Wie man den richtigen Massendurchflussmesser auswählt

Bei der großen Auswahl an Massendurchflussmessern auf dem Markt kann ein Vergleich der Optionen schwierig sein. Hier sind 10 Parameter, um besser zu verstehen, worauf man beim Vergleich von Messgeräten achten sollte.

Durchflussmessgeräte unterscheiden sich in erster Linie in der Art und Weise, wie sie den Durchfluss messen. Ein Zähler misst den Durchfluss entweder direkt oder indirekt, und diese Messung kann von den Flüssigkeitseigenschaften abhängen oder nicht. So berechnet ein Messgerät den Massendurchfluss indirekt über eine Differenzdruckmessung und bekannte Gaseigenschaften, während ein anderes Messgerät den Massendurchfluss direkt und unabhängig von den Gaseigenschaften berechnet.

Es gibt auch erhebliche Unterschiede zwischen den Zählern, wenn es um die Kompatibilität mit Flüssigkeiten, den Betriebsbereich, die Messspezifikationen und den Preis geht. In diesem Artikel werden die grundlegenden Funktionsprinzipien von vier gängigen Zählertechnologien und 10 Parameter vorgestellt, die bei der Auswahl des optimalen Durchflussmessers für eine Anwendung zu berücksichtigen sind.

Funktionsprinzipien gängiger Massenfluss-Technologien

Coriolis-Durchflussmessgeräte

Coriolis-Massendurchflussmesser Nutzung des Coriolis-Prinzips zur Messung Massenstrom direkt und unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit. Diese Messgeräte enthalten ein oder zwei Rohre, die elektromagnetisch mit der Resonanzfrequenz des Rohrs in Schwingung versetzt werden. Diese Schwingung wird von Sensoren an verschiedenen Punkten entlang des Rohrs gemessen. Wenn keine Strömung vorhanden ist, schwingt das Rohr symmetrisch, und es gibt keine Phasendifferenz zwischen den Punkten.

Beim Durchströmen verdreht sich das Rohr, was zu einer Phasenverschiebung zwischen den Punkten führt, die direkt proportional zum Massendurchfluss der Flüssigkeit ist. Diese Messung ist nicht druckabhängig, und die einzigen Temperatureffekte sind mechanisch oder elektronisch, was zu Nullverschiebungen führt, die um eine Größenordnung geringer sind als bei anderen Technologien.

Laminar-Differenzdruck-Durchflussmesser

Laminare Massendurchflussmesser messen den Massendurchfluss indirekt über den Differenzdruck. Diese Messgeräte enthalten Durchflusselemente, die turbulente Strömungen in Laminarströmung. Ein Sensor misst den Druckabfall über diese Durchflusselemente, und das Messgerät verwendet diese Daten zusammen mit dem Poiseuille-Gleichung zur Berechnung einer volumetrischer Durchfluss.

Das Messgerät wandelt diese volumetrische Messung mit Hilfe von vorinstallierten Tabellen mit Gaseigenschaften unter Berücksichtigung von Temperatur und Druck in einen standardisierten Massendurchfluss um. Obwohl dabei mehrere Variablen eine Rolle spielen, gewährleisten hochpräzise Sensoren genaue Messwerte. Da die Berechnung des Massendurchflusses für jedes Gas unterschiedlich ist, ist es wichtig, dass das richtige Gas ausgewählt wird.

Thermische Durchflussmesser

Es gibt zwei Haupttechnologien für thermische Durchflussmesser, die beide den Durchfluss direkt mit Temperatursensoren messen. Darüber hinaus hängen die Messungen der thermischen Durchflussmesser von den Gaseigenschaften ab, die sich mit der Temperatur ändern, weshalb sie mit Gastabellen ausgestattet sind.

Die erste Technologie ist der thermische Bypass-Durchflussmesser. Dabei wird ein kleiner Teil der Flüssigkeit durch ein Kapillarrohr geleitet, das von einem beheizten Element mit Temperatursensoren auf beiden Seiten umhüllt ist. Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, gibt es keinen Temperaturunterschied zwischen den Sensoren. Der einströmende kühle Strom passiert jedoch den ersten Sensor, und die Temperatur sinkt. Der Strom wird dann beim Passieren des Heizelements erwärmt und erhöht die Temperatur des zweiten Sensors. Der Temperaturunterschied zwischen den Sensoren ist direkt proportional zum Durchfluss.

Die zweite Technologie ist die thermische MEMS oder CMOS-Durchflussmesser. Er arbeitet durch Aufrechterhaltung einer Temperaturdifferenz zwischen einem beheizten Sensor und einem Durchflusssensor. Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, ist die Temperaturdifferenz zwischen den Sensoren konstant. Bei einem Durchfluss kühlt sich der Durchflusssensor ab, und ein Heizstrom wird hinzugefügt, um die Änderung zu kompensieren. Dieser Strom ist direkt proportional zum Massendurchfluss. Die größten Vorteile von MEMS-Zählern gegenüber thermischen Bypass-Zählern sind die Schnelligkeit des Ansprechens und die geringe Baugröße.

10 Parameter für die Auswahl eines Massendurchflussmessers

1. Durchflussmenge
2. Verwendetes Gas oder Gase
3. Temperatur
4. Betriebsdruck
5. Druckverlust
6. Preis
7. Genauigkeit
8. Reaktionszeit
9. Aufwärmzeit
10. Stabiler Messbereich (Turndown)

Durchflussmenge, Gaswahl und Temperatur

Abbildung 1. Verfügbare Durchflussraten und Temperaturbereiche für jede Technologie. Beachten Sie die logarithmische Skala auf der x-Achse.

Zunächst muss sichergestellt werden, dass das Durchflussmessgerät mit den Durchflussraten, Gasarten und Temperaturen der Anwendung kompatibel ist. Diese Bereiche für die verschiedenen Technologien sind in Abbildung 1 dargestellt.

Der Coriolis-Zähler arbeitet über den größten Durchfluss- und Temperaturbereich und ist eine praktikable Option für bestimmte extreme Anwendungen mit hohem Durchfluss und hohen Temperaturen. Für Anwendungen mit extrem niedrigem Durchfluss sind die Laminar- und thermischen Bypass-Zähler die bessere Wahl. Was die Gasverträglichkeit betrifft, so arbeiten alle Zähler mit den üblichen Gasen. Der Coriolis-Zähler ist jedoch der einzige Zähler, der mit einigen der schwierigeren Gase wie NO₂die in einem Gleichgewicht unbekannter Größe mit N₂O₄.

Betriebsdruck und Druckabfall

Abbildung 2. Verfügbare maximale Druckstufen für statischen und Differenzdruck für jede Technologie. Beachten Sie die logarithmische Skala auf der x-Achse.

Die nächsten zu berücksichtigenden Parameter sind Betriebsdruck und Druckabfall. Da Druckregler und Pumpen in der Regel preiswert sind, lässt sich der Druck in den meisten Anwendungen leicht regeln. Es gibt jedoch einige Anwendungen, die eine strenge Regelung des Betriebsdrucks erfordern, wie z. B. chemische Reaktionen oder minimale Druckabfälle, wie z. B. bei der Kalibrierung volumetrischer Messgeräte.

Abbildung 2 zeigt, dass der thermische Bypass und der Coriolis-Zähler bei Hochdruckanwendungen im Vorteil sind, während der Coriolis-Zähler bei Anwendungen mit geringem Druckabfall inkompatibel wird.

Kompromiss Preis/Genauigkeit

Abbildung 3. Höhere Genauigkeit (geringerer Prozentsatz) ist mit höheren Kosten für die Technologie verbunden.

Messgeräte mit höherer Genauigkeit kosten mehr, und je nach Zählertyp und Durchflussmenge kann selbst eine geringfügige Erhöhung der Genauigkeit teuer werden, wie in Abbildung 3 dargestellt. So kostet beispielsweise ein Laminar-Durchflussmesser am unteren Ende der Durchflussraten etwa $1.000, während der Coriolis-Durchflussmesser mit höherer Genauigkeit etwa $5.000 kostet. Am oberen Ende der Durchflussraten sind die Zähler jedoch preislich vergleichbar.

Bei einigen Anwendungen ist eine hohe Genauigkeit nicht verhandelbar. Ein Beispiel ist eine Anwendung, bei der jemand in einem kleinen biopharmazeutischen Labor arbeitet, das für die Massenproduktion aufgestockt werden soll und die Ungenauigkeiten minimieren möchte. Bei anderen Anwendungen reicht jedoch ein Messgerät mit geringerer Genauigkeit aus, was eine Menge Geld sparen kann.

Kompromiss zwischen Preis und Reaktionszeit

Abbildung 4. Eine kürzere Reaktionszeit auf Änderungen des Durchflusses und der Betriebsbedingungen ist in der Regel mit höheren Kosten verbunden. Beachten Sie die logarithmische Skala auf der y-Achse.

Die Reaktionszeiten können von Messgerät zu Messgerät sehr unterschiedlich sein, und eine Verbesserung kann auch teuer sein, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die Reaktionszeiten des Coriolis-Messgeräts variieren je nach Größe, Prozessor und Firmware zwischen 1 ms und 500 ms. Die größeren Durchflussrohre schwingen in der Regel mit niedrigeren Frequenzen und haben längere Reaktionszeiten.

Laminarzähler haben die besten Ansprechzeiten im mittleren Bereich der Durchflussraten. Bei extrem niedrigen Durchflüssen braucht das Laminargerät aufgrund der großen Größe des Durchflusskörpers länger, um kleine Änderungen des Differenzdrucks zu erkennen. Bei größeren Durchflüssen führt die Software des Laminar-Messgeräts eine Mittelwertbildung durch, um das Messrauschen zu eliminieren, und auch dies verlangsamt die Ansprechzeit.

Stellen Sie sich vor, Sie arbeiten in einem Werk zur Herstellung von Glasfaserkabeln, in dem in der Regel mehrere Vorformen gereinigt und mehrere Fasern gleichzeitig gezogen werden, und zwar alle von derselben Druckquelle. Während eines langen Durchlaufs kann es zu mehreren Druckeinbrüchen und -spitzen kommen, die durch das Anhalten und Starten anderer Durchläufe verursacht werden, und diese Druckänderungen können zu Verzögerungen und verschwendeten Chargen führen. Schnelle Reaktionszeiten ermöglichen es, Druckänderungen schnell zu korrigieren und so die Zeit- und Ressourcenverschwendung zu minimieren.

Preis versus Aufwärmzeit

Abbildung 5. Ein deutlicher Unterschied in der Aufwärmzeit für verschiedene Technologien wird mit einer kostengünstigen und einer hochpreisigen Option für schnelle und langsame Aufwärmzeiten gepaart. Beachten Sie die logarithmische Skala auf der y-Achse.

Die Aufwärmzeit eines Geräts kann zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten liegen. Bei manchen Anwendungen ist eine längere Aufwärmzeit nicht mehr als eine kleine Unannehmlichkeit. Aber stellen Sie sich vor, ein Gerät wird zur Kalibrierung von Außenluftprobennehmern an Orten mit rauem Wetter verwendet. In diesem Fall kann eine schnelle Aufwärmzeit von entscheidender Bedeutung sein, da sie weniger Zeit an jedem Standort bedeutet.

Hier sind die thermischen MEMS- und Laminar-Durchflussmesser eine gute Wahl, da sie Aufwärmzeiten in Sekunden statt in Minuten haben. Außerdem ist der MEMS, wie in Abbildung 5 gezeigt, weniger teuer und eine ideale Wahl, wenn er alle anderen Anwendungsanforderungen erfüllt.

Kompromiss zwischen Preis und Abschlag

Abbildung 6. Bandbreite der besten auf dem Markt erhältlichen Turndown-Ratios im Vergleich zum Preis für verschiedene Technologien.

Die genaue Bedeutung des Turndowns kann von Hersteller zu Hersteller leicht variieren, aber es handelt sich im Wesentlichen um den Betriebsbereich eines Messgeräts. Wie in Abbildung 6 dargestellt, ist das Verhältnis je nach Gerät und Gaswahl unterschiedlich. Einige Hersteller bieten beispielsweise ein Messgerät mit einem Turndown-Verhältnis von 10.000:1 für Standardgase an, während die Korrosionsschutzversion vielleicht nur ein Turndown-Verhältnis von 100:1 aufweist. Wenn eine Anwendung einen großen Durchflussbereich abdeckt oder ungewöhnliche Gase verwendet, kann ein Messgerät mit einem großen Turndown-Verhältnis oder sogar zwei separate Messgeräte erforderlich sein, je nachdem, was am kostengünstigsten ist.

Schlussfolgerung

Dieser Artikel wurde ursprünglich in Process Instrumentation am 8. Januar 2021 veröffentlicht.

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