Beschreibung des Nebelsensors
Aufbau des Prototypen
Der Probekörper-Nebelsensor ist Gebrauchsmustergeschützt und besteht aus einem kleinen Metallzylinder in dessen Mitte ein Temperaturfühler integriert ist und der konstant mit einer Leistung von 1W elektrisch beheizt wird. Der Metallzylinder wird im Folgenden als Probekörper bezeichnet. Um die Abgabe von Wärmestrahlung an den Himmel zu verringern besitzt der Nebelsensor einen Strahlungsschutz, an dem er befestigt ist.
Die Signale des jetzigen Prototyps des Nebelsensors werden von einem Datenlogger zusammen mit den Signalen eines Anemometers und eines Sensors zur Messung der Lufttemperatur ausgewertet. Der Prototyp des Probekörper-Nebelsensors ist Bestandteil eines Eiserkennungssystems für Windkraftanlagen.
Funktionsprinzip
Wenn flüssiges Wasser in Form von Nebel ein Bestandteil der Luft ist, ändern sich die Stoffeigenschaften der der Luft. Die Luft ist in diesem Fall in der Lage, neben der fühlbaren Wärme auch latente Wärme in Form von Verdampfungswärme aufzunehmen. Dieser physikalische Effekt ist die Grundlage für den Probekörper-Nebelsensor. Das Prinzip des Probekörper-Nebelsensors besteht darin, das der gemessene Wärmeübergangskoeffizient am Probekörper mit dem theoretisch errechneten Wärmeübergangskoeffizienten aus einer Nußelt-Korrelation für trockene Luft unter Berücksichtigung der Wärmestrahlung verglichen wird. Aus dem Vergleich zwischen dem theoretischen Wärmeübergangskoeffizienten für trockene Luft und dem gemessenen Wärmeübergangskoeffizienten wird die Wärmemenge errechnet, die für die Verdampfung von Wasser in der Umgebung des Probekörpers benötigt wird. Aus diesem Vergleich kann auf den Anteil an flüssigem Wasser in der Luft geschlossen werden.
1: Anschluss für die elektrische Heizung
2: Anschluss für den Temperaturfühler innen
3: Anschluss für den Temperaturfühler aussen
Nebelsensor als eigenständiges Sensormodul
Im vorhergehenden Text beschriebenen Anwendungsfall war es möglich, auf die Daten zusätzlicher Sensoren zuzugreifen, die in dem Eiserkennungssystem für Windkraftanlagen vorhanden sind. Für den Fall, das der Probekörper-Nebelsensor als eigenständiger Sensor verwendet werden soll, kann sich der Effekt der begrenzten Verdampfungswärme zu nutze gemacht werden. Hierfür werden zwei Probekörper verwendet, die elektrisch so beheizt werden, dass sie unterschiedliche Temperaturen besitzen. Bei trockener Luft lassen sich für beide Probekörper mit Hilfe einer Nußelt-Korrelation die Wärmeübergangskoeffizienten errechnen, die bei trockener Luft immer in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen.
Enthält die Luft flüssiges Wasser in Form von Nebel, so ändert sich der Wärmeübergangskoeffizient bei beiden Probekörper auf unterschiedliche Weise. Beim wärmeren Probekörper wird das flüssige Wasser in der Grenzschicht zwischen Luft und Probekörper ab dem Überschreiten einer bestimmten Temperatur vollständig verdampft und die Grenzschicht kann keine weitere latente Wärme mehr aufnehmen. Diese Temperatur hängt vom Flüssigwasseranteil in der Luft ab. Beim kälteren Probekörper wird das Wasser nicht vollständig verdampft, wodurch die Luft noch in der Lage ist, weitere Verdampfungswärme aufzunehmen. Anhand des im Falle von Nebel veränderten Verhältnisses der Wärmeübergangskoeffizienten beider Probekörper kann auf das Vorhandensein von Nebel in der Luft geschlossen werden.
