung zur Spannungsmessung. Ein hochohmiges Spannungsmessgerät wird parallel zum Verbraucher R geschaltet, über den der Spannungsabfall gemessen werden soll.
Das Spannungsmessgerät besitzt einen gewissen Innenwiderstand RV und hat als Spannungsteiler eine Rückwirkung auf den wahren Spannungswert. Diese Messabweichung wird jedoch für hochohmige Voltmeter, wo RV » R / Ri , vernachlässigbar klein.
Geräte, die den elektrischen Strom, SI-Einheit Ampere (A), messen, werden als Strommessgeräte oder Amperemeter bezeichnet. Zur Messung des Stroms durch einen Widerstand R wird das Messgerät, wie in Abb. 50, in Serie mit dem Widerstand geschaltet.
Abb. 50: Elektrische Schaltung zur Strommessung. Ein niederohmiges Strommessgerät wird in Serie mit dem Verbraucher R geschaltet, um den durch ihn fliessenden Strom zu messen.
Wie bei der Messung der Spannung hat ein Amperemeter einen gewissen Innenwiderstand und somit eine Rückwirkung auf den wahren Stromwert. Für niederohmige Strommessgeräte, wo Ra « R + Ri , kann die Messabweichung durch diese Rückwirkung wiederum vernachlässigt werden.
Auf dem Markt erhältliche Strom- und Spannungsmessgeräte werden teilweise fest eingebaut, um eine dauerhafte Überwachung über ein Mess- oder Automationssystem zu ermöglichen. Sie können aber auch als mobile Handmessgeräte eingesetzt werden, um beispielsweise Defekte in der Stromzufuhr zu identifizieren. Im Folgenden finden sich einige Beispiele gängiger Strom- und Spannungsmessgeräte und Messprinzipien.
Multimeter
Elektronische Vielfachmessgeräte oder Multimeter können, wie ihr Name schon vermuten lässt, eine Vielzahl elektrischer Grössen messen. Moderne, meist digitale Messgeräte, messen neben Gleich-/Wechselstrom und -spannung auch Widerstand, Kapazitäten, Induktivitäten und Frequenzen in elektrischen Schaltungen. Digitalmultimeter sind üblicherweise mit einer LC-Ziffernanzeige ausgestattet und können in gewissen Fällen auch Messdaten über eine serielle Schnittstelle übertragen. Hier gilt wiederum, die Messunsicherheit genau zu beachten (Quantisierungsabweichung, systematische Messabweichung aufgrund der Temperatur, usw.).
Stromfühlwiderstand (Shunt)
Vor allem bei fest installierten Messungen von grossen Strömen wird ein Verfahren angewendet, bei dem ein niederohmiger Stromfühlwiderstand in den Stromkreis mit eingebaut wird. Ein Spannungsmessgerät misst die Spannung über dem exakt definierten Stromfühlwiderstand und die Stromstärke wird daraus abgeleitet. Der in diesem Verfahren eingesetzte Widerstand ist üblicherweise kleiner als 0,01 Ω.
Stromzange
Mit einer Stromzange können Ströme gemessen werden, ohne den jeweiligen Stromkreis auftrennen zu müssen.
Eine mobile Stromzange zur Wechselstrommessung besteht aus einer Spule, die einen aufklappbaren Ringkern umschliesst. Die Stromzange wird um den Leiter angelegt, in dem der Stromfluss gemessen werden soll. Der im Leiter fliessende Wechselstrom induziert ein Magnetfeld, das über den Ringkern wiederum einen Sekundärstrom in der Spule induziert. Aus der Messung des Sekundärstroms kann auf den Primärstrom im Leiter geschlossen werden. Mit einem sekundärseitigen Widerstand kann der Strom in eine proportionale Spannung umgewandelt werden und anschliessend beispielsweise auf einem Oszilloskop oder einem Multimeter angezeigt werden.
Abb. 51: Digitales Multimeter zur Messung von Gleich- und Wechselspannungen und -strömen und verschiedenen Impedanzen mit Infrarot-Schnittstelle und integriertem Datenspeicher
Für die Messung von Gleichstrom ist dieses Messprinzip nicht anwendbar, da das oben beschriebene Transformatorprinzip eben genau die magnetischen Wechselfelder um den Leiter nutzt. Stattdessen kann ein Hall-Sensor in einem Luftspalt des Ringkerns genutzt werden. Statische Magnetfelder modulieren Stromdichten über die Lorentz-Kraft. Hall-Sensoren nutzen diesen Effekt, um von Magnetfeldern auf einen bestimmten Leiterstrom zurückzuführen.
Aktuelle mobile Strommesszangen sind meistens Multimessgeräte, die über unterschiedliche Sensoren und Messmöglichkeiten verfügen (Abb. 52).
Abb. 52: Stromzangen-Multimeter zur Gleich- und Wechselstrommessung mit LC-Display
Mit demselben Transformatorprinzip lassen sich auch fest installierte Strommessungen realisieren. Ringkern-Messwandler werden um die Leiter montiert, resp. auf die Leiter gezogen (bei geschlossenen Ringkern-Wandlern). Messungen mit offenen Ringkern-Wandlern sind üblicherweise weniger genau als Messungen mit geschlossenen Ringkern-Wandlern.
Bei offenen Ringkern-Wandlern kann in einem Luftspalt zusätzlich wieder ein Hall-Sensor eingebaut werden, der eine Signalspannung erzeugt, die dem Gleich- oder Wechselstrom im Leiter entspricht.
Bei dreiphasigem Wechselstrom werden zur Leistungsbestimmung Messwandler über alle drei Phasenleiter montiert. Mit einem zusätzlichen Phasenspannungsmessgerät kann so schliesslich die elektrische Leistung gemessen werden.
9.2.2 Elektrische Leistung
Die physikalische Leistung, SI-Einheit Watt (W), bezeichnet generell die Umsetzung von Energie in einer bestimmten Zeitspanne. Wenn es sich dabei um die Umsetzung elektrischer Energie handelt, spricht man von elektrischer Leistung.
Abb. 53: Auswirkung des Phasenverschiebungswinkels φ auf die Momentanleistung p(t) und ihr zeitliches Mittel, die Wirkleistung P.Sind Spannung und Strom in Phase (links), ist die gesamte Scheinleistung als Wirkleistung nutzbar. Bei einer Phasenverschiebung (rechts) verkleinert sich die Wirkleistung und die Blindleistungskomponente der Scheinleistung ist nicht null.
In Gleichstromkreisen berechnet sich die elektrische Leistung P direkt als Produkt aus Spannung und Strom: P = U ∙ I. Handelt es sich beim Verbraucher um einen ohmschen Widerstand R, dann erhält man durch einfaches Einsetzen:
Im Energieversorgungsnetz, wo Strom und Spannung hingegen Wechselgrössen mit derselben Grundfrequenz sind, wird auch die Leistung eine zeitabhängige Grösse:
Hier beschreibt φ den Phasenverschiebungswinkel zwischen Spannung und Strom und
bzw.
sind die Effektivwerte der Wechselgrössen.
In diesem Zusammenhang wird die Grösse p(t) als Momentanleistung bezeichnet. Sie besteht aus einem zeitlich konstanten, jedoch vom Phasenverschiebungswinkel abhängigen Term U ∙ I cos(φ) und einem Term U ∙ I cos(2ωt-φ), der mit doppelter Kreisfrequenz 2ω schwingt.
Die Amplitude S = U ∙ I ist die sogenannte Scheinleistung. Sie setzt sich nach S = √ P2 + Q2 aus der Wirkleistung P und der Blindleistung Q zusammen.
Die Wirkleistung P ist das zeitliche Mittel der Momentanleistung: P = < p (t) = U · I · cos (φ).
Sie ist diejenige Komponente der Scheinleistung, die zum effektiven Leistungstransport beiträgt.
Die Blindleistung Q hingegen trägt nicht zum eigentlichen Leistungstransport bei. Sie ergibt sich als Q = U · I · sin (φ).
Die Zusammenhänge der verschiedenen genannten Grössen lassen sich am besten grafisch veranschaulichen (siehe Abb. 54).
Abb. 54: Verhältnis von Scheinleistung, Wirkleistung und Blindleistung in Bezug auf den Phasenwinkel φ zwischen sinusförmigem Wechselstrom und -spannung.
Der Effektivwert des Stroms I wird bei gegebener Scheinleistung umso grösser, je grösser die Phasenverschiebung φ (bzw. je kleiner der cos(φ)-Wert) ist. Weil grössere Ströme im Verteilnetz zu höheren ohmschen Verlusten führen, ist Blindleistung in der Praxis unbeliebt und wird innerhalb des Stromnetzes auf verschiedene Arten kompensiert.
Zur Bestimmung der Blindleistung können moderne digitale Messgeräte u(t) und i(t) abtasten, um den Phasenverschiebungswinkel zu berechnen und damit auf die Blindleistung zurückführen.
Zur Bestimmung der elektrischen Leistung muss ein Messgerät also sowohl die Spannung zwischen Phasenleiter und Nullleiter messen als auch die Ströme pro Phase. Zudem muss der jeweilige cos(φ) bestimmt werden.
Die genaue Definition der relevanten Messgrösse ist auch bei der Messung der elektrischen Leistung wichtig. Zur Dimensionierung eines Versorgungsnetzes können beispielsweise Maximalwerte von Interesse sein, während bei einer Energieverbrauchsmessung Mittelwerte im Vordergrund stehen.
9.2.3 Elektrische Energie (Stromzähler)
Die elektrische Energie ist die Gesamtheit der elektrischen Leistung über einen gewissen Zeitraum. Im alltäglichen Gebrauch und natürlich speziell auch im Zusammenhang mit Energiemanagement wird sie in Kilowattstunden (kWh) gemessen. Geräte, die elektrische Energie messen, werden auch als «Stromzähler» bezeichnet und finden ihren Haupteinsatz als Verrechnungszähler.
Mit einem Verrechnungszähler wird die elektrische Energie gemessen, die ein Verteilnetzbetreiber seiner Kundschaft liefert. Diese Zähler werden für jede beziehende Person (in grösseren Gebäuden für jede Mietpartei) vom Verteilnetzbetreiber fest installiert und abgelesen. Der Energiebezug, den es zu bezahlen gilt, wird bestimmt. Verrechnungszähler müssen geeicht sein und über eine Zulassung verfügen, um ihrem Einsatzzweck gerecht zu werden.
Dort, wo Strom nicht von Elektrizitätswerken an Dritte geliefert wird, müssen ebenfalls Verrechnungszähler installiert werden. Dies ist insbesondere bei Zusammenschlüssen zum Eigenverbrauch von regenerativ erzeugter Energie der Fall, oder falls ein Vermieter Strom an seine Mieterschaft verkauft.
Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedlich funktionierende Stromzähler, elektronische resp. digitale Stromzähler und mechanische Induktionszähler.
Induktionszähler (Ferraris-Zähler)
In vielen Gebäuden sind heute noch elektromechanische Induktionszähler, wie in Abb. 55 gezeigt, im Einsatz. Bei diesen Zählern wird eine Aluminiumscheibe durch ein magnetisches Drehfeld, das proportional zur elektrischen Leistung ist, zur Rotation gebracht.
Abb. 55: Drehstromzähler
Auf einer Seite der Aluminiumscheibe befindet sich eine Spule mit niedriger Impedanz, durch die der Verbraucherstrom fliesst (Strompfad, wenige Windungen). Auf der anderen Seite der Scheibe befindet sich eine grosse Spule mit hoher Impedanz, über der die Verbraucherspannung anliegt (Spannungspfad, viele Windungen). Die zwei Spulenkerne sind an der Drehscheibe so angeordnet, dass sie zusammen ein magnetisches Drehfeld aufbauen und die Scheibe über induzierte Wirbelströme in Bewegung setzen. Die Drehgeschwindigkeit ist zu jedem Zeitpunkt direkt vom Produkt aus Spannung und Strom, also von der Verbraucherleistung, abhängig. Die Drehbewegung wird auf ein Rollenzählwerk übertragen, wo die zeitlich integrierte Leistung, die verbrauchte Energie, abgelesen werden kann.
Trotz der für digitale Geräte typischen Ziffernanzeige handelt es sich hier um ein rein analoges Messgerät: Die Ziffern rollen langsam zur nächsten über.
Digitale Stromzähler
Anstelle einer kontinuierlichen Integration der Leistung, wie beim Induktionszähler, kann die Leistung auch digital durch numerische Integration bestimmt werden.
Digitale Stromzähler messen zunächst die Leistung in kurzen Zeitabständen. Um daraus die verbrauchte Energie zu berechnen, wird die mittlere Leistung im Zeitabschnitt erst mit dem jeweiligen Zeitabstand multipliziert. Diese Energieinkremente werden zur Energie über den betrachteten Zeitraum aufsummiert. Dies geschieht typischerweise jeweils über eine Viertelstunde. Die Anzeige am Gerät erfolgt ebenfalls digital, z.B. über ein LCD.
Diese Zählerart verspricht Präzision und einen grossen Messbereich dank der eingesetzten modernen Messtechnik. Ein weiterer wesentlicher Vorteil sind Zusatzfunktionen wie ein separater Rückliefertarif oder mehrere, zeitvariable Tarife. Werte können gespeichert werden und die bezogene Höchstleistung kann mit genauer Zeitmarke bestimmt werden.
Elektromechanische Induktionszähler werden zunehmend durch sogenannte «Smart Meter» abgelöst. Seit 2018 sind Smart Meter bei Neuinstallationen sogar vorgeschrieben. Abb. 56 zeigt ein Beispiel eines Smart Meters.
Abb. 56: Smart Meter für den privaten Bereich mit Netzwerkanschluss und optischer M-Bus-Schnittstelle
Diese «intelligenten» Zähler sind im Grunde digitale Zähler, die zusätzlich über eine Kommunikationsschnittstelle und einen internen Prozessor verfügen, welcher zusätzliche Funktionalität liefert – die Zähler eben «smart» macht. Die kommunikationsfähigen Stromzähler ermöglichen eine Fernablesung bzw. Fernüberwachung des Energieverbrauchs. Sofern es sich um eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle handelt, können Tarife sogar dynamisch angepasst oder Verbrauchsinformationen an die Kundschaft weitergegeben werden. Des Weiteren können Störungsmeldungen oder Schaltbefehle übertragen werden, um Lasten in Spitzenzeiten zu regeln oder um Stromverbraucher ein- und auszuschalten.
Die Installation intelligenter Messsysteme wird vom Bund in der Stromversorgungsverordnung (StromVV) vorgeschrieben – mit dem Ziel, ein sogenanntes «Smart Grid», ein «intelligentes» Netz, aufzubauen. Da das Verteilnetz künftig stärker fluktuierende Ströme aus erneuerbaren Energiequellen aufnehmen muss, können die Vernetzung von Smart Metern und die mit ihnen gesammelten Daten Möglichkeiten zur besseren Kontrolle des Stromnetzes bieten.
Mit einem Smart Grid soll der Kundschaft zudem ein stromsparenderes Verhalten nahegelegt werden. Genaue Informationen zum jeweiligen Energieverbrauch können im 15-Minuten-Takt geliefert werden.
Natürlich lassen Kontrollmöglichkeiten, wie sie mit Smart Meter möglich sind, Fragen bezüglich der Datensicherheit aufkommen. Verteilnetzbetreiber müssen die geltenden Datenschutzbestimmungen einhalten.
Privatzähler
Als Privatzähler werden Stromzähler verstanden, die nicht per se zu Verrechnungszwecken eingesetzt werden. Privatzähler sind also auch nicht eichpflichtig und deswegen meist wesentlich günstiger als geprüfte Verrechnungszähler.
Diese Klasse von Stromzählern wird eingesetzt, um Stromverteilungen zu überwachen oder den Stromverbrauch einzelner Verbraucher zu messen. Mögliche Einsatzziele sind ein Sicherstellen der Stromverteilung im Betrieb, das Vermeiden sowie das Ausfindigmachen der Ursachen von Störungen, und natürlich auch die Messung des Stromverbrauchs für das Energiemanagement.
Auf dem Markt sind verschiedenste Produkte erhältlich, vom einfachen, billigen Energiezähler bis zu Universalmessgeräten wie in Abb. 57, sowie Netzanalysatoren mit unterschiedlichsten Funktionen. Die meisten dieser Messgeräte sind heute elektronische Geräte mit Kommunikationsfähigkeit. Messdaten können über Bussysteme ausgelesen und in Messdatenspeichern gesammelt werden. Daten können im Gerät selbst gespeichert und Alarmwerte konfiguriert werden (z.B. bei zu hoher Leistung oder anderen kritischen Netzparametern wie Spannung, Blindstrom, Klirrfaktor oder Oberwellenanteil).
Abb. 57: Multifunktionaler Netzanalysator und Stromzähler mit Messdatenspeicher und Datenbusschnittstellen
Steckbare Zähler
Steckbare Messgeräte (Abb. 58) erlauben einfache Leistungs- und Energieverbrauchsmessungen an diversen kleinen elektrischen Geräten. Oft können auch Netzspannung und Stromfluss angezeigt werden. Steckzähler sind häufig auf die Messung von 230-V-Verbrauchern beschränkt, können also nur eine Phase messen.
Abb. 58: Steckdosenmessgerät mit Datenspeicher und USB-Schnittstelle zur elektrischen Leistungs- und Energiemessung
Das Messgerät wird an die Steckdose angeschlossen und der Stecker des Verbrauchsgerätes mit der Steckdose des Messgerätes verbunden. Auf einer integrierten Anzeige findet sich nun die gewünschte Information.
Diese Energiemessgeräte enthalten Elektronik, die mit kleinen Gleichströmen arbeitet. Zur Verarbeitung der Wechselgrössen im Stromnetz müssen die analogen Eingangssignale in kurzen Intervallen abgetastet werden. Die erhaltenen Werte werden digital weiterverarbeitet.
9.2.4 Oberschwingungen im Stromnetz
Durch den vermehrten Einsatz von Leistungselektronik im Stromnetz (z.B. Wechselrichter zur Netzeinspeisung von Solarstrom) ist die Netzrückwirkung ein grösser werdendes Problem. Hochfrequente Schaltvorgänge führen zu Störungen der Netzspannung und damit zu einer Verschlechterung der gesamten Netzqualität. Sie können Flicker in Leuchtmitteln auslösen, die Lebensdauer von Geräten verkürzen oder die Funktionalität von Induktionszählern oder ganzen IT-Anlagen beeinträchtigen.
Die fundamentale sinusförmige Frequenz im europäischen Übertragungsnetz liegt bei 50 Hz (in Nordamerika sind es 60 Hz). In leistungselektronischen Geräten, Schaltnetzteilen von Alltagselektronik und in anderen Verbrauchern mit nicht linearen Stromspannungskennlinien (z.B. Transformatoren, Leuchtstofflampen) fliessen jedoch nicht sinusförmige Ströme. Als Konsequenz wird die Netzspannung verzerrt, d.h. neue, nicht fundamentale Frequenzen werden angeregt. Das Frequenzspektrum eines gemessenen Signals kann durch Fourier-Analyse mit dem FFT (fast Fourier transform) algorithmus-effizient berechnet und dann dargestellt werden.
In Abb. 59 ist die Verzerrung einer Sinusspannung an einem nicht linearen Verbraucher illustriert.
Abb. 59: (A) FFT-Frequenzspektrum einer 50 Hz-Sinusspannung. (B) Umsetzung der Sinusspannung in einen verzerrten Wechselstrom an einem Verbraucher mit nicht linearer Stromspannungskennlinie.
(C) FFT-Spektrum des verzerrten Verbraucherstroms. Neben der 50 Hz-Grundschwingung sind nun mehrere Oberschwingungen im Spektrum vorhanden
Handelt es sich bei den neu angeregten Frequenzen um ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz (100 Hz, 150 Hz, usw.), spricht man von harmonischen Oberschwingungen. Ist die Frequenz einer neu angeregten Sinusschwingung keine harmonische Oberschwingung, spricht man von Zwischenharmonischen. Im Zusammenhang mit Oberschwingungen werden verschiedene Grössen definiert:
Der Grundschwingungsgehalt g ist der Quotient aus dem Effektivwert der Grundschwingung IS1 und dem Gesamtstrom, also der geometrischen Summe aller Effektivwerte:
Der Klirrfaktor k (auch Oberschwingungsgehalt) ist der Quotient aus der geometrischen Summe aller Oberschwingungen und dem Gesamtstrom:
Heute ist vor allem eine Angabe der Total Harmonic Distortion THD gebräuchlich. Sie ist definiert als Quotient aus der geometrischen Summe der Effektivwerte aller Oberschwingungen und dem Effektivwert der Grundschwingung:
Flickermessung
Oberwellen und Schwankungen der Netzspannung können in ungeregelten Leuchtmitteln (Leuchtstoffröhren, usw.) visuell wahrnehmbare Helligkeitsschwankungen auslösen. Diese werden als Flicker bezeichnet. Flicker ist von Lichtflimmern zu unterscheiden (siehe auch «Messung von Lichtflimmern»): Flicker tritt nur in ungeregelten Leuchtmitteln durch schwankende Netzspannungen auf, während Lichtflimmern durch die Bauweise des Leuchtmittels selbst bedingt ist.
Anhand einer empirischen Flickerkurve (IEEE-Standard 519) kann bestimmt werden, ob Flicker in FL-Lampen jeweils für den Menschen wahrnehmbar oder gar störend wirkt. Die jeweiligen Grenzwerte sind sowohl von der Stärke der Schwankung als auch von ihrer Frequenz abhängig.
Da die Qualität von Flicker subjektiv ist, muss zur Flickermessung das menschliche Wahrnehmungssystem modelliert werden. Die genauen Anforderungen an ein Flickermeter sind in DIN EN 61000-4-15 festgelegt.
Netzanalysatoren
Wie bereits im letzten Teilkapitel erwähnt, sind Netzanalysatoren auf dem Markt erhältlich, die Oberwellen messen können. Hier sind digitale Netzanalysegeräte verfügbar, die Oberwellen in Einphasenleitern oder in dreiphasigen Stromkreisen messen können. Sie basieren auf demselben Transformatorprinzip wie einfache Stromzangen, tasten diese Messsignale dann ab und verarbeiten sie in digitaler Form mittels integrierter Prozessoren. Schliesslich machen sie das entsprechende Oberwellenspektrum und die relevanten Grössen auf einem Display auslesbar oder übertragen die Messdaten über eine Schnittstelle (z.B. USB).
9.2.5 Lichtqualität
Bestimmte Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums können vom Menschen wahrgenommen werden. Das Helligkeitsempfinden des menschlichen Auges ist jedoch abhängig von der jeweiligen Frequenz. Die sogenannte V(λ)-Kurve («V-Lambda-Kurve») beschreibt die relative Helligkeitsempfindung des Auges in Abhängigkeit der Strahlungsfrequenz. Die mit der V(λ)-Kurve gewichtete elektromagnetische Strahlung wird als Licht bezeichnet.
Unsere Augen sind tagsüber auf elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 555 nm am empfindlichsten, während sich das Maximum nachts bei etwas kürzeren Wellenlängen findet. In Abb. 60 sind die jeweiligen V(λ)-Kurve zu sehen.
Abb. 60: V(λ)-Hellempfindlichkeitskurven
Zum Energiemanagement gehören auch die Berücksichtigung und Messung der gesamten Lichtqualität von Leuchtmitteln. Verschiedene Leuchten haben unterschiedliche Eigenschaften bezüglich ihrer Nachhaltigkeit, der Lebensdauer und ihrem Energieverbrauch, die zusammen mit der Qualität des erzeugten Lichts abgewogen werden müssen. Eine gute Lichtqualität verhilft zu einer guten Sehleistung und einem hohen Sehkomfort, was wiederum einen Beitrag zur Produktivität leisten und gefährliche Situationen verhindern kann.
Um die Lichtwahrnehmung quantitativ zu erfassen, wird dem Maximum der V(λ)-Kurve ein fotometrisches Strahlungsäquivalent Km zugeschrieben.
Die Basisgrösse der Fotometrie ist die Lichtstärke Iv in einer bestimmten Richtung, gemessen in Candela (cd). Die Candela ist definiert, indem dem fotometrischen Strahlungsäquivalent Km bei monochromatischer Strahlung mit einer Frequenz von 540 THz ( ≈ 555 nm ) der
explizite Zahlenwert von 683 cd · lm · W-1 gleichgesetzt wird.
Diese komplizierte Definition einer SI-Basis- einheit wird heute noch verwendet, obwohl der Lichtstrom (lm) aus heutiger Sicht die grundlegendere Grösse wäre. Zur Anfangszeit der Fotometrie war der visuelle Vergleich verschiedener Lichtquellen jedoch von besonderer Wichtigkeit, weshalb nicht das Lumen, sondern die Candela als Basiseinheit gewählt wurde.
Die Grössen des Lichtstroms, der Lichtmenge, der Beleuchtungsstärke und der Belichtung sind nah mit der Lichtstärke verwandt und auch über die Candela definiert.
Der Lichtstrom φv in Lumen (lm) gibt an, wie viel für das menschliche Auge wahrnehmbares Licht von einer Strahlungsquelle pro Zeiteinheit abgestrahlt wird. Per Definition gilt: 1 lm = 1 cd · sr. Die fotometrische Strahlungsenergie ist der zeitlich integrierte Lichtstrom und wird als Lichtmenge Qv in Lumensekunden (lm · s) angegeben.
Die Beleuchtungsstärke Ev in Lux (lx) beschreibt den Lichtstrom pro Fläche, der auf ein beleuchtetes Objekt trifft. Es gilt:
1 lx = 1 lm · m-2 = 1 cd · sr · m-2. Das zeitliche Integral der Beleuchtungsstärke ist die Belichtung Hv , gemessen in Luxsekunden (lx · s).
Zusätzlich zu diesen Grössen ist in gewissen Fällen auch die Lichtausbeute gefragt. Sie ist das Verhältnis des Lichtstroms und der elektrischen Leistung, die für dessen Erzeugung aufgewendet werden muss. Definiert ist sie als und wird in der Einheit lm · W-1 gemessen.
Ulbricht-Kugel
Zur Messung des Lichtstroms einer bestimmten Lichtquelle werden sogenannte Ulbricht-Kugeln eingesetzt. Dabei handelt es um Hohlkugeln, deren innere Oberflächen mit einem möglichst stark diffus reflektierenden Material beschichtet sind. Licht, das in die Kugel gelangt, wird durch diese Beschichtung gleichmässig in der Kugel verteilt. Abb. 61 zeigt die schematische Darstellung einer Ulbricht-Kugel.
Abb. 61: Ulbricht-Kugel zur Bestimmung des Lichtstroms 34
Zur Bestimmung des Lichtstroms wird die zu prüfenden Lichtquelle vor einer kleinen Öffnung oder im Inneren der Ulbricht-Kugel platziert. Ein Sensor misst den Lichtstrom, wobei ein Schatter verhindert, dass Direktlicht von der Lichtquelle zum Sensor gelangt und
die Messung verfälscht. Auf diese Weise wird zuerst die Beleuchtungsstärke bestimmt. Da der Reflexionsgrad und die Geometrie der Kugel bekannt sind, kann auf diese Weise auch von der Beleuchtungsstärke auf den Lichtstrom rückgeschlossen werden.
Luxmeter
Die Beleuchtungsstärke wird mit Luxmetern gemessen. Der Strom einer Halbleiter-Fotodiode ist über den fotoelektrischen Effekt direkt abhängig von der jeweiligen Beleuchtungsstärke. Die Gewichtung mit der V(λ)-Kurve wird dabei mit speziellen Filtervorsätzen erreicht. Gewisse Geräte können über den Fotodiodenstrom auch direkt mit Energie versorgt werden und brauchen keine zusätzliche Stromversorgung.
Abb. 62: Luxmeter mit Messdatenspeicher und USB-Schnittstelle
Leuchtdichtekameras
Die Leuchtdichte Lv, gemessen in cd · m-2, beschreibt die Positions- und Richtungsabhängigkeit des Lichtstroms, der von einer Lichtquelle abgegeben wird. Eine Leuchtdichtemessung ist an grösseren, ausgedehnten Lichtquellen (z.B. Monitore oder ein wolkenbedeckter Himmel) am meisten angebracht.
Abb. 63: Leuchtdichtekamera
Zwischen Leuchtdichte und Lichtstärke besteht folgender Zusammenhang:
wobei der Abstrahlwinkel ε den Winkel zwischen Flächennormaler und dem abgegebenen Lichtstrahl bezeichnet und A die gleichmässig leuchtende ebene Fläche ist.
Zur Messung der Leuchtdichte werden Leuchtdichtekameras verwendet; sie messen diese direkt über den fotoelektrischen Effekt mit CCD-Sensoren (charge coupled device) und optischen Filtern. Wie von Halbleitersensoren gewohnt, ist die Messung schnell, vergleichsweise einfach und es können auch oft farbmetrische Grössen mit demselben Gerät gemacht werden.
Messung von Lichtflimmern
Im Gegensatz zu Flicker, der durch Schwankungen in der Spannungszufuhr in ungeregelten Leuchtmitteln entsteht, beschreibt Lichtflimmern Helligkeitsschwankungen, die durch die Konstruktion des Leuchtmittels selbst zustande kommen. Lichtflimmern kann die Ursache von Kopfschmerzen sein und zu gefährlichen Situationen führen, z.B. im Zusammenhang mit bewegten Maschinen.
Abb. 64: Lichtmeter mit Datenspeicher zur Bestimmung des Flimmeranteils und der Flimmerfrequenz bis 400 kHz
Das Lichtflimmern eines spezifischen Leuchtmittels hat technologiespezifische Ursachen und damit auch jeweils technologiespezifische Ausgleichsmassnahmen. Leuchtstofflampen besitzen beispielsweise elektronische Vorschaltgeräte, die wahrnehmbares Lichtflimmern auslösen können. Leuchtmittel mit Dimmfunktion funktionieren oft über Pulsweitenmodulation oder Phasenanschnittsteuerung, was hochfrequentes Lichtflimmern auslösen kann. Die Helligkeit von LED-Leuchten folgt sehr schnell dem Strom, weshalb speziell hier ein gutes Vorschaltgerät eine grosse Rolle in der Qualität des emittierten Lichts spielen kann.
Einerseits kann starkes Lichtflimmern einen Stroboskopeffekt (ruhendes Auge, ein Objekt bewegt sich im Licht) oder einen Perlschnureffekt (bewegtes Auge, ein Licht oder Objekt im Licht unbewegt) auslösen. Diese Effekte können auch noch bei Lichtflimmern mit Frequenzen bis zu 2 kHz sichtbar sein.
Zur Messung des Lichtflimmerns können verschiedene Verfahren angewandt werden. Am Anfang der Messreihe steht meist eine Fotodiode mit V(λ)-Gewichtung. Das erhaltene Signal wird mit genügend hoher Frequenz abgetastet (in der Praxis flimmert Licht mit bis zu 80 kHz) und mittels Fourier-Transformation in seine Frequenzanteile zerlegt.
Die Grössen der kurzzeitigen Wahrnehmbarkeit von Helligkeitsschwankungen (short-term light modulation perceptibility) und des SVM (stroboscopic visibility measure) sind in DIN EN 61000-3-3 bzw. in DIN IEC/TR 63158 festgelegt. Im September 2021 tritt eine neue EU-Verordnung in Kraft, welche die Grenzwerte und für Leuchtmittel erstmals quantitativ festlegt.
Optische Spektrometer
Mit einem optischen Spektrometer kann die spektrale Zusammensetzung des Lichts gemessen werden. Es gibt einige verschiedene Messprinzipien, die in Spektrometern angewendet werden, jedoch bestehen sie üblicherweise aus mindestens einem Beugungsgitter und einem Fotodetektor.
Abb. 65: Optisches Spektrometer mit V-Lambda-Gewichtung
Das Beugungsgitter kann beispielsweise ein Prisma sein, das die Strahlung durch Dispersion im Prisma in ihre spektralen Anteile aufspaltet. Der Detektor misst anschliessend die Stärke der einzelnen spektralen Anteile im Licht.
9.2.6 Temperatur
Die Temperatur ist ein objektives Mass dafür, wie heiss oder kalt ein Gegenstand ist. In festen, flüssigen und gasförmigen Materialien beschreibt die Temperatur den Mittelwert der Energie aller Teilchen (in der Regel der Moleküle) infolge ihrer Lage und Bewegung (kinetische Energie). Die SI-Einheit der Temperatur ist Kelvin (K), wovon auch das gebräuchliche Grad Celsius (°C) abgeleitet ist. Es gilt die Definition 273,15 K=0 °C.
Die Temperaturmessung kann je nach Messbereich und geplanter Anwendung auf verschiedene Arten erfolgen, z.B. mit mobilen Handmessgeräten, fest installierten Messgeräten oder mit Temperatursensoren, die an ein Messbussystem gekoppelt sind.
Zu unterscheiden sind auch Messungen durch direkten thermischen Kontakt zum Messsubjekt und berührungslose Messverfahren über Wärmestrahlung.
Tab. 9 zeigt eine Übersicht verschiedener Thermometerprinzipien und deren jeweilige Messbereiche nach VDI/VDE 3511.
Tab. 9: Raummodul Klassenzimmer
Die gängigsten Sensorarten für die Berührungsmessung sind Thermoelemente, Widerstandsthermometer (oft Pt100-Fühler) und Thermistoren. Infrarot-Strahlungssensoren können eine Oberflächentemperatur via Wärmestrahlung ohne direkten Kontakt messen.
Ausdehnungsthermometer
Ausdehnungsthermometer nutzen die Eigenschaft flüssiger und gasförmiger Medien, sich mit steigender Temperatur zunehmend auszudehnen. Sie funktionieren nur bei direktem thermischem Kontakt mit dem zu messenden Objekt.
Heute basieren nur noch einfache analoge Thermometer auf der Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten. Selten finden sich auch noch fest eingebaute Quecksilber-Glasthermometer, deren Messbereich im Fall von Quarzglas 35 °C bis 800 °C abdecken kann.
Weitere Beispiele von Ausdehnungsthermometern sind Fadenthermometer, Dampfdruck-thermometer, Metall-Ausdehnungsthermometer, Stabthermometer und Bimetallthermometer.
Bimetallthermometer können in einfachen, analogen Thermostaten eingesetzt werden, um bei bestimmten Temperaturen Schaltvorgänge auszulösen. Sie wurden zum Beispiel in der Konstruktion von Toastern oder Bügeleisen genutzt.
Thermoelemente
Der Seebeck-Effekt (auch thermoelektrischer Effekt) erlaubt die Konstruktion eines Temperatursensors aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern. Ein Temperaturgefälle entlang des jeweiligen Leiters bringt dementsprechend eine elektrische Potenzialdifferenz mit sich, die auch Thermospannung genannt wird. Die Grösse dieser Spannung ist bei gegebener Temperaturdifferenz für jedes Material verschieden.
Abb. 66: Mobiles Thermometer mit verschiedenen Typ-K-(NiCr-Ni)-Thermoelement-Aufsätzen und Smartphonebedienung
Die zwei Leiter werden an einem Ende elektrisch verbunden und in Kontakt mit dem zu messenden Objekt gebracht. Die anderen Enden werden bei einer bekannten Temperatur gehalten und die Spannungsdifferenz zwischen ihnen wird gemessen. Die Temperatur kann nun aus der Differenz der Thermospannungen in den zwei Leitern bestimmt werden.
Diese Spannungsdifferenz in den zwei Materialien ist eine komplizierte Funktion der Temperatur, die für gewisse Materialpaare in Referenzfunktionen genormt und für verschiedene Messbereiche tabelliert wird (genormt in DIN EN 60584-1).
Zur Messung ist hier keine Stromquelle erforderlich, jedoch muss natürlich die Referenztemperatur, bei der die Spannungsdifferenz gemessen wird, bekannt sein. In der Praxis kann dies ein isoliertes Gefäss sein, welches eine Wasser- und Eismischung enthält und so genau bei 0 °C liegt. Alternativ kann die Referenztemperatur auch mit einem Widerstandsthermometer gemessen werden und die Spannungsdifferenz der Thermospannungen in digitaler Form korrigiert werden.
Thermoelemente kommen einerseits in industriellen Anlagen und Laboratorien zum Einsatz, andererseits aber auch in der Wärmeverteilung und der Energieerzeugung.
Thermistoren und Widerstandsthermometer
Der elektrische Widerstand von Metallen nimmt mit steigender Temperatur beinahe linear zu. Elektrische Widerstände aus solchen Materialien werden als RTDs (resistance temperature detectors) oder Widerstandsthermometer bezeichnet und können eine grosse Breite von Temperaturen messen.
Die Bezeichnungen für RTDs setzen sich aus dem verwendeten Material und dem jeweiligen Nennwiderstand bei 0 °C zusammen. Der Pt100-Messwiderstand, der also ein Platinwiderstand mit einem Nennwert von 100 Ω bei 0 °C ist, ist einer der gebräuchlichsten RTDs. Oft werden auch Pt1000-Thermistoren eingesetzt, dementsprechend Platinwiderstände von 1000 Ω bei 0 °C.
Temperaturabhängige Widerstände aus Halbleiter-, Polymer und Keramikmaterialien werden Thermistoren genannt. Diese Materialien können einen positiven Temperaturkoeffizienten haben und werden dann als PTC-Thermistor (positive temperature coefficient) oder Kaltleiter bezeichnet. Thermistoren mit negativen Temperaturkoeffizienten werden als NTC-Thermistor (negative temperature coefficient) oder Heissleiter bezeichnet.
NTC-Thermistoren werden oft in Temperaturmessgeräten eingesetzt, messen aber im Gegensatz zu RTDs meist eine viel kleinere Temperaturspanne. In Abb. 67 ist ein Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsmessgerät gezeigt, das zur Temperaturmessung mit einem NTC-Thermistor ausgestattet ist. PTC-Temperaturwiderstände werden vermehrt als Thermostate resp. Grenztemperaturschalter oder in Strombegrenzungsschaltungen genutzt.
Abb. 67: Temperatur- und Feuchtigkeitsmessgerät mit NTC-Sensor
Zur Messung eines Widerstands muss dieser von einem gewissen konstanten Strom durchflossen werden. Um Eigenerwärmung des Messwiderstands möglichst zu vermeiden, sollte dieser Strom so klein wie möglich gehalten werden (bei Pt100 RTDs nicht höher als 1 mA). Mit einer differenzbildenden Schaltung muss nun nicht die eigentliche Spannung über dem Widerstand gemessen werden, sondern nur deren Änderung bezüglich eines Anfangswerts. Die Wheatstone-Brücke ist eine solche Schaltung.
Die einfachste Schaltung hier ist die Zweileiterschaltung. Sie zieht den Nachteil mit sich, dass der gemessene Widerstand eine Kombination aus dem Temperaturwiderstand und dem Leitungswiderstand ist, wobei der Leitungswiderstand wiederum von der Leitungslänge, dem Kabelquerschnitt und der Leitungstemperatur abhängig ist. Kupferleitungen haben beispielsweise ungefähr denselben Temperaturkoeffizienten wie ein Pt100. Als Konsequenz sind mit Zweileiterschaltungen nur bedingt genaue Messungen möglich, wobei grössere Widerstände (z.B. ein Pt1000) sich besser eignen.
Häufig ist es nötig, grössere Distanzen zwischen Messwiderstand und Messumformer zu überbrücken. In einer Dreileiterschaltung lässt sich der Einfluss des Leitungswiderstands über eine zusätzliche, stromlose Leitung teilweise kompensieren.
Mit einem weiteren stromlosen Leiter erhält man eine Vierleiterschaltung. Zwei Leiter dienen dem konstanten Stromfluss durch den Temperaturwiderstand. Über die weiteren zwei wird die Spannung gemessen. Wird ein genügend hochohmiges Spannungsmessgerät verwendet, kann der Einfluss der Leitungen komplett vernachlässigt werden, wodurch genaue Messungen auch über eine grössere Distanz möglich sind.
Alternativ zur Vierleiterschaltung kann direkt beim Widerstand ein Messumformer eingesetzt werden, der den gemessenen Widerstand in ein genormtes Spannungs- oder Stromsignal (z.B. 0 bis 10V oder 4 bis 20 mA) umwandelt, bevor dieses dann weitergeleitet und -verarbeitet wird.
Halbleiter-Temperatursensoren
Eine weitere, sehr weit verbreitete Form von Temperaturmessgeräten sind monolithische Silizium-Bandlücken-Temperatursensoren. Diese integrierten Schaltungen messen die Temperatur mittels einer temperaturabhängigen Transistorspannung. Mit steigender Temperatur ändern sich gewisse Materialeigenschaften des Halbleitermaterials Silizium, wodurch sich wiederum die Eigenschaften eines Siliziumtransistors ändern.
Die Temperatur kann dann anhand analoger oder digitaler Spannungswerte ausgelesen und weiterverarbeitet werden.
Durch die enorme Verbreitung von Halbleiterschaltungen und ihren kleinen Formfaktor finden diese Temperatursensoren Anwendung in vielen elektronischen Alltags- und Messgeräten.
Pyrometer (Strahlungsthermometer)
Jeder Körper, der eine Temperatur von über 0 K hat, emittiert Strahlung im Infrarotbereich (IR-Bereich). Die Intensität der abgestrahlten Energie ist dabei von der Temperatur T und vom Emissionsfaktor ε der jeweiligen Oberfläche abhängig.
Die physikalische Grundlage von Pyrometern bildet das Stefan-Boltzmann-Gesetz:
wobei σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, A die Oberfläche des Körpers und P die Gesamtstrahlungsleistung sind.
Die gemessene Energie einer IR-Strahlung kann dann in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Bei bekanntem Emissionsgrad der Oberfläche kann die Oberflächentemperatur so direkt berührungslos gemessen werden, wobei der Sensor genau auf die zu messende Oberfläche (den Messfleck) fokussiert sein muss und nur die zu messende Fläche erfassen darf. Hierzu braucht das Messgerät eine Optik mit einer IR-Linse. Zudem muss eben der Emissionsgrad der zu messenden Oberfläche bekannt sein und korrekt im Messgerät eingegeben werden.
Pyrometer können nach gemessenem Wellenlängenbereich unterschieden werden. Gesamtstrahlungsthermometer messen den gesamten Spektralbereich, Bandstrahlungsthermometer einen schmaleren Wellenlängenbereich und Spektralstrahlungsthermometer nur kleinste Frequenzbänder.
Infrarot-Strahlungsthermometer sind als fest zu verbauende Geräte oder in der Form von mobilen Messgeräten, wie in Abb. 68, erhältlich. Sie können mit Kalibrierstrahlern kalibriert und kontrolliert werden.
Abb. 68: Infrarot-Temperaturmessgerät mit Smartphonebedienung
Globe-Thermometer
Globe-Thermometer dienen der Bestimmung einer operativen (empfundenen) Raumtemperatur. Die vom Menschen empfundene Raumtemperatur ist das Mittel zwischen der Raumlufttemperatur und der Strahlungstemperatur aller Umgebungsflächen.
Globe-Thermometer werden als mattschwarze Hohlkugel realisiert, in deren Innerem die Temperatur gemessen wird (Abb, 69).
Abb. 69: Globe-Thermometer zur Bestimmung des thermischen Komforts
Die operative Temperatur liegt jeweils zwischen der Oberflächentemperatur der Kugel und der Lufttemperatur.
Globe-Thermometer werden beispielsweise zur Messung der Raumbezugstemperatur bei Leistungsmessungen an Kühldecken verwendet oder zur Messung von Komfortparametern in Büroräumen eingesetzt.
9.2.7 Durchfluss
Die Grösse der Durchflussrate (auch Volumenstrom oder Durchflussmenge) beschreibt, welches Volumen eines Mediums in einem gewissen Zeitabschnitt durch einen bestimmten Querschnitt (z.B. ein Rohr oder ein Kanal) fliesst. Der Volumenstrom wird typischerweise in l/s, m3/s oder m3/h gemessen.
Durchflussmesser messen diese Durchflussrate , während Durchflusszähler den zeitlich integrierten Volumenstrom messen. Letztere messen also das gesamte Volumen V des Mediums, das den jeweiligen Querschnitt über eine gewisse Zeitspanne durchfliesst.
Zur Messung und Zählung des Durchflusses können eine ganze Reihe verschiedener Messprinzipien angewendet werden. Hierbei sind gewisse Verfahren nur für Gase bzw. nur für Flüssigkeiten geeignet. Es existieren aber auch Verfahren, die für beide gleichermassen zum Einsatz kommen. Drosselgeräte können beispielsweise sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Gasen genutzt werden, während induktive Durchflussmesser bei Gasen nicht anwendbar sind.
Es gilt grundsätzlich zu beachten, dass der Durchfluss in beruhigten, geraden Leitungsstrecken gemessen werden sollte. Andernfalls können turbulente Strömungen die Messung verfälschen.
Im Folgenden werden einige verschiedene Verfahren zur Durchflussmessung und -zählung kurz beschrieben.
Drosselgeräte
Über einer Drosselstelle (Verengung) in einer Rohrleitung bildet sich eine Druckdifferenz (analog zu einer Potenzialdifferenz über einem elektrischen Widerstand). Dieser Druckunterschied kann zur Bestimmung des Volumenstroms ausgenutzt werden, indem ein Differenzdruckmessgerät eingesetzt wird.
Drosselgeräte sind sehr genau und eignen sich sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase.
Staudruckgeräte
Ähnlich dem Funktionsprinzip von Staudruckanemometern in der Luftgeschwindigkeitsmessung, können Staudruckrohre zur Messung der Fliessgeschwindigkeit eingesetzt werden. Mit dem Durchmesser des Rohrs kann dann der gesamte Volumenstrom berechnet werden.
Da die Fliessgeschwindigkeit über den Rohrquerschnitt nicht konstant ist, müssen Staudruck-Durchflussmessgeräte die Geschwindigkeit über den Querschnitt mitteln. Durch geschickte Messungen von Druckdifferenzen können Staudrucksonden nach dem Annubar-Prinzip die Fliessgeschwindigkeit analog über den Querschnitt mitteln. Andere Staudruck-Durchflussmessgeräte mitteln die Fliessgeschwindigkeit elektronisch. Die entsprechenden Materialparameter müssen hierzu wiederum korrekt gesetzt werden.
Gaszähler
Grundsätzlich können zwei Typen Gaszähler unterschieden werden:
Nasse Gaszähler (Trommel-Gaszähler) bestehen aus einer Trommel, die zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist und aus vier Kammern besteht. Durch geringen, einseitigen Gasüberdruck dreht sich die Trommel langsam um die eigene Achse. Unterdessen füllen und entleeren sich die Kammern. Nasse Gaszähler sind sehr genau, jedoch wegen der Flüssigkeitsfüllung wartungsintensiv.
Trockene Gaszähler (Balgen-Gaszähler) bestehen aus zwei Balgen, die sich in einem Metallgehäuse befinden. Diese Balgen aus einer künstlichen Membran (z.B. synthetischer Kautschuk) dienen als Messräume und werden abwechselnd gefüllt und wieder entleert. Die entstehende Bewegung wird anschliessend auf ein Zählwerk übertragen. Das zu messende Gas darf dabei den Werkstoff der Bälge nicht angreifen oder schädigen.
Abb. 70: Moderner Trommel-Gaszähler
Verdrängungszähler
Die oben beschriebenen Gaszähler sind Beispiele von Verdrängungszählern. Verdrängungszähler besitzen bewegliche Messkammern, die durch das Strömungsmedium in der jeweiligen Form angetrieben werden. Sie eignen sich im Allgemeinen für Kraftstoffe, Gase, Warm- und Kaltwasserkondensate.
Weitere Beispiele von Verdrängungszählern sind Hubkolbenzähler, Drehkolbenzähler, Ovalradzähler und Ringkolbenzähler.
Verdrängungszähler messen die Volumenströme unmittelbar, das heisst, das Messresultat muss nicht mit Korrekturfaktoren wie Gasart, Temperatur, Feuchte etc. korrigiert werden.
Bei Gas muss aber natürlich die Temperatur und Druck bekannt sein, wenn auf Normalkubikmeter umgerechnet werden soll.
Flügelradzähler
Im Gegensatz zu Verdrängungszählern besitzen Flügelradzähler (Abb. 71) keine Messkammern. Stattdessen wird ein Flügelrad von einer Flüssigkeit tangential angeströmt und in Rotation versetzt. Die Bewegung wird auf ein Zählwerk übertragen und der Volumenstrom dadurch zeitlich integriert. Diese Zähler werden zum Messen von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, verwendet.
Abb. 71: Aufbau eines Flügelradzählers
Turbinenzähler
Turbinenzähler (auch Woltman-Zähler, Abb. 72) haben eine ähnliche Funktionsweise wie die zuvor genannten Flügelradzähler. Statt eines klassischen Flügelrades besitzen Woltman-Zähler eine Turbine. Die Rotation der Turbine wird wiederum auf ein Zählwerk übertragen, um das Gesamtvolumen des durchströmenden Mediums über die Zeit zu ermitteln. Sie erzeugen nur geringe Druckverluste und eignen sich deshalb auch zur Messung grösserer Volumenströme, wie sie beispielsweise in grossen Hauptwasserleitungen zu finden sind.
Abb. 72: Woltman-Zähler
Schwebekörper-Durchflussmesser
Schwebekörper-Durchflussmesser bestehen in ihrer einfachsten Ausführung aus einem Messkonus, in dem sich ein Schwebekörper (typischerweise aus Metall) befindet. Das bewegte Fluidvolumen, welches den Messkonus durchströmt, hebt den Schwebekörper im Messkonus nach oben. Der Hub des Schwebekörpers ist proportional zum Fluidstrom. Bei transparent ausgeführten Schwebekörper-Messgeräten kann der Durchfluss optisch kontrolliert werden.
Schwebekörper-Durchflussmesser sind sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten geeignet. Ein Nachteil ist, dass sie für das jeweilige Medium neu kalibriert werden müssen.
Ultraschall-Durchflussmesser
Zur Messung von Fluidströmen in ganz- oder teilgefüllten Leitungen können akustische Wellen eingesetzt werden. Dadurch, dass diese Messgeräte aussen an der Leitung angebracht werden, ist ihre Wartung relativ einfach und sie verursachen keinen Druckabfall in der Leitung. In der Praxis wird meistens entweder das Doppler- oder das Laufzeit-Ultraschallverfahren eingesetzt.
Um das Dopplerverfahren anwenden zu können, muss das Fluid kleine Verschmutzungen oder Luftbläschen enthalten, die als Reflexionspunkte der akustischen Wellen dienen. Ein Ultraschallsender emittiert akustische Wellen in das Medium, die Wellen werden an den Unreinheiten reflektiert und schliesslich mit einem Ultraschallsensor wieder empfangen. Durch die Frequenzverschiebung zwischen gesendeten und empfangenen Wellen kann auf die Geschwindigkeit der Partikel im Fluid rückgeschlossen werden (Dopplereffekt).
Die Laufzeit akustischer Wellen in Strömungsrichtung ist kleiner als die Laufzeit entgegen der Strömung. Die Laufzeitdifferenzmessung (Abb. 73) nutzt diese Eigenschaft, um aus der Laufzeitdifferenz zweier akustischer Wellen, die einmal mit und einmal gegen den Strom propagieren, auf die Fluidgeschwindigkeit zu schliessen. Dieses Messprinzip eignet sich am besten für möglichst homogene Medien.
Abb. 73: Ultraschallverfahren zur Durchflussmessung
Für beide Verfahren werden heute digitale Signalprozessoren zur Bestimmung der Frequenz- bzw. Phasenverschiebung genutzt. Aus der gemessenen Fluidgeschwindigkeit kann der Volumenstrom mit Kenntnis des Leitungsquerschnitts leicht berechnet werden. Der innere Leitungsquerschnitt muss also bekannt sein und im Gerät korrekt eingegeben werden. Insbesondere bei alten, verkrusteten Leitungen kann eine Falschmessung entstehen, wenn der ursprüngliche statt der aktuell vorhandene Querschnitt eingegeben wird.
Magnetisch-induktive Durchflussmesser
Das Induktionsverfahren eignet sich für die Durchflussmessung bei Fluiden, die eine gewisse Leitfähigkeit aufweisen. Zwei Spulen aussen an einem Messrohr aus nicht magnetischem Metall in der Rohrleitung erzeugen ein Magnetfeld, welches das Medium senkrecht zur Fliessrichtung durchströmt. Zwei gegenüberliegende Elektroden, die senkrecht zum Magnetfeld und zur Fliessrichtung am Rohr angebracht sind, messen die induktiv erzeugte Spannung im Medium.
Durch die Leitfähigkeit des Fluids verhält es sich wie eine bewegte elektrische Ladung, also wie ein elektrischer Strom. Der Hall-Effekt wird genutzt, um die Strömungsgeschwindigkeit mittels einer gemessenen Hall-Spannung zu berechnen.
Die zur Funktion nötige Mindestleitfähigkeit wird von den meisten Flüssigkeiten erreicht, kann jedoch gerade im Fall von Heizwasser ungenügend sein.
Wie auch im Fall von Ultraschalldurchflussmessungen hat dieses Verfahren eine hohe Messgenauigkeit und verursacht keinen Druckverlust im System. Es ist auch für aggressive Medien anwendbar. Die zu messenden Flüssigkeiten dürfen aber innen am Messrohr keine Ablagerungen verursachen, da dies über die Zeit zu einem Messfehler führen würde.
9.2.8 Wärme
Die Wärmeenergie Q mit der SI-Einheit Joule (J) ist eine der wichtigsten Messgrössen im Energiemanagement. Die Messung der Wärmeenergie ist zur verbrauchsabhängigen Heizkostenabrechnung vorgeschrieben und die erforderliche Genauigkeit und Eichpflicht von Wärmemessgeräten ist gesetzlich verankert. Die Angabe erfolgt in diesem Zusammenhang gebräuchlich in Megawattstunden (MWh) oder Gigajoule (GJ). Es gilt 1 MWh = 3,6 GJ.
Im Folgenden wird erklärt, wie Wärmezähler und Heizkostenverteiler realisiert und eingesetzt werden können.
Wärmezähler
Wärmezähler, wie in Abb. 74, sind Messgeräte zur Bestimmung der Wärmeenergie, die einem Verbraucher im Heizkreislauf zugeführt wird. Sie bestimmen den Volumenstrom und die Enthalpiedifferenz zwischen Vor- und Rücklauf eines Heizkreislaufs und berechnen daraus die jeweilige Wärmeenergie.
Abb. 74: Kompaktwärmezähler
Der Volumenstrom kann beispielsweise mit Flügelradzählern oder einem Drosselgerät bestimmt werden. Die Enthalpiedifferenz kann bei bekannter Dichte und spezifischer Wärmekapazität des Mediums mittels der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf errechnet werden (Abb. 75). Das zu messende Medium muss im Rechenwerk des Wärmezählers korrekt eingegeben werden.
Abb. 75: Schematische Darstellung eines Wärmezählers
Die Enthalpiedifferenz wird mit dem gemessenen Volumenstrom multipliziert, um die Wärmeleistung (z.B. in kW) zu bestimmen. Durch zeitliche Integration der Wärmeleistung erhält man schliesslich die dem Verbraucher zugeführte Wärmeenergie.
Heizkostenverteiler
Heizkostenverteiler dienen der Ermittlung eines jeweiligen Anteils am Gesamtwärmeverbrauch. Sie sind keine Wärmemessgeräte im eigentlichen Sinne, da keine Volumenströme gemessen werden.
Sie werden an einem Heizkörper befestigt, wo sie nach dem Verdunstungsprinzip oder durch kontinuierliche Temperaturmessungen den Wärmeverbrauch abschätzen. Durch den Vergleich verschiedener baugleicher Heizkostenverteiler am Heizkreislauf kann der relative Wärmeenergiebezug des jeweiligen Verbrauchers ermittelt werden.
Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip bestehen aus einem Rückteil aus Metall, einem Messröhrchen, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, und einer Strichskala zur Ablesung des Füllstandes im Röhrchen. Im Lauf einer Heizperiode verdunstet die Flüssigkeit im Röhrchen langsam, wobei die Menge der verdunsteten Flüssigkeit als Mass für die vom Heizkörper abgegebene Wärmemenge angenommen wird.
Abb. 76: Elektronischer Funk-Heizkostenverteiler mit LCD
Dieses Verfahren ist kostengünstig, hat jedoch den Nachteil, dass eine manuelle Ablesung vor Ort erforderlich ist und die Ampullen jährlich gewechselt werden müssen. Zusätzlich ist bei dieser Methode mit einem Verteilfehler von 5 % bis 10 % zu rechnen. Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip sind heute veraltet und werden kaum mehr hergestellt. Sie eigenen sich nur für Heizungssysteme mit hoher Vorlauftemperatur.
Elektronische Heizkostenverteiler sind im Allgemeinen Temperaturmessgeräte am Heizkörper und/oder im beheizten Raum. Einfühlgeräte messen lediglich die Heizkörpertemperatur, Zweifühlgeräte messen sowohl die Heizkörpertemperatur als auch die Raumlufttemperatur und Dreifühlgeräte messen zusätzlich die Vor- und Rücklauftemperatur im Heizkreislauf. Auch elektronische Heizkostenverteiler messen den Wärmeverbrauch nicht direkt, sondern nur eine Vergleichsgrösse. Um die Wärmeabgabe zu schätzen, muss auch die Art und Grösse des Heizkörpers bekannt sein, an dem der Heizkostenverteiler befestigt ist.
Bei elektronischen Heizkostenverteilern ist der Verteilfehler mit 0 % bis 5 % geringer als bei Heizkostenverteilern nach dem Verdunstungsprinzip. Zusätzlich ermöglicht eine elektronische Messung weitere Zusatzfunktionen wie die Speicherung der Messwerte oder eine Fernablesung über Funk. In der Regel sind sie mit Batterien betrieben, welche von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden müssen.
9.2.9 Wärmedämmung (U-Wert)
Der Wärmedurchgangskoeffizient U quantifiziert, wie viel Wärmestrom (pro Temperaturdifferenz) von einem wärmeren Fluid durch ein Bauteil in ein kälteres Fluid fliessen kann. Er ist von den Wärmeleitfähigkeiten der im Bauteil verwendeten Materialien, dessen Oberfläche, Dicke und Geometrie abhängig. Es gilt: Je kleiner der Wärmedurchgangskoeffizient eines Bauteils, desto besser seine Wärmedämmung.
Die Berechnung eines repräsentativen U-Werts kann sich schwierig gestalten. Wärmedurchlasskoeffizienten von Baustoffen werden auf Anforderung der Hersteller von Materialforschungs- und Prüfanstalten mittels komplexer Messeinrichtungen bestimmt. Um die Qualität der Wärmeisolation eines Gebäudes zu beurteilen, gibt es aber noch weitere Methoden, die eine Messung vor Ort erlauben. Im Folgenden wird zuerst die Gebäudethermografie erklärt, die zu einem gewissen Mass helfen kann, Schwachstellen in der Wärmedämmung zu identifizieren. Anschliessend wird die Wärmeflussmethode zur Bestimmung des eigentlichen U-Werts eines Bauteils beschrieben.
Gebäudethermografie
Die Thermografie ist ein Verfahren zur Visualisierung von Oberflächentemperaturen. Im Anwendungsfall der Gebäudethermografie kann sie genutzt werden, um Energieverluste an Gebäuden aufzudecken und deren Wärmeisolation zu überprüfen. In Abb. 77 ist das Ergebnis einer Bauthermografie abgebildet.
Abb. 77: Bauthermografie einer gedämmten und einer noch ungedämmten Doppelhaushälfte
Die von einer Oberfläche abgegebene Infrarotstrahlung kann von einer Infrarotkamera aufgenommen und als Falschfarbenbild dargestellt werden. Jede jeweilige Farbe stellt dabei eine bestimmte Temperatur dar.
Die IR-Thermografie ist äusserst anfällig für Störungen, was bei unsachgemässer Ausführung zu erheblichen Messfehlern führen kann. Erfolgreiche Aussenaufnahmen können nur erfolgen, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
Kein momentanes oder kürzlich eingestrahltes Sonnenlicht auf der Gebäudeaussenfläche (dies verfälscht die Oberflächentemperatur).
- Es muss möglichst windstill sein.
- Gebäudeoberflächen müssen beim Aufnehmen schneefrei und trocken sein.
- Nebel, Schneefall oder Regen müssen während der Messung vermieden werden.
- Die Differenz zwischen Innen- und Aussentemperatur sollte zwölf Stunden lang mindestens 15 °C betragen und darf sich währenddessen um höchstens 30 % verändern.
- Der Himmel muss bedeckt sein.
Diese Voraussetzungen für eine erfolgreiche Gebäudethermografie sind oft nur an wenigen Tagen im Jahr erfüllt. In der Praxis wird meist früh morgens gemessen. Hochnebel oder Bewölkung verhindern, dass Wärme von der Fassade gegen das All abgestrahlt werden kann und die Messwerte erheblich verfälscht.
Für die Gebäudethermografie müssen die Emissionsgrade ε der abgebildeten Materialien bekannt sein. An der Wärmebildkamera kann nur ein Emissionsgrad pro Bild eingestellt werden. Meist wird der Wert für die Fassadenbekleidung eingegeben, was zwangsläufig zu Fehlern führt. Die Oberflächentemperatur von Kupfer und Glas wird deswegen meist falsch ausgewertet. Die Auswertung einer Thermografie kann daher nur für bestimmte Oberflächen korrekt erfolgen. Auflösungen im Zehntel-Grad-Bereich sind mit Thermografie nicht möglich.
Mit der Thermografie können auch Luftundichtheiten, die zu Wärmeverlust in Gebäuden führen, erkannt werden. Zudem können Baumängel (z.B. Wärmebrücken) oder -schäden (z.B. aufgrund durchfeuchteter Aussenwände) sichtbar gemacht werden.
Abb. 78: Durchflussmessung mit der Wärmeflussmethode
Thermografie kann mit Innenaufnahmen helfen Stellen zu finden, wo eine Durchfeuchtungs- oder Schimmelgefahr droht, oder es werden kalte Oberflächen sichtbar, die zu Komfortproblemen führen können. Bei wärme- oder kältetechnischen Anlagen können mangelhaft insolierte Stellen erkannt werden. Bei elektrotechnischen Anlagen und Tableaus können erwärmte Klemmen oder andere Stellen erkannt werden, wo ein unzulässiger Widerstand zu Brandgefahr oder Störungen führen könnte.
Wärmeflussmethode
Bei der Wärmeflussmethode zur Messung des U-Werts vor Ort werden ein Wärmefluss- und zwei Temperatursensoren eingesetzt.
Zuerst wird das Bauteil (z.B. eine Aussenwand) identifiziert, dessen Wärmedurchgangskoeffizient gemessen werden soll. Der Wärmeflusssensor und einer der Temperatursensoren werden nun an einer geeigneten Stelle im Gebäudeinnern am Bauteil befestigt. Der zweite Temperatursensor wird an der entsprechenden Stelle auf der Aussenwand platziert.
Über entsprechende Software (z.B. auf einem Laptop) kann nun die Messung gestartet werden und die Messdaten können ausgewertet werden. Die Messdauer sollte bei dieser Methode gemäss der Standards ISO 9869, ASTM C1046 und ASTM C1155 mindestens 72 Stunden betragen.
Temperaturunterschiede von 5 °C reichen bei der Wärmeflussmethode bereits aus, um den U-Wert an einer Gebäudehülle zuverlässig und genau zu messen, ohne dabei das Material zu beschädigen.35
9.2.10 Luftdichtheit (Blower-Door-Test)
Die Luftdichtheit eines Gebäudes wird mit dem nL50-Wert und seltener mit dem w50-Wert angegeben. Beide geben ein Mass für die Luftdichtheit bei einer Druckdifferenz von 50 Pa zwischen Gebäudeinnerem und -äusserem an.
Der nL50-Wert beschreibt, wie oft das Innenraumvolumen pro Stunde umgesetzt wird, während der w50-Wert den Luftstrom in m3 · h-1 angibt, der pro Quadratmeter Geschossfläche ausgetauscht wird. Für Minergie-P-Häuser (Passivhäuser) ist eine Luftdichtheit von nL50 < 0,6 h-1 und deren Messung vorgeschrieben.
Blower-Door-Test (Differenzdrucktest)
Die Luftdichtheit eines Gebäudes kann mit der Blower-Door-Methode gemessen werden, die in Abb. 79 illustriert ist.
Abb. 79: Schema eines Blower-Door-Tests
Die Eingangstüre wird durch eine «Blower-Door» ersetzt. Dieser Ventilator erzeugt im Gebäude einen Unterdruck von 50 Pa. Über eine Messblende vor oder nach dem Ventilator wird gleichzeitig das dabei strömende Luftvolumen gemessen. Nach kurzer Zeit entspricht dieser Luftstrom genau der Aussenluft, die durch Undichtheiten in das Gebäudeinnere einströmt. Mit dem Volumen des getesteten Gebäudes kann so der Luftwechsel berechnet werden.
Um eine akkurate Messung zu erhalten, müssen hierbei natürlich alle Fenster und Aussentüren geschlossen sein. Ebenso müssen andere Öffnungen, wie die Rauchklappe in einem Cheminée, berücksichtigt werden. Abluftanlagen (z.B. in der Küche oder im Bad) müssen ausgeschaltet sein und Kellertüren oder Türen zu unbeheizten Nebenräumen (z.B. Garage) müssen geschlossen sein. Alle anderen Innentüren bleiben beim Blower-Door-Test offen.
Eine Luftdichtheitsmessung über die Blower-Door-Methode wird heute von einigen spezialisierten Firmen angeboten.
9.2.11 Luftgeschwindigkeit
Die Luftgeschwindigkeit kann beispielsweise zur Einschätzung des Komforts im Raum (bezüglich Zugluft) oder zur Überwachung einer Lüftungsanlage eingesetzt werden. Zur Messung von Luftgeschwindigkeit im Raum werden Anemometer verwendet. Im Folgenden sind einige Messprinzipien verschiedener Anemometer zu finden.
Staudruckanemometer
Staudruckanemometer messen den Differenzdruck zwischen statischem Umgebungsdruck und dem Gesamtdruck, der neben statischem Druck auch den Luftströmungsdruck beinhaltet. Da der Luftströmungsdruck abhängig von der Luftgeschwindigkeit ist, kann durch eine Differenzdruckmessung auf Letztere geschlossen werden.
Abb. 80: Digitales Staudruckanemometer
Eine Staudrucksonde (auch Pitotrohr) ist ein einseitig offenes Rohr, das zur Messung des Gesamtdrucks eines Fluids eingesetzt wird. Zur Differenzdruckmessung bestehen sogenannte Prandtlsonden aus einer Staudrucksonde und aus einer zusätzlichen statischen Drucksonde. Prandtlsonden werden aufgrund der niedrigen Luftgeschwindigkeiten eher selten zur Messung der Raumluftgeschwindigkeit verwendet, können aber, wie im Teilkapitel «Durchfluss» beschrieben, zur Volumenstrommessung in Luftkanälen genutzt werden.
Thermisches Anemometer
Thermische Anemometer (auch Hitzdrahtanemometer) verwenden einen elektrisch beheizten RTD als Sensorelement. Durch die Luftbewegungen wird dieser Temperaturmesswiderstand gekühlt und ändert seinen elektrischen Widerstand.
Zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit kann entweder der Strom oder die Temperatur des Sensors konstant gehalten werden. Bei konstantem Strom wird die Luftgeschwindigkeit durch eine Widerstandsmessung bestimmt, bei konstanter Temperatur dient der erforderliche Heizstrom als Indikator für die Luftgeschwindigkeit.
Abb. 81: Hitzdrahtanemometer für Strömungsmessungen in der Klimatechnik
Flügelradanemometer
Die wahrscheinlich bekanntesten Flügelradanemometer sind die in der Meteorologie verwendeten Schalenkreuzanemometer. Wie ihr Name es vermuten lässt, besitzen Flügelradanemometer ein Flügelrad zur Messung der Luftgeschwindigkeit. In Abb. 82 wird ein typisches mobiles Flügelradanemometer gezeigt.
Abb. 82: Flügelradanemometer zur Messung von Luftströmungen mit integrierten Temperatur-, Luftfeuchte und CO2-Sensoren
Die Umwandlung der Drehbewegung des Flügelrads in ein elektronisches Signal kann auf verschiedene Arten erfolgen:
- Ein eingebauter Gleichstromgenerator erzeugt eine Spannung, die mit einem Voltmeter abgelesen und anschliessend in eine Geschwindigkeit umgerechnet wird.
- Ein Induktivgeber erzeugt eine Frequenz, die zu einem elektrischen Normausgangssignal gewandelt wird.
Die Drehzahl des Flügels wird durch Lichtschranken abgetastet und gezählt.
Rauchgasröhrchen
Mit Rauchgasröhrchen können Luftströmungen auf einfache Art sichtbar gemacht werden. Eine rauchende Substanz im Röhrchen (z.B. rauchende Schwefelsäure) erzeugt einen weissen Rauch, der sich mit der vorhandenen Luftströmung bewegt.
Rauchgasröhrchen eignen sich nicht zu einer genauen Geschwindigkeitsmessung, sondern dienen vor allem der Sichtbarmachung von Luftströmungen, deren Turbulenz und der Verteilung der Luftverunreinigungen im Raum.
9.2.12 Luftfeuchtigkeit
Die Luftfeuchtigkeit ist ein wichtiger Faktor der Raumluftqualität. Zudem kann eine andauernde übermässig hohe Luftfeuchtigkeit in gewissen Fällen zu Schimmelbildung und zu Beschädigungen von Aussenwänden führen. Durch Luftfeuchtigkeitsmessungen können diese Folgen verhindert werden.
Bei der Messung der Luftfeuchtigkeit wird zwischen der absoluten und der relativen Luftfeuchtigkeit unterschieden:
Die absolute Luftfeuchtigkeit ist die Masse des Wasserdampfs in einem bestimmten Volumen. Sie wird oft in g · cm-3 oder g · kg-1 gemessen.
Die relative Luftfeuchtigkeit, gemessen in Prozent, beschreibt das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck der Luft und dem Sättigungsdampfdruck über einer Wasseroberfläche.
Bei der Luftfeuchtigkeitsmessung kommen Hygrometer zum Einsatz. Einige Beispiele von Hygrometern werden im Folgenden kurz erklärt.
Haarhygrometer
Entfettete Haare (und andere hygroskopische Stoffe) haben die Eigenschaft, ihre Länge mit der relativen Luftfeuchtigkeit zu ändern. In Haarhygrometern wird diese Längenänderung mechanisch umgesetzt, um die relative Luftfeuchtigkeit auf einer entsprechenden Skala anzuzeigen.
Haarhygrometer müssen regelmässig kalibriert und bei andauernd niedriger Luftfeuchtigkeit auch durch Befeuchtung regeneriert werden. Sie sind reine Anzeigeelemente, können aber eine Messgenauigkeit bis auf ±3 % erreichen.
Resistive Hygrometer
Zur Messung wird in resistiven Hygrometern (auch Leitfilmhygrometer) ein Kunststoffplättchen verwendet, das mit einem hygroskopischen Material beschichtet ist. Die Leitfähigkeit der hygroskopischen Schicht ist von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängig.
Kapazitive Hygrometer
Bei der kapazitiven Feuchtemessung wird eine hygroskopische Folie zwischen zwei Elektroden platziert. Durch eine Veränderung der Luftfeuchte verändert sich die Kapazität dieses Kondensators. Die Luftfeuchtigkeit kann so durch eine Messung der Kapazität bestimmt werden.
Wägemethode
Kalziumchlorid, Schwefelsäure und andere hygroskopische Stoffe können genutzt werden, um Wasserdampf aus der Luft zu absorbieren. Die absorbierte Wassermenge wird gewogen und die entsprechende Luftmenge mit einem Gaszähler gemessen. Aus diesen Grössen kann dann die relative Feuchtigkeit bestimmt werden.
Psychrometer
Ein Psychrometer besteht aus zwei Thermometern, von denen das eine die Temperatur der Raum- oder Umgebungsluft und das andere mit Feuchtigkeit gesättigte Luft misst. Die relative Luftfeuchtigkeit kann so durch die Temperaturdifferenz der beiden Thermometer bestimmt werden.
9.2.13 Luftqualität (CO2, VOC, Partikel und Radon)
Eine kontinuierliche Messung der Luftqualität ist die Voraussetzung für eine bedarfsgerechte Raumlüftung. Komfort und Luftwechsel (und damit Energieverbrauch) können mithilfe von Messdaten optimiert werden. Die Art der Luftverunreinigung entscheidet dabei, welcher Sensor am besten geeignet ist.
Abb. 83: Messgerät zur Überwachung der CO2-Konzentration in Gebäuden
In einem Restaurant kann beispielsweise CO2 nicht als einziger Indikator für die Luftqualität verwendet werden, da die Luft vor allem durch die Geruchsentwicklung der Speisen belastet ist. Hier ist ein Mischgas- resp. VOC-Sensor das Richtige. In einem Hörsaal hingegen ist der CO2 -Gehalt ein guter Indikator für die Luftqualität.
Im Folgenden werden einige Indikatoren für die Luftqualität und deren Messung beschrieben.
CO2-Messungen
CO2 wird bekanntlich vom Menschen bei der Atmung ausgestossen und kann sich bei ungenügender Lüftung in Innenräumen anreichern. Schon bei relativ geringen CO2 -Konzentrationen von 800 ppm bis 1500 ppm kann es zu Befindlichkeitsstörungen in Bezug auf die Innenluft kommen. Messungen des CO2 -Gehalts können elektrochemisch oder mit einer Kombination aus IR-Diode und -Detektor erfolgen.
VOC-Messungen
Flüchtige organische Verbindungen, kurz VOCs (volatile organic compounds), sind im Allgemeinen bei Zimmertemperatur gasförmige organische Verbindungen. Den grössten Anteil der durch Menschen freigesetzten VOCs bilden Lösemittel, Kältemittel und Abgase im Strassenverkehr.
In der Innenluft können speziell auch Bau- und Kunststoffe, Körpergerüche und der Tabakkonsum Quellen von VOCs sein. Wo vor allem diese Luftverunreinigungen die Innenluftqualität beeinflussen, werden VOC- resp. Mischgassensoren angewendet.
Abb. 84: Multifunktionsgerät zur Messung von VOC- und CO2-Konzentration, Temperatur, Luftfeuchte und Schallpegel in Innenräumen
VOCs werden heute meist mit integrierten elektrochemischen Sensoren gemessen.
Partikelzähler
Partikelzähler für Innenräume können genutzt werden, um die Qualität von Filtern zu überprüfen, die Innenluftqualität in industriellen Räumen zu messen oder die Luftqualität in Reinräumen zu kontrollieren. Mit modernen Geräten kann die Verteilung der Partikel nach Grösse gemessen werden. Gleichzeitig werden Lufttemperatur und Luftfeuchte gemessen. Die Daten der Luftproben können gespeichert und ausgelesen werden, um sie weiter verarbeiten zu können.
Abb. 85: Partikelmessgerät zur Überwachung der Feinstaubbelastung
Radonmessung
Radon ist ein natürliches radioaktives Edelgas, das im Untergrund beim Zerfall von Uran entsteht. Die Radonkonzentration wird in Becquerel pro Kubikmeter (Bq · m-3) gemessen, wobei ein Becquerel einem radioaktiven Zerfall pro Sekunde entspricht.
Aufgrund der geologischen Beschaffenheiten ist Radon an vielen Standorten ein Problem. Es kann durch undichte Stellen in der Gebäudehülle in Häuser eindringen, speziell dann, wenn beheizte Luft nach oben steigt. So entsteht eine Sogwirkung und es zieht Radon aus dem Keller in das Gebäudeinnere.
Abb. 86: «Smartes» Radonmessgerät mit VOC- und CO2-Sensoren
Weil Radon durch seine Radioaktivität die zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs ist, sind Radonmessungen und entsprechende Massnahmen gegen eine Ansammlung des Gases wichtig. Eine Radongefährdungskarte der Schweiz und ein Onlinecheck, ob eine Messung zu empfehlen ist, findet sich auf der Website des BAG. 36
Auf www.radonhaus.ch finden sich weitere Informationen zu Radon und Massnahmen bei Radonbelastung.
Das am Weitesten verbreitete Verfahren zur direkten Radonmessung ist das Diffusionskammerverfahren. Das Radongas in der Luft diffundiert durch einen Filter in eine Messkammer. Im Innern dieser Kammer misst beispielsweise ein Halbleiterstrahlungsdetektor die Zerfallsprodukte des Radons und erlaubt so, auf die Radonkonzentration in der Luft rückzuschliessen. 37
Ein anders, häufig angewendetes Verfahren sind Messdosen, welche eine Zeit lang im Winter in zu messenden Räumen aufgestellt werden und die Radongas absorbieren. Nach einer definierten Zeit müssen die Dosen in ein Labor eingesendet werden, um dort ausgewertet zu werden. Damit kann die mittlere Radonbelastung in einem Raum bestimmt werden.
Abb. 87: Exposimeter zur Langzeitmessung der Radonkonzentration
9.2.14 Druck
Wirkt eine gewisse Kraft F auf eine Fläche A, ergibt sich ein Druck
Die üblichen Einheiten in der Druckmessung sind das Bar (bar) und das Pascal (Pa), wobei 1 bar = 105 Pa gilt. Die Druckmessung liegt der Funktionsweise einiger Messgeräte aus den vorangehenden Teilkapiteln zugrunde (z.B. bei Staudruckanemometern und bei Drosselgeräten zur Volumenstrombestimmung). Hier soll nochmals kurz auf Druckmessgeräte (Manometer) eingegangen werden.
Druckmessungen können grundsätzlich in Absolut- und Differenzdruckmessungen eingeteilt werden.
Bei Differenzdrücken handelt es sich um Unterschiede beliebiger zwei Drucke. Oft wird hier auch der Begriff des Relativdrucks verwendet, der sich in der Regel auf den atmosphärischen Luftdruck bezieht.
Bei Absolutdrücken ist der Bezugspunkt Null, was einem drucklosen Vakuum entspricht.
Bei der Messung von Drücken kann ebenfalls zwischen unmittelbaren und mittelbaren Messgeräten unterschieden werden. U-Rohr-Manometer und Federmanometer sind unmittelbare Druckanzeigeelemente, während elektrische Manometer über Sensoren und Messumwandler arbeiten. Am Beispiel von Differenzdruckmessgeräten zur Messung eines Filterdrucks ist auch eine Kombination beider Komponenten möglich.
U-Rohr-Manometer
U-Rohr-Manometer (Abb. 88) bestehen aus einem gebogenen Glasrohr, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Wenn sich die Drücke an den beiden Enden des U-Rohrs unterscheiden, stellen sich unterschiedliche Flüssigkeitshöhen in den beiden Schenkeln ein. Hieraus kann der entsprechende Differenzdruck berechnet werden.
Abb. 88: Schematische Darstellung eines U-Rohr-Manometers
Federmanometer
Bei der Druckmessung mit Federmanometern (Abb. 89) kommen metallische Federn verschiedener Art zum Einsatz. In Federmanometern bewirkt die Druckkraft auf einer Membran die Auslenkung dieser Federn.
Federmanometer sind kostengünstige und robuste Messgeräte. Sie werden mit Flüssigkeitsmanometern geeicht.
Abb. 89: Rohrfedermanometer
Elektrische Manometer
Elektrische Drucksensoren können auf mehrere Arten realisiert werden. Heutzutage werden sie oft in der Form von elektromechanischen Mikrosystemen eingesetzt. Hier sollen der kapazitive und der piezoresistive Drucksensor kurz näher erläutert werden.
Kapazitive Drucksensoren sind in ihrer Funktion variable Luftspaltkondensatoren. Ihre beiden Elektroden werden durch einen Luftspalt getrennt, in dem sich eine Membran befindet. Besteht zwischen den beiden Seiten der Membran eine Druckdifferenz, bewegt sich die Membran aus ihrer Symmetrielage, wodurch sich die Kapazität ändert. Dieses Messprinzip wird beispielsweise auch in kapazitiven Touchscreens verwendet.
In piezoresistiven Drucksensoren wird der piezoelektrische Effekt genutzt. Ein piezoresistives Material ändert seinen Widerstand in Abhängigkeit des wirkenden Drucks. Ist dieser elektrische Widerstand Teil einer Messbrücke, kann die Widerstandsänderung leicht gemessen und daraus auf den Druck rückgeschlossen werden.
Abb. 90: Digitalmanometer mit LCD
9.2.15 Schall
Mit Schall ist in der Umgangssprache die Summe der vom Menschen wahrnehmbaren Geräusche, Klänge und Töne gemeint. Es kann zwischen Nutzschall (Gesprächsinhalt, Hinweistöne, Musik, usw.) und Störschall (z.B. Strassen- oder Maschinenlärm, Stimmen im Hintergrund) unterschieden werden. Schallwellen sind im Grunde Druckschwankungen oder mechanische Deformationen, die in einem Medium propagieren. Verglichen mit dem statischen Druck der Atmosphäre sind diese Druckschwankungen in der Luft jedoch typischerweise sehr klein.
Eine wichtige Grösse in der Akustik ist der Schalldruck in Pascal (Pa). Sofern eine sinusförmige Wechselgrösse ist, kann ihm ein Effektivwert von zugewiesen werden. Über diesen Effektivwert definiert sich dann der relative Schalldruckpegel Lp in Dezibel (dB):
wobei P0=2 ·10-5 Pa als die menschliche Hörschwelle bei einer 1 kHz Sinusschwingung definiert ist. In SIA 181 (2020) und in DIN 4109-1 sind die Mindestanforderungen an den Schallschutz im Hochbau festgelegt.
Zur Schallmessung werden Mikrofone verwendet, bei denen es sich im Prinzip um Wechseldruckmessgeräte handelt. Die gängigsten Sensoren basieren auf elastischen Membranen, die sich mit dem Wechseldruck bewegen und die (z.B. kapazitiv) in ein elektrisches Signal gewandelt werden können.
Abb. 91: Digitales Schallpegelmessgerät mit Datenspeicher und USB-Schnittstelle
9.2.16 Füllstand
Mit einer Füllstandsmessung kann der Füllstand eines Behälters bestimmt werden. Die Angabe kann in Prozent, als Volumen, Höhe oder als Masse erfolgen. Wichtig zu erwähnen ist, dass bei Tanks mit Treibstoffen oder bestimmten Chemikalien eine gasexplosionsgefährdete Atmosphäre entstehen kann. Ebenfalls eine Explosionsgefahr kann bei Holzschnitzelsilos infolge von Gärgasen oder bei Holzpellets infolge Staub entstehen. Messgeräte im Inneren von Tanks oder Silos dürfen in diesem Fall keine Zündquellen erzeugen (siehe «Praktische Anforderungen an Messgeräte»).
Schauglas
Mit einem Schauglas im Behälter selber oder in einem Parallelbehälter kann auf einfache Weise eine optische Füllstandsmessung durchgeführt werden.
Schwimmer
Ein Schwimmkörper gibt den Füllstand im Flüssigkeitstank an, wobei unterschiedliche Arten von Einbau und Ablesung möglich sind. Schwimmer können auch für Alarmvorrichtungen verwendet werden, welche melden, wenn ein bestimmter Füllstand, z.B. der Maximalfüllstand, erreicht wird. Dazu wirkt der Schwimmer wie ein Schalter, der umgelegt wird, wenn ein bestimmter Füllstand erreicht wurde. Auf diese Weise kann auch eine (diskrete) Füllstandsanzeige realisiert werden.
Verdrängungsprinzip
Wird ein Verdrängungskörper in eine Flüssigkeit eingebracht, entsteht eine Auftriebskraft, die proportional zur Dichte des verdrängten Mediums und des verdrängten Volumens ist. Steigt der Füllstand, steigt auch das verdrängte Volumen und die Auftriebskraft wird grösser. Mit einer Messung der Auftriebskraft kann somit der Füllstand bestimmt werden.
Einperlprinzip
Ein dünnes Rohr wird in einen Tank eingelassen und ein Gasdruck angelegt, der gerade so hoch ist, dass die Flüssigkeitssäule verdrängt wird und Blasen entstehen. Der Gasdruck im Rohr entspricht dadurch dem hydrostatischen Druck im Tank. Weil der hydrostatische Druck im Tank proportional zur Füllhöhe ist, kann somit der Füllstand bestimmt werden.
Hydrostatische Druckmessgeräte
Bei der hydrostatischen Druckmethode werden der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule und der Gasdruck im Tank direkt gemessen. Bei bekannter Dichte des Mediums kann aus der Differenz der beiden Drücke der Füllstand bestimmt werden.
Wägeprinzip
Der gesamte Behälter wird auf Wägezellen montiert. Bei bekannter Dichte des Mediums (und des Leergewichts des Behälters) kann dadurch das Füllvolumen im Tank resp. im Silo bestimmt werden.
Leitfähigkeitsmessung
Im Tank befindet sich eine Sonde, die die Leitfähigkeit zwischen der Sonde und der Behälterwand misst. Bei hohen Füllständen ist ein grösserer Teil der Sonde von der Flüssigkeit bedeckt und die Leitfähigkeit ist höher (bzw. der elektrische Widerstand geringer). Ist die Behälterwand nicht leitfähig, kommt eine zweite Sonde als Gegenpotenzial zum Einsatz.
Diese Methode setzt voraus, dass das Medium eine genügend hohe Leitfähigkeit besitzt.
Kapazitive Füllstandsmessung
Eine Sonde im Tank und der Behälter bilden einen Kondensator, an den ein Wechselstrom angelegt wird. Ist die relative Dielektrizitätskonstante des zu messenden Mediums bekannt, kann aus der resultierenden Kapazität der Füllstand bestimmt werden.
Strahlungsdämpfungsprinzip
Bei der Strahlungsdämpfungsmethode wird ein Signal von einem Sender abgegeben, das von einem Empfänger detektiert wird. Befindet sich ein Medium zwischen Sender und Empfänger, wird das Signal vom Medium absorbiert und gelangt gedämpft zum Empfänger.
Das Verfahren kann auf Mikrowellen- oder Gammastrahlung basieren. Bei kritischen Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur oder Aggressivität des Mediums ist die Verwendung von Gammastrahlung von Vorteil, da sie die Hülle des Behälters durchdringt und die Messvorrichtung somit ausserhalb des Behälters installiert werden kann.
Ultraschallmessung
Sie funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Strahlungsdämpfungsmethode, mit dem Unterschied, dass zur Messung Ultraschall verwendet wird. Die Methode hat den Nachteil, dass sie bei hohem Druck im Tank nicht angewendet werden kann.
Reflexionsmessung
Die Reflexionsmethode ermöglicht eine berührungslose Niveaumessung. Es wird ein Ultraschall- oder Mikrowellenimpuls erzeugt, der an der Oberfläche des Mediums reflektiert und anschliessend wieder erfasst wird. Durch eine Messung der Laufzeit des Impulses kann der Füllstand bestimmt werden.
Eine spezielle Art der Reflexionsmessung ist die Radarmessung. Mit einem Radar kann der Abstand zwischen dem fest eingebauten Sensor an der Decke eines Tanks oder eines Silos zur Oberfläche der Flüssigkeit oder des Schüttgutes gemessen werden.
Bei Schüttgütern wie Holzschnitzeln und Holzpellets in einem Silo können solche Messmethoden mit Ultraschall oder Radar gut angewendet werden.