Was ist ein Massendurchfluss?

Die meisten Alicat-Geräte messen und regeln den Massendurchfluss eines Gases. Wenn Gas durch ein Alicat-Gerät strömt, durchläuft es einen Durchflusskanal mit Temperatur- und Drucksensoren. Diese Sensoren messen die momentane Temperatur und den momentanen Druck des Gasstroms und berechnen anhand dieser Informationen in Verbindung mit den bekannten Gaseigenschaften den Massendurchfluss. Dieser Massendurchfluss ist eigentlich ein Volumendurchfluss, der auf bestimmte Temperatur- und Druckbedingungen normiert ist.

Berechnung des Massendurchflusses anhand von Momentanwerten für Temperatur und Druck

Stellen Sie sich vor, Sie lassen Argon durch ein Alicat-Massendurchflussmessgerät strömen. Die Sensoren im Durchflussmessstrom zeigen 23 °C und 20 PSIA an, und diese Werte werden auf dem Bildschirm des Geräts angezeigt. Diese Werte werden jedoch nicht direkt zur Berechnung des Massendurchflusses herangezogen. Jedes Alicat-Gerät ist mit Gastabellen ausgestattet, die Werte aus dreidimensionalen Gaseigenschaftsdaten enthalten. Diese Tabellen stellen NIST-rückführbare Daten zur Gaskompressibilität und -viskosität in Abhängigkeit von Druck und Temperatur über den gesamten nutzbaren Bereich des Massendurchflussmessgeräts dar. Der auf dem Bildschirm angezeigte Massendurchfluss ist der Volumenstrom des Gases wenn es bei Standardtemperatur und -druck (STP) fließen würde.  Die einfachen Schritte sind wie folgt:

1. Das Gerät verwendet die tatsächliche Temperatur und den Druck des Gases, um den momentanen Volumendurchsatz zu berechnen.
2. Das Gerät verwendet einen Algorithmus, um zu berechnen, wie hoch die Durchflussrate wäre, wenn das Gas 25 °C und 1 atm hätte.
3. Das Gerät gibt einen standardisierten Volumendurchfluss oder Massendurchfluss aus.

STP-Bedingungen

Ob bei 23 °C und 20 PSIA, bei -10 °C und 56 PSIA oder bei 42 °C und 14 PSIA … der auf dem Bildschirm angezeigte Massendurchfluss ist immer gleich. Alle Messwerte werden unter STP-Bedingungen in einen standardisierten Volumenstrom umgerechnet. Die Standard-STP-Bedingungen sind 25 °C und 1 atm (14,6959 PSIA), dies ist jedoch einstellbar. Um auf das obige Beispiel zurückzukommen: Ein standardisierter Volumenstrom wird für Argon bei 23 °C und 20 PSIA berechnet. Bei 25 °C und 1 atm weist Argon jedoch die folgenden Eigenschaften auf:

• Absolute Viskosität: 226,23990
• Dichte: 1,63387
• Komprimierbarkeit: 0,9993656

Unabhängig von der Temperatur oder dem Druck, bei dem Sie das Argon durchströmen, wird der auf dem Bildschirm angezeigte Wert immer so sein, als ob das Gas bei 25 °C und 1 atm strömen würde.

Einheiten des Massendurchflusses

Da es sich beim Massendurchfluss um einen standardisierten Volumenstrom handelt, werden die Einheiten in der Regel entsprechend angegeben. Beispiele hierfür sind SLPM (Standardliter pro Minute), SCCM (Standardkubikzentimeter pro Minute) und SCFH (Standardkubikfuß pro Stunde). Dabei handelt es sich um Volumen pro Zeiteinheit, nicht um Masseneinheiten. Ein Massendurchfluss lässt sich jedoch mithilfe der folgenden Gleichung leicht in einen tatsächlichen Massendurchfluss umrechnen: Tatsächlicher Massendurchfluss = (Massendurchfluss) × (Gasdichte bei STP oder NTP). Dazu benötigt man lediglich den Massendurchfluss und die Gasdichte. Einige Massendurchflussmessgeräte, wie beispielsweise Coriolis-Messgeräte, geben direkt einen tatsächlichen Massendurchfluss aus.

Wann wird der Massendurchfluss verwendet?

Ein Massendurchfluss ist so standardisiert, dass Sie genau bestimmte Partikelmengen zuverlässig durch Ihr System leiten können, ohne sich Gedanken über Temperatur- oder Druckschwankungen machen zu müssen. Massendurchflussgeräte werden häufig für Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Genauigkeit sowie die präzise Messung und Regelung bestimmter Gasmengen erfordern. Stellen Sie sich vor, Sie müssen Argon mit genau 5 SLPM durch einen Massendurchflussregler leiten. Zu Beginn des Durchflusses betragen Temperatur und Druck des Gases 23 °C und 20 PSIA. Dann schaltet jedoch jemand in der Nähe einen Ofen ein, und die Temperatur steigt auf 27 °C an. Das Gerät korrigiert die Werte stets auf STP-Bedingungen (25 °C und 1 atm), sodass genau die richtige Partikelmenge durchgeleitet wird. Viele Anwendungen profitieren von der Messung und Regelung des Massenstroms, darunter die Entgasung von Bioreaktoren, Prüfung von Brennstoffzellenmembranenund Erdgasüberwachung.

Ändert sich der Massendurchsatz mit der Dichte?

Der Massenstrom hängt von der Dichte des durchströmenden Gases ab. Bei laminaren Differenzdruckmessgeräten ist es wichtig, die genaue Zusammensetzung des durchströmenden Gases zu kennen, damit präzise Dichtekorrekturen vorgenommen werden können. Glücklicherweise bietet Alicat Differenzdruckmesser und Differenzdruckregler sind vorgeladen mit 98+ Gase die Informationen zur Gasdichte enthalten. Ein Vorteil der Berechnung und Berichterstattung unter Standardbedingungen ist, dass es relativ einfach ist, die Korrekturfaktoren anwenden auf Ihre Durchflussdaten, falls Sie versehentlich mit dem falschen Gas durchströmen. Echte Massendurchflussmessungen hängen ebenfalls von der Dichte ab. Coriolis-Massendurchflussmesser und Coriolis-Massendurchflussreglerverwenden jedoch keine bekannten Gaseigenschaften zur Berechnung der Durchflussraten. Sie sind in der Lage, die Flüssigkeitsdichte selbst zu messen und die tatsächlichen Massendurchflussraten genau anzugeben, selbst wenn Prozessflüssigkeiten mit unbekannter Zusammensetzung fließen.