How to choose the right mass flow meter

With the broad selection of mass flow meters on the market, comparing the options can seem difficult. Here are 10 parameters to better understand what to look for when comparing meters.

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

Laminar-Differenzdruck-Durchflussmesser

Thermische Durchflussmesser

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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