Berücksichtigung der Hysterese bei der Auswahl des Massendurchflussmessers

Alicats Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler sind für ihre Geschwindigkeit und Genauigkeit bekannt, aber wie wichtig ist unsere Geschwindigkeit für Ihre Genauigkeit? In diesem Artikel betrachten wir die Hysterese und ihre Auswirkungen auf gängige Arten von Massendurchflussinstrumenten.

Plot der elastischen Hysterese

Hysterese eines gestreckten Gummibandes. Die Lücke zwischen der Last und der Entlastung ist die Tendenz des Gummis, aufgrund von Reibung nicht in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.

Die Hysterese reduziert Ihre Messgenauigkeit, indem Ihr Messgerät auf wiederholte identische Eingaben unterschiedlich reagiert. Was ist Hysterese? Vereinfacht gesagt, ist die Hysterese die Tendenz eines Systems, auf der Grundlage seiner Vergangenheitsdaten auf die gleiche Eingabe unterschiedlich zu reagieren. Zum Beispiel haben die meisten von uns einen Schokoriegel bei Raumtemperatur gegessen. Mist! Aber jeder, der Schokolade beim Kochen verwendet hat, weiß auch, dass Schokolade, wenn sie einmal erhitzt und in ihren flüssigen Zustand geschmolzen wurde, eine Flüssigkeit bleiben kann, wenn sie auf Raumtemperatur abkühlt. Die gleiche Eingabe (Temperatur) ergibt unterschiedliche Ergebnisse (fest gegen flüssig) basierend auf der Geschichte der Schokolade (Erhitzen oder Abkühlen). Dies ist der Hysterese-Effekt, und er kann von enormer Bedeutung sein, um wiederholbare Ergebnisse zu erhalten.

Hysterese in Coriolis Massendurchflussmessern

Jetzt, da wir die Hysterese definiert haben, schauen wir uns an, wie verschiedene Arten von Massenfluss-Messtechnologien Hysterese zeigen. Coriolis-Durchflussmesser arbeiten durch vibrierende gekrümmte Rohre, durch die das Gas strömt. Eine Erhöhung der Strömungsrate erhöht die Masse des Systems und induziert Oszillationen zweiter Ordnung, die direkt mit der Dichte und der Masse der durch die Rohrleitung strömenden Flüssigkeit korreliert sind, was als Coriolis-Effekt bezeichnet wird. Ebenso wie eine zunehmende Masse durch eine schnellere Strömungsrate diese Schwingungen erhöht, verringert eine Verringerung der Strömung die Schwingungen. Die schnelle Bewegung von einer Flussrate zu einer viel niedrigeren Flussrate führt jedoch zu einer Hysterese, da die Oszillationen zweiter Ordnung Zeit benötigen, um zu dämpfen, bis sie dem neuen niedrigeren Pegel des Massenflusses entsprechen.

Sie können den Effekt der Hysterese auf Coriolis-Messgeräten visualisieren, indem Sie ein Uhrpendel in Bewegung setzen. Tippen Sie nun das Pendel aus einer senkrechten Richtung an. Sie haben eine Bewegung zweiter Ordnung für den Schwung des Pendels ausgelöst, und obwohl Sie dies nur für einen Moment getan haben, wird es einige Zeit dauern, bis sich die Auswirkungen dieser zusätzlichen Bewegung auflösen. Wenn Sie ein zweites Mal auf das Pendel tippen, bevor es sich beruhigt hat, werden Sie erneut eine Seitwärtsbewegung auslösen, aber es wird etwas anders sein als beim ersten Tippen.

Hysterese in thermischen Massendurchflussmessern

Diagramm des Funktionsprinzips eines thermischen Massedurchflussmessers

Wirkungsweise eines thermischen Massedurchflussmessers

Thermische Massendurchflussmesser liefern indirekte Messungen des Massendurchflusses basierend auf den thermischen Eigenschaften des Gasstroms. Anstatt einzelne Moleküle der Materie nachzuweisen, die vorbeigehen, erkennen sie die Auswirkungen der Wärme auf die vorbeiziehende Materie, ein Prinzip, das thermische Dispersion genannt wird. Es gibt verschiedene Arten von Wärmezählern, aber typischerweise wird ein kleiner Teil des Gasstroms durch ein beheiztes Kapillarrohr geleitet, das mit mehreren Temperatursensoren ausgestattet ist. Wenn die Strömungsrate ansteigt, werden die Gasmoleküle durch das Rohr erwärmt und führen diese Wärme dann weiter durch das Rohr, bis ihre Temperaturen in ihren vorher nicht erwärmten Zustand zurückkehren. Höhere Strömungsraten bewegen die Wärmewolke weiter in die Röhre, und niedrigere Raten verschieben die Wolke nur marginal. Wie viel Wärme die Röhre abtransportiert, hängt auch von den thermischen Eigenschaften der Gasmoleküle, ihrer Konzentration (Druck) und ihrer Umgebungstemperatur ab, bevor sie erhitzt werden. Eine hohe Strömungsrate, die die Wärmewolke weiter in die Röhre bewegt, erfordert eine gewisse Beruhigungszeit, wenn die Strömungsrate gefallen ist. Dies liegt daran, dass die hohe Wärmeleitfähigkeit der winzigen Kapillarröhre, die notwendig ist, um niedrige Strömungsraten zu erfassen, auch dazu führt, dass sie die erhöhte Temperatur nach dem Abfall der Strömungsrate sehr gut beibehält. Einige thermische Durchflussmesser verwenden Mittelwertbildung oder Vorhersagealgorithmen, um diese Hysterese zu überwinden, was eine gute Lösung ist, wenn Sie nur eine geschätzte Durchflussrate benötigen.

Der Hysterese-Effekt bei thermischen Massendurchflussmessern ist an Ihrem elektrischen Haushaltskocher leicht zu visualisieren. Bevor Sie den elektrischen Brenner einschalten, berühren Sie ihn kurz mit der Hand und nehmen Sie ihn dann weg. Stellen Sie nun den Brennerschalter für eine Sekunde auf „hoch“ und schalten Sie ihn dann sofort aus. Legen Sie Ihre Hand über den Brenner; fühlt es sich wärmer an als ursprünglich? Die Wärme, die Sie fühlen, ist eine Restwärme, die nicht genau den aktuellen Zustand der fehlenden Spannung in den Brenner widerspiegelt. Wenn Sie den Brennerwähler noch einmal eine Sekunde lang auf „hoch“ stellen, bevor der Brenner vollständig abgekühlt ist, ist die Temperatur des Brenners im spannungslosen Zustand noch höher. Wenn Spannung hinzugefügt wird, steigt die Wärme schnell an, aber beim Entfernen der Spannung wird Wärme viel weniger schnell abgeleitet; Dies ist der Hystereseeffekt.

Hysterese in druckbasierten Massendurchflussmessern

Es gibt viele Arten von druckbasierten Durchflussmessern, aber alle messen in irgendeiner Weise den Durchfluss in Übereinstimmung mit dem Prinzip von Bernouli, das besagt, dass der Druck in einer sich bewegenden Flüssigkeit abnimmt. In der Tat sind es Druckdifferenzen, die die Strömung an erster Stelle induzieren, so dass diese Art der Durchflussmessung der Quelle am nächsten ist. Ein auf Differenzdruck basierender Durchflussmesser misst einfach zuerst die Druckdifferenz, die den Durchfluss erzeugt. Wie thermische Durchflussmesser messen Druckmessgeräte auch nicht direkt einzelne Gasmoleküle; Massenflussmessungen werden aus den aufgezeichneten Differenzdrücken unter Verwendung nicht idealer Gasgesetze berechnet.

Alicats Differenzdrucksensoren verwenden Membranen, die basierend auf der Strömungsrichtung in die eine oder andere Richtung abgelenkt werden. Dieses Merkmal markiert einen entscheidenden Unterschied zwischen den Durchflussmesstechnologien. Wenn Sie die Strömungsrichtung in einem thermischen Durchflussmesser schnell ändern, könnten Sie in eine Situation geraten, in der sowohl die stromabwärtige als auch die stromaufwärts gelegene Seite des Kapillarrohrs zu einem gewissen Grad erwärmt worden sind. Umgekehrt hebt die Umkehrrichtung in einem Coriolis-Durchflussmesser die vorherigen Schwingungen nicht auf, sondern fügt ihnen stattdessen eine neue Richtung hinzu. Beide dieser Situationen leiden unter einer Hysterese. Im Gegensatz dazu kann eine Membran nicht gleichzeitig nach vorne und hinten ausgelenkt werden, so dass die Schaltflussrichtung ohne Hysterese auftritt. Jedoch kann die Membran vorwärts und rückwärts oszillieren, wenn sich das Druckdifferential ändert, und dies gibt dem Alicat seine Antwortgeschwindigkeit von 5 Millisekunden.

Sie können die begrenzte Hysterese eines membranartigen Drucksensors durch das Auftreffen auf eine Trommel visualisieren. Härtere Schläge (mehr Druck) lenken die Trommelmembran weiter ab und komprimieren eine größere Luftmasse gegen die zweite Membran, was zu dem Geräusch führt, das Sie hören. Die straffe Membran kehrt schnell in einen nicht ausgelenkten Zustand zurück, benötigt dafür jedoch nur eine sehr kurze Zeit, nämlich ihre Hysterese. Die Dichtheit der Membran bestimmt den Grad dieser Hysterese. Lose Membranen reagieren langsamer und brauchen länger, um nicht mehr zu vibrieren. Richtig angezogene Membranen dämpfen sehr schnell; im Fall einer Trommel kann es unmöglich sein, ein zweites Mal zu schlagen, bevor die Hystereseeffekte des ersten Treffers abgeklungen sind.

Gleichermaßen führt die schnelle Messgeschwindigkeit und minimale Hysterese von Alicat direkt zu einer verbesserten Genauigkeit für jede Massendurchflussmessung. Niedrige Hysterese bedeutet, dass Sie sicher sein können, dass Ihre aktuelle Messung nicht künstlich auf den Resteffekten Ihres letzten basiert, selbst wenn dieser gerade einmal 10 ms zurückliegt. Diese Qualität ermöglicht es auch einem Alicat, transiente Phänomene zu messen, wie zum Beispiel die kurzen Ausbrüche von pneumatischen Aktuatoren an Öl- und Gasbohrlöchern oder Einstelldüsen in Höhenforschungsraketen.

Fasziniert? Wenden Sie sich an einen unserer Anwendungsingenieure unter +1.888.290.6060 oder info@alicat.com, um Ihre Durchfluss- oder Druckanwendung zu besprechen.

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