Laminarer Differenzdruck-Durchflussmesser (DP) - Funktionsprinzip
Differenzdruck-Durchflussmesser messen den Durchfluss, indem sie den Druckabfall über eine Drosselstelle im Durchflussweg überwachen. Im Jahr 1992 hat Alicat® Scientific leistete Pionierarbeit bei der Verwendung der laminaren Differenzdruck-Durchflussmessung (DP), einer präziseren Methode, bei der die turbulente Strömung vor der Messung in eine laminare Strömung umgewandelt wird. Diese Innovation verbesserte die Genauigkeit, Geschwindigkeit und Stabilität der Differenzdrucktechnologie und wird heute in Tausenden von Alicat Durchflussmesser und Strömungswächter weltweit eingesetzt.
Die Physik hinter der laminaren Differenzdruck-Durchflussmessung
Wenn sich Fluide durch ein Rohr bewegen, können sie turbulent oder laminar fließen. In einem turbulenten Zustand ist die Strömung chaotisch und unvorhersehbar, während sie sich in einem laminaren Zustand in glatten, parallelen Schichten bewegt.
Alicat laminare DP-Durchflussmesser und Laminar-DP-Durchflussregler enthalten einen Durchflusskanal, das so genannte Laminar Flow Element (LFE), das alle turbulenten Strömungen in laminare Strömungen umwandelt. Das Gerät misst zunächst den Differenzdruckabfall über das LFE und berechnet dann anhand der Poiseuille-Gleichung den Volumendurchsatz.
Dieses Prinzip ermöglicht es DP-basierten Instrumenten, den Durchfluss mit hoher Präzision zu berechnen, wenn sie mit Druck- und Temperatursensoren gekoppelt sind.
Wie laminare DP-Durchflussmesser den Massendurchfluss messen
Schritt 1. Flussumwandlung
Schritt 2. Differenzdruck- und Sensormessung
Ein Differenzdrucksensor misst die Druckabfall über das LFE, während absolute Druck- und Temperatursensoren die Bedingungen im Strömungskanal in Echtzeit erfassen.
Schritt 3. Berechnung des Volumendurchflusses
Mit Hilfe der Poiseuille-Gleichung berechnet das Gerät eine Volumendurchfluss aus dem gemessenen Druckabfall und der Flüssigkeitsviskosität.
Poiseuille-Gleichung
Volumendurchfluss = (P1-P2)πr4/8ηL = K(ΔP)/η
P1 = Statischer Druck am Einlass; P2 = Statischer Druck am Auslass; r = Hydraulischer Radius der Drosselstelle;
η = Absolute Viskosität der Flüssigkeit; L = Länge der Verengung
Die Poiseuille-Gleichung zeigt die lineare Beziehung zwischen dem Volumendurchsatz, dem Differenzdruck (ΔP) und der absoluten Viskosität (η). In der vereinfachten Gleichung, K ist eine Konstante, die die geometrischen Faktoren des LFE umfasst.
Schritt 4. Berechnung des Massenstroms
Das System wendet dann Dichtekorrekturfaktoren für Temperatur, Druck und Kompressibilität an, um die standardisierte Massenstrom Satz:
Dichtekorrekturfaktoren
1. Korrektur der Temperaturdichte = Ts/Ta
Ta = Absolute Temperatur bei Durchflussbedingungen; Ts = Absolute Temperatur bei Standardbedingungen (STP)
2. Korrektur der Druckdichte= Pa/Ps
Pa = Absoluter Druck bei Durchflussbedingungen; Ps = Absoluter Druck bei Standardbedingungen (STP)
3. Komprimierbarkeit = Zs/Za
Za = Komprimierbarkeit bei Strömungsbedingungen; Zs = Komprimierbarkeit bei Standardbedingungen (STP)
Kombiniert man sie, kann man eine Gleichung aufstellen, die den Volumendurchfluss, die Temperatur, den Druck und die Kompressibilität des Gases zur Berechnung des Massendurchflusses verwendet.
Gleichung für den Massendurchsatz
Massendurchfluss = (Volumendurchfluss)(Ts/Ta)(Pa/Ps)(Zs/Za)
(Ts/Ta)(Pa/Ps)(Zs/Za) = Dichtekorrekturfaktoren
So funktioniert die laminare DP-Durchflussmessung
Anwendungen von Geräten mit laminarem Differenzdruck
Die Laminar-DP-Durchflusstechnik ist die Grundlage für eine breite Palette von Alicat-Instrumenten, einschließlich Massendurchflussmessern, Massendurchflussreglern, Flüssigkeitsdurchflussgeräten sowie Druckmess- und -regelgeräten. Da diese Technologie Geschwindigkeit, Genauigkeit und Vielseitigkeit vereint, reichen ihre Anwendungen von der Laborforschung bis zur industriellen Prozesssteuerung. Beispiele hierfür sind:
Gaschromatographie (GC)
Alicat Mass Flow Controller (MC) und Pressure Controller (PC) sorgen für eine stabile Kontrolle von Träger- und Probengas in Gaschromatographiesystemen, verbessern die Wiederholbarkeit und vereinfachen die Kalibrierung.
Bioreaktoren und Bioprozesse
Alicat-Massendurchflussregler (MC) ermöglichen eine präzise Sauerstoff- und Luftzufuhr in Bioreaktoren, mit regelbaren Bereichen bis zu 10.000:1, die die Systemkomplexität und -kosten reduzieren.
Dichtheitsprüfung & Luft- und Raumfahrt
In Ventilprüfständen für Raketentriebwerke sorgen Alicat Druckregler (PC bis zu 3.000 PSI) und Whisper Durchflussmesser mit geringem Druckabfall (MW) für eine genaue, wiederholbare Lecksuche.
Häufig gestellte Fragen zu laminaren DP-Durchflussmessern
Wie funktionieren die laminaren DP-Durchflussmesser?
Sie messen den Massendurchfluss in vier Schritten: Umwandlung der turbulenten Strömung in eine laminare Strömung, Messung des Druckabfalls, Berechnung des volumetrischen Durchflusses und Umwandlung in einen standardisierten Massendurchfluss.
Was ist der Unterschied zwischen Massendurchfluss und Volumendurchfluss?
- Volumetrischer Durchfluss misst das physikalische Volumen einer Flüssigkeit, die sich durch ein System bewegt (z. B. in Litern pro Minute).
- Massenstrom gibt die tatsächliche Anzahl der Moleküle an, die sich pro Zeiteinheit bewegen, unabhängig von Temperatur- und Druckänderungen.
Lesen Sie mehr in unserem Leitfaden Massen- vs. Volumenstrom.
Wie wählt man die richtige Massendurchflussmessertechnologie?
Die genaue Messung und Steuerung von Flüssigkeitsströmen ist in vielen Industrie- und Forschungsbereichen von entscheidender Bedeutung. Alicat Scientific bietet drei komplementäre Massendurchfluss-Technologien an: Laminarer Differenzdruck, Coriolis (CODA) und Thermal MEMS (Basis).
Jede Technologie bietet einzigartige Vorteile:
- Laminar DP: Extrem schnelles Ansprechverhalten, Kompatibilität mit mehreren Gasen, geringer Druckabfall.
- Coriolis: Direkte Massemessung, ausgezeichnet für unbekannte oder gemischte Flüssigkeiten, und Dichtemessung.
- Thermische MEMS: Kompakt, kostengünstig, ideal für eingebettete OEM- und einfache Gasanwendungen.
Um Ihnen die Entscheidung zu erleichtern, vergleichen Sie die Spezifikationen in unserem Vergleich der Durchflusstechnik Tabelle.