Mei 2023

Hoe kun je luchtstromen betrouwbaar meten?

4 meetmethodes uitgelicht

Of het nu gaat om energiedichtheid, voldoende frisse lucht in kantoor- en schoolgebouwen, of het regelen van de inblaaslucht in een operatiekamer; het meten van luchtstromen is in veel situaties belangrijk. Uiteraard moet dit zo nauwkeurig mogelijk gebeuren, al is dat in de praktijk nog niet zo eenvoudig. Waar moet je op letten en welke methodes zijn er om tot een zo betrouwbaar mogelijke meting te komen?

In totaal zijn er vier veelvoorkomende meetmethodes. Dat vertelt Marcel van Kesteren, specialist gebouwautomatisering bij Hitma. Toen het in de coronatijd niet meer mogelijk was om klanten op locatie te helpen, begon hij samen met collega Teun Mulder met het organiseren van webinars over de vraag hoe men luchtstromen betrouwbaar kan meten. Dat is namelijk geen eenvoudige opgave, zo vertelt hij.
‘Een vereiste voor het meten van luchtstromingen, is dat de stroming laminair moet zijn. Dat wil zeggen dat de lucht uniform in één richting stroomt, zonder turbulentie. In de praktijk is dit bijna nooit het geval. Alleen al de wanden van een luchtkanaal zorgen voor wrijving, wat maakt dat de lucht in het midden van het kanaal zich sneller voortbeweegt dan langs de wanden. Bovendien heb je in een kanaal altijd te maken met bochten, die ook weer tot turbulente luchtstromingen leiden. Dit staat een goede, representatieve meting in de weg.’

Waarom luchtstromen meten?

Toch zijn er meerdere manieren om wel tot een betrouwbare en nauwkeurige meting van luchtstromingen te komen. Maar voor Van Kesteren en Mulder tijdens hun webinar hierop ingaan, nemen zij hun klanten (en andere geïnteresseerden) eerst mee naar de basis. Wat meten we precies bij het meten van luchtstromen, en waarom is dit zo belangrijk?
‘Als je in een luchtkanaal de luchtstroming meet, weet je hoeveel lucht er door het kanaal gaat’, legt Van Kesteren uit. ‘Dit doe je bijvoorbeeld om te controleren of er genoeg schone lucht de ruimte binnen komt. Bij gebouwen met een ventilatiesysteem, is het belangrijk om te weten hoeveel lucht er door een leiding gaat en hoeveel lucht je dus nodig hebt. Dat wil je ook weten voor de afgezogen warme lucht, want die wordt in wtw-systemen gebruikt om toegevoerde lucht op temperatuur te brengen, om zo energie te besparen. Daarnaast zijn er nog specifieke ruimtes waar het hebben van een constante luchtstroom extra belangrijk is. Operatiekamers en laboratoria zijn wat dat betreft goede voorbeelden. In die ruimtes wil je zo exact mogelijk kunnen vaststellen hoeveel lucht er door de ruimte gaat.’

Voor het meten van luchtstromingen moet de stroom laminair zijn

Volumedebiet

Door het meten van de luchtstroming, kan men bepalen wat het volumedebiet is in kubieke meter per seconde (m³/s). Hiervoor is ten eerste de oppervlakte van de doorsnede van het kanaal nodig. Deze is als volgt te berekenen:

Oppervlakte rond kanaal = π/4 x diameter²Oppervlakte rechthoekig kanaal = breedte x hoogte

Door deze oppervlakte (in m²) te vermenigvuldigen met de snelheid in meters per seconde (m/s), komt men tot het volumedebiet. Dus:

Volumedebiet (m³/s) = oppervlakte (m²) x snelheid (m/s)
Ook wel: Q = A x v

De oppervlakte van het kanaal is bekend (of is eenvoudig te meten). Dus wil je daarmee het volumedebiet berekenen, dan is het zaak om de luchtsnelheid te meten.

Vier meetinstrumenten

Daarmee komt Van Kesteren bij de verschillende meetmethodes waarmee hij zijn verhaal begon. Het gaat om vier meetinstrumenten: de hittedraad, de pitotbuis, de zelfmiddelende pitotbuis en het vleugelrad. ‘Deze hebben elk hun eigen specifieke eigenschappen en dus ook voor- en nadelen. Welk instrument je gebruikt, is afhankelijk van verschillende factoren. Is de (verwachte) luchtsnelheid hoog of laag? Wat is de temperatuur van de lucht? En zijn er in het kanaal zaken om rekening mee te houden, zoals stof, condens of chemicaliën?’
Naast de keuze van het meest geschikte meetinstrument is het belangrijk het instrument niet te dicht te plaatsen bij een bocht, vernauwing, verwijding, afsluiting of andere veroorzaker van turbulentie. ‘De vuistregel is dat er vóór het meetinstrument een rechte lengte is van zevenmaal de diameter, en erachter éénmaal de diameter. Op die plaatsen is de luchtstroom zo laminair als mogelijk, wat leidt tot betrouwbaardere metingen.’

Hittedraad

Het eerste instrument dat Van Kesteren toelicht, is de hittedraad. Dit is een dun draadje dat wordt verwarmd op een exacte temperatuur die boven de omgevingstemperatuur ligt. De laminaire luchtstroming in een kanaal of leiding koelt het draadje af en hoe meer lucht erlangs stroomt, des te meer het draadje zal afkoelen. Het temperatuurverschil dat hierdoor ontstaat bepaalt de luchtsnelheid. De hittedraad is vooral geschikt bij lage luchtsnelheden, vanaf 0,15 m/s. ‘Denk bijvoorbeeld aan een operatiekamer, waar een goede luchtkwaliteit belangrijk is om wondinfecties te voorkomen. Door meer lucht in te blazen dan af te zuigen, ontstaat er een overdruk en blijft de lucht in de ruimte schoon. Voor het meten van de flow van deze afgezogen lucht, is de hittedraad dus zeer geschikt.’
De hittedraad wordt veel toegepast bij snelle metingen en is bovendien de goedkoopste optie. Daar staat tegenover dat het instrument erg kwetsbaar is, geeft Van Kesteren aan. ‘Als er veel stof in een kanaal zit, of bijvoorbeeld chemicaliën, dan is de hittedraad geen goed idee. Hittedraad gebruik je enkel bij schone, gefilterde lucht.’

Pitotbuis

Een steviger alternatief is de pitotbuis. Dit is een metalen buis in een L-vorm, die zo geplaatst wordt dat de meetkop tegen de stromingsrichting van de lucht in staat. Zo kan deze de dynamische luchtdruk meten. Aan de achterzijde van het instrument wordt de statische luchtdruk gemeten. Dit verschil is te vergelijken met een wielerpeloton, waarbij de kopman meer wind vangt (dynamische druk) dan de renners achter in het peloton (statische druk). Door dit drukverschil te meten kun je aan de hand van een formule de luchtsnelheid bepalen.
‘De pitotbuis pas je vooral toe bij hogere luchtsnelheden, vanaf zo’n 3 m/s’, vertelt Van Kesteren. ‘Een mooi voorbeeld is de Formule 1, waar de auto’s aan de voorkant zijn voorzien van een pitotbuis. Hiermee meten ze de luchtstroming, die ze weer gebruiken om de downforce te bepalen.’ Andersom is de pitotbuis voor lage snelheden juist minder geschikt.

Met een zelfmiddelende pilotbuis meet je de gemiddelde luchtsnelheid

Zelfmiddelende pitotbuis

Net als de hittedraad heeft de pitotbuis als nadeel dat je de stroming slechts op één punt in het luchtkanaal kunt meten. In situaties waarin nog betrouwbaardere metingen nodig zijn – bijvoorbeeld in een snoepfabriek die zijn producten wil drogen, waarvoor een continue meting van de luchtstroming van belang is – raadt Van Kesteren daarom een andere variant aan: de zelfmiddelende pitotbuis. ‘Deze plaats je in de gehele kanaaldiameter en meet dus op meerdere punten, op basis waarvan je vervolgens een gemiddelde snelheid kunt bepalen.’ De zelfmiddelende pitotbuis is het meest nauwkeurige meetinstrument van de vier. Wel is deze, net als de gewone pitotbuis, niet geschikt voor lage snelheden en gevoelig voor bijvoorbeeld vervuiling en condens. Dit laatste is echter op te lossen met een purge-unit, waarmee het mogelijk is om de sensors op gezette tijden met perslucht schoon te blazen. Ook is voor een zelfmiddelende pitotbuis extra montagewerk nodig.

Vleugelrad

Het laatste instrument dat Van Kesteren noemt is het vleugelrad, ook wel schoepenrad. Dit is een klein rad dat al bij lage luchtsnelheden begint te draaien. Het telt daarbij het aantal omwentelingen per schoep, wat een maat is voor de luchtsnelheid. In de praktijk wordt het vleugelrad niet vaak gebruikt voor continue metingen, maar vooral bij handmeters. Toch zijn er wel voorbeelden van stationaire toepassingen.
‘Laboratoria gebruiken deze nog vaak’, zegt hij. ‘Denk bijvoorbeeld aan een zuurkast. Daar is het belangrijk dat de afzuiginstallatie goed werkt en eventuele vuile lucht voldoende afvoert. Omdat de luchtsnelheid in zo’n zuurkast zo laag is, is een vleugelrad een goede oplossing. Deze kan dan bijvoorbeeld een alarm genereren zodra deze stil komt te staan, waardoor direct duidelijk is wanneer de afzuiginstallatie niet goed werkt.’

Specifieke oplossingen

Deze vier meetinstrumenten zijn de meest voorkomende basisoplossingen. Van Kesteren adviseert zijn klanten altijd de meetmethode in te zetten die het best past bij een specifieke toepassing. In sommige specifieke gevallen kunnen temperatuur, vervuiling, condens of andere zaken alsnog voor problemen zorgen. Ook dan zijn er vrijwel altijd oplossingen te bedenken als aanvulling op de basisinstrumenten – zoals bijvoorbeeld de eerdergenoemde purge-unit. ‘In de meeste gevallen hebben we wel een oplossing om de nauwkeurigheid zo hoog mogelijk te maken en te houden’, aldus Van Kesteren.

Tekst: Lars van Mil
Fotografie: Hitma, iStock