Thermischer Massenstrommesser für Gas – die beste Wahl zur Messung des Biogasstroms

Thread Content

Die Wiederverwertung von Biogas ist ein vorteilhaftes, umweltschonendes Systemprojekt, das dem Land und den Menschen zugutekommt. Alle Länder investieren personelle und materielle Ressourcen, um die Technologien zur Gewinnung und Nutzung von Biogas intensiv zu entwickeln. Ihre Biogas-Erzeugungstechnologie gehört auch international zu den fortschrittlichsten Technologien, und nur wenige **haben sie in der Hand. Unternehmen konzentrieren sich auf wirtschaftliche und soziale Vorteile – sie fragen sich, wie viele Kilowattstunden Strom aus 1 m³ Gas erzeugt werden können Einige traditionelle Durchflussmesser haben sich in Anwendungen zur Messung von Biogas in der Praxis als nicht besonders effektiv erwiesen. Mit der Reifung der Technologie der thermischen Gasmassenstrommessgeräte sowie deren hervorragender praktischer Nutzen beginnen immer mehr Biogasanlagen oder Unternehmen zur Rückgewinnung von Biogas, diese Messgeräte zu verwenden. Durch den erfolgreichen Einsatz der thermischen Methode konnte das seit Langem die Branche plagende Problem der Biogasmessung gelöst werden. Es wird nun eine Vergleichsanalyse der Eigenschaften, des Funktionsprinzips sowie der Anwendung von Wärmemassenstrommessern mit den Leistungsmerkmalen anderer Typen von Strömungsmessern vorgenommen. Vortex-Strömungsmesser (Gase) ▲ Eigenschaften des Vortex-Strömungsmessers: Keine beweglichen Teile, hohe Messgenauigkeit, geringer Druckverlust. Der Messelement kommt nicht in Berührung mit der zu messenden Flüssigkeit. Das Ausgangssignal hängt nicht von Parametern wie Temperatur, Druck, Dichte, Zusammensetzung oder Viskosität der Flüssigkeit ab. 　　▲ Prinzip des Vortex-Flowmeters: Es nutzt das Prinzip der Karman-Vortex-Streifen aus der Strömungsmechanik, um den Durchfluss von Flüssigkeiten zu messen. Wenn ein Wirbel erzeugendes Objekt (z. B. ein Zylinder, ein Trichter oder andere nicht-strömungsgleiche Symmetriebörper) senkrecht in einen Rohrleitung eingeführt wird, entstehen beim Fließen der Flüssigkeit im Rohr abwechselnd auf den linken und rechten Seiten hinter dem Wirbel erzeugenden Objekt Wirbel – dadurch entsteht eine Reihe von Wirbeln. Diese beiden Wirbel bilden einander parallel und treten abwechselnd links und rechts auf, wobei ihre Drehrichtungen entgegengesetzt sind. Die Frequenz der Wirbel, f (in Hz), hängt von der durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit des Fluids, v (in m/s), sowie von der Breite des Wirbelerzeugers, d (in m), ab. Die Beziehung lautet: f = St * v / d. Dabei ist St der Strouhal-Koeffizient, der von der Breite des Wirbelerzeugers d sowie vom Reynolds-Zahl des Fluids abhängt. ▲ Der Wirbelstrommesser ist relativ einfach in der Anwendung und auch leicht zu installieren. Es gibt ihn in zwei Varianten: als Einbaumodell und als Rohrmodell. Bei der Installation muss darauf geachtet werden, dass die Fließrichtung des Fluids mit der von dem Durchflussmesser angezeigten Richtung übereinstimmt. 　　▲ Nachteile des Vortex-Strömungsmessers: Das Messbereichsverhältnis ist geringer als bei Wärmemessgeräten für Gasströme (meist nur 10:1); es ist stark von Vibrationen beeinflusst; die Größe der Rohrleitung steht in direktem Verhältnis zum Preis; eine Temperatur- und Druckkompensation ist erforderlich, um genaue Messungen vorzunehmen; im kleinen Messbereich ist das Gerät ungenau und instabil – fast unmöglich, dort Messungen durchzuführen. Ultraschallströmungsmesser (Gase) ▲Eigenschaften des Ultraschallströmungsmessers: Kein Druckverlust; einfache Installation; unabhängig von den Eigenschaften des Fluids wie Temperatur, Druck und Viskosität; keine beweglichen Teile; kann schmutzige, korrodierte Gase sowie mehrkomponentige Gase messen. 　　▲Prinzip des Ultraschallstrommessers: In der Rohrleitung wird die Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen in Richtung Strömung und gegen die Strömung gemessen, wobei anschließend durch Berechnung die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ermittelt wird. Der Durchfluss des Fluids kann anhand der Geschwindigkeit des Mediums, des Rohrdurchmessers sowie durch eine dynamische Korrektur des Fluids mithilfe der Reynolds-Zahl ermittelt werden. 　　Genauer gesagt: In der Leitung werden zwei Ultraschall-Sensoren in Form eines „Z“ angeordnet. Der Abstand L zwischen den beiden Sensoren entspricht dabei der Strecke, die die Ultraschallwellen zurücklegen müssen. Die Zeit, die die Ultraschallwellen benötigen, um in entgegengesetzter Richtung zwischen den beiden Sensoren zu wandern, wird jeweils wie folgt ausgedrückt:
Ts = L/(C + V·cosθ); Tn = L/(C – V·cosθ)
Dabei ist C die Geschwindigkeit der Schallwellen in stiller Luft. Diese Geschwindigkeit hängt von den Eigenschaften des Gases ab und hat die Einheit m/s. V ist die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums, in m/s. θ ist der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Schallwellen und der Achse des Rohrs. 　　▲Der Einsatz von Ultraschall-Flussmessern ist ebenfalls recht einfach. Er wird in Z-Form auf der Oberfläche des Rohres montiert. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Montagestelle des Sensors glatt geschliffen und mit Butter eingerieben wird. Anschließend kann der Sensor mit den Befestigungselementen fest am Rohr befestigt werden. 　　▲Nachteile von Ultraschall-Flussmessern: Das Messbereichsverhältnis ist im Vergleich zu thermischen Gasflussmessern etwas geringer, und die Wartung ist relativ aufwendig. Geräte mit hoher Genauigkeit bei Gasen sind teuer, erfordern Temperatur- und Druckkompensation bei der Messung und haben eine aufwändige Ausstattung. Rotationsmesser (Gase) ▲ Eigenschaften des Rotationsmessers: Lokale Anzeige, kein Strombedarf; relativ günstiger Preis. Es gibt ihn in zwei Materialvarianten – meist werden Glasrohr-Rotationsmesser sowie Metallrohr-Massenstrommesser verwendet. Sowohl die Anzeige vor Ort als auch die Fernanzeige sind möglich; die Schnittstellen umfassen HART, Standardstromsignale, PROFIBUS usw. 　　▲Prinzip des Rotationsmessers: Das Rotationsmesser ist ebenfalls ein Geschwindigkeitsmessgerät. Es besteht aus zwei Teilen: Zum einen handelt es sich um einen kegelförmigen Rohr, das oben breit und unten schmal ist. Zum anderen befindet sich im kegelförmigen Rohr ein Rotor – auch Schwimmer genannt. Der Gewicht des Rotors wird ausgeglichen, indem der Druckunterschied ΔP genutzt wird, der entsteht, wenn die Flüssigkeit durch den Spalt zwischen dem Rotor und der Wand der kegelförmigen Röhre fließt (Drosselfläche). Während der Messung fließt die zu prüfende Flüssigkeit von der unteren Seite des kegelförmigen Rohres hinein und von der oberen Seite wieder heraus. Die Größe der Auftriebskraft, die das Fluid auf den Rotor ausübt, ist immer gleich dem Gewicht des Rotors, also gilt:
F = ΔP * A; G = V * (ρt – ρf) * g.
Da F = G gilt, folgt: ΔP * A = V * (ρt – ρf) * g.
Daraus ergibt sich: ΔP = V * (ρt – ρf) * g / A (1).
In dieser Gleichung steht V für das Volumen des Rotors, A für die maximale Querschnittsfläche des Rotors, g für die lokale Schwerkraftbeschleunigung. ρt und ρf sind jeweils die Dichten des Materials des Rotors sowie des zu messenden Fluids. ΔP ist der Druckunterschied zwischen dem Fluid oberhalb und unterhalb des Rotors in vertikaler Richtung. Aus Gleichung (1) geht hervor, dass der Druckunterschied während des gesamten Betriebsverlaufs konstant bleibt. Wenn der Durchfluss zunimmt, steigt natürlich auch die Strömungsgeschwindigkeit im Drosselbereich. Um den Druckunterschied ΔP konstant zu halten, muss man daher die Drosselfläche vergrößern, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Daher kann man anhand der Höhe der Ausgleichsposition des Rotors die Größe des Durchflusses ermitteln. Es kann mit Gleichung (2) ausgedrückt werden:
Q = k * h * (2△P/ρf)¹/² (2)
Dabei ist k die Konstante des Messinstruments; h ist die Höhe, in der sich der Rotor befindet. Durch Einsetzen von Gleichung (1) erhält man:
Q = k·h·√(2gV(ρt–ρf)/(ρf·A)).
▲ Der Rotationsstrommesser ist in der Anwendung recht einfach zu bedienen – es reicht aus, die entsprechenden Schrauben festzuziehen. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Fließrichtung des Fluids senkrecht nach oben verläuft. 　　▲Nachteile des Rotationsstrommessers: Das Messbereichsverhältnis beträgt nur 10:1; der Druckverlust ist relativ hoch; Verunreinigungen können leicht zu Verstopfungen führen; die Installation und Wartung sind relativ kompliziert; es ist empfindlich gegenüber Vibrationen; es sind Temperatur- und Druckkompensationen erforderlich; der Durchmesser der Rohrleitung steht in direktem Verhältnis zum Preis – in der Regel bis DN200. Thermischer Massenstrommesser ▲ Eigenschaften des thermischen Massenstrommessers: Das Messbereichsverhältnis kann bis zu 1000:1 betragen; in den niedrigen Messbereichen ist der Messwert sehr präzise. Der Messer ist nicht von Temperatur und Druck beeinflusst – es wird direkt die Masse des Gases gemessen. Der Druckverlust ist vernachlässigbar. Es sind präzise Messungen auch bei großen Durchmessern und geringen Strömen möglich. Der Preis hängt kaum vom Durchmesser der Leitung ab. Die Präzision kann bis zu 1 % erreichen. Der Temperaturbereich erstreckt sich von -40°C bis 400°C. Der Messer ist außerdem nicht empfindlich gegenüber Staub und Partikeln. 　　▲Prinzip des thermischen Massenstrommessers: Es handelt sich um ein Strömungsmesser, der auf dem Prinzip der Wärmeausdehnung beruht. Einfach ausgedrückt: Eine Wärmequelle, die sich im Fluid befindet, verliert an Wärme, wenn das Fluid an ihr vorbeifließt. Je größer die Massenströmung des Fluids ist, desto mehr Wärme geht von der Wärmequelle verloren. Unter idealen Bedingungen sollten somit die Durchflussmenge des Fluids und die Menge an Wärme, die vom Wärmequellen verloren geht, gleich sein. Daher können wir, wenn wir den Wert der Wärme kennen, die Durchflussmenge des Fluids ermitteln. 　　Konkret bei der Realisierung eines thermischen Massenstrommessers (im Folgenden als thermischer Durchflussmesser bezeichnet) bedeutet das: Der Sensor des thermischen Durchflussmessers verfügt über zwei Proben – eine dient als Referenzpunkt zur Messung der Temperatur des Fluids, die andere fungiert als Heizquelle. Auf der Grundlage dessen, was oben gesagt wurde, können wir die folgende Gleichung (3) aufstellen:
P/△T = A + B * (Q)^m (3)
Dabei ist P die Leistung, die das Elektronikmodul als Heizquelle bereitstellt; △T ist die Temperaturdifferenz zwischen der Heizquelle und dem Referenzpunkt; A und B sind Konstanten, die mit den Eigenschaften des Fluids selbst zusammenhängen; m ist ein Exponentenfaktor, der ebenfalls von den Eigenschaften des Fluids abhängt; Q ist die Massenflussrate des Fluids. Aus Gleichung (3) geht hervor, dass es zwei Methoden zur Messung des Durchflusses gibt: Bei festem P handelt es sich um die Methode mit konstanter Leistung; bei festem ΔT handelt es sich um die Methode mit konstanter Temperaturdifferenz. Üblicherweise verwenden wir die Methode der konstanten Temperaturdifferenz zur Messung. Die Vorteile dieser Methode sind: In dem niedrigen Messbereich ist sie besonders empfindlich, außerdem ist die Reaktionsgeschwindigkeit hoch. Alle auf dem Markt erhältlichen Produkte nutzen diese Methode. 　　▲Wärmemassenflussmesser sind einfach in der Anwendung und Installation; es gibt sie in Einbaulösungen sowie Rohrleitungsvarianten. Egal ob als Einbaulösung oder als Rohrleitungslösung – die Wartung und Bedienung sind äußerst einfach. Bei der Installation muss darauf geachtet werden, dass die Fließrichtung des Fluids mit der Richtung übereinstimmt, die vom thermischen Durchflussmesser angezeigt wird. 　　▲Nachteile des thermischen Massenstrommessers: Es eignet sich nicht für die Installation in Umgebungen mit hoher Viskosität; außerdem ist es nicht geeignet für Orte, an denen der Wassergehalt 40 % übersteigt. Aus zahlreichen praktischen Anwendungsfällen in verschiedenen Branchen geht hervor, dass Wärmemassenstrommesser bei der Messung von Gasen deutliche Vorteile aufweisen – insbesondere bei niedrigem Druck und komplexer Gasmischung. Im Vergleich zu anderen Durchflussmessern weisen Wärmemassendurchflussmesser Vorteile wie geringe Druckverluste, ein breites Messbereichsverhältnis sowie hohe Empfindlichkeit im niedrigen Messbereich auf, was den Energieverbrauch reduziert. Seine erfolgreiche Anwendung stellt Ausrüstung für eine präzise Messung des Biogasflusses in Zukunft bereit.