Anwendung und Auswahl von thermischen Massenstrommessern für Gase

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Durch seine einzigartigen Vorteile wird der thermische Massenstrommesser von immer mehr Nutzern anerkannt und eingesetzt und findet bereits in vielen Anwendungen zur Messung des Gasstroms Verwendung. Aber auch in diesen Anwendungen gibt es viele Probleme und Missverständnisse. Unverantwortliche Werbemaßnahmen seitens der Hersteller sowie Mängel in der Produktqualität führen zu zahlreichen Hindernissen und Schwierigkeiten bei der Nutzung der Geräte. Dadurch entstehen bei vielen Nutzern Missverständnisse bezüglich der Funktionsweise der thermischen Gasstrommessgeräte. Einige glauben fälschlicherweise, dass solche Messgeräte den Gasfluss unter allen Bedingungen messen können, während andere sie ablehnen und gegen sie sind. In den letzten Jahren habe ich mich darauf konzentriert, Wärmestrommessgeräte zu bewerben und bekannt zu machen. Ich hatte Kontakt mit verschiedenen Marken von Messgeräten aus dem In- und Ausland und stieß bei der praktischen Vermarktung auf viele Anwendungsprobleme. Dadurch sammelte ich zahlreiche Fallbeispiele. Durch die Analyse dieser Beispiele habe ich einige Erkenntnisse gewonnen, die ich gerne mit Ihnen teilen möchte. Dieser Artikel wird aus fachlicher Sicht Fragen beantworten und den Fachleuten in verschiedenen Branchen dabei helfen, die richtigen thermischen Gasmassenstrommessgeräte auszuwählen. Wir werden dies aus drei Aspekten erläutern: Erstens. Die richtige Verständnis der Funktionsweise des thermischen Massenstrommessers. Der Ursprung des thermischen Massenstrommessers liegt im Hot-Wire-Anemometer. Es besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Temperatur der Platinheizspule und der Geschwindigkeit des Fluidflusses: Je höher die Fließgeschwindigkeit, desto mehr Wärme wird mitgenommen. Im Folgenden wird kurz erläutert, warum durch die Messung der Temperaturänderungen die Massenströmung des Gases bestimmt werden kann. Formel: H = m × Cp × ΔT. Die gemessene Wärmemenge H kann bei konstantem Temperaturunterschied ΔT direkt berechnet werden, wobei es sich um ein Gas mit konstanter Spezifische Wärmekapazität Cp handelt. Auf diese Weise lässt sich die Massenströmung des Gases m ermitteln. Im Folgenden erklären wir mikroskopisch, warum eine direkte Messung des Massenstroms von Gasen notwendig ist. Wie in der Abbildung dargestellt, führen die Gasmoleküle durch den Kontakt mit der beheizten Wand einen Wärmetransport durch und nehmen so die Wärme von der Sonde auf. Da die Fähigkeit der verschiedenen Gasmoleküle, Wärme zu transportieren, unterschiedlich ist, kann man bei bekannter Wärmeleitfähigkeit der Gasmoleküle (bekannter Cp-Wert) die Anzahl der durchfließenden Gasmoleküle direkt durch Messung der abgegebenen Leistung ermitteln. Die Anzahl der Gasmoleküle entspricht dabei auch der Masse des Gases – somit lässt sich die Massenströmung des Gases bestimmen. Wenn wir die Formel H=m×Cp×ΔT umformen, erhalten wir: m=H/Cp×ΔT. Dabei ist m die Masseströmung des Gases, H die Größe der kompensierten Leistung, Cp die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck – diese hängt vom Typ des Gases ab – und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren. Aus dieser Formel lassen sich zwei verschiedene Prinzipien ableiten: Entweder wird die Temperaturdifferenz im Nenner konstant gehalten, wobei durch die gleichzeitige Messung der von dem Gas mitgenommenen Wärmeenergie H die Masseströmung des Gases bestimmt wird. Das ist das derzeit am häufigsten verwendete Prinzip in der Industrie. Wenn die Wärmeenergie H der Moleküle konstant gehalten wird und die Größe des Temperaturunterschieds in Echtzeit gemessen wird, um den Massenstrom des Gases zu ermitteln, handelt es sich um einen Wärmeströmungsmesser mit konstanter Leistung. Das Prinzip der konstanten Temperaturdifferenz weist hervorragende Eigenschaften bei niedrigem Durchfluss auf; selbst bei einer Massenströmungsgeschwindigkeit von nur 0,1 Nm/s bleibt die Linearität ausgezeichnet. Außerdem verfügt es über eine schnelle Reaktionsfähigkeit. Das Prinzip der konstanten Leistung ermöglicht die Erkennung größerer Geschwindigkeitsänderungen und zeigt in Anwendungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine sehr gute Leistung. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ist seine Leistung jedoch nicht so gut wie bei konstanter Temperaturdifferenz. Zudem ist die Reaktionszeit im Vergleich zu der bei konstanter Temperaturdifferenz schlechter. II. Richtiges Verständnis der hervorragenden Eigenschaften von Wärmemassenstrommessern Ein hochwertiger Wärmemassenstrommesser muss zwei wesentliche Eigenschaften aufweisen: eine gute Fertigungsqualität der Sensoren sowie ein vollständiges Kalibrierungssystem für den tatsächlichen Durchfluss. Lassen Sie uns diese beiden Eigenschaften einzeln analysieren: a. Herstellungsprozess der Sonde: Zuvor haben wir das Prinzip des thermischen Durchflussmessers erörtert. Aus diesem Prinzip geht hervor, dass die Sonde das Herzstück eines solchen Messgeräts ist. Ihre Leistung bestimmt wiederum die Genauigkeit der Messungen, die Wiederholgenauigkeit, die Lebensdauer sowie die Leistung bei niedrigen Durchflussraten. Die Sonde besteht aus Platin-Widerstandswiren und einer Schutzhülle aus Edelstahl. Die Platinheizelemente leiten Strom, und auch die Umhüllung aus Edelstahl leitet Strom. Deshalb muss das Füllmaterial zwischen ihnen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit haben – darf aber gleichzeitig keinen Strom leiten. Dies führt zum Kern aller thermischen Durchflussmesser – dem Füllmaterial der Heizelektrode sowie dem Verpackungsverfahren: Je dicker die Füllschicht ist, desto besser ist zwar die Isolierwirkung, doch die Wärmeleitfähigkeit ist schlechter, außerdem ist die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen geringer und es tritt eine Verzögerung in der Reaktion auf. Wenn das Füllmaterial organisch ist, altert es leicht, was zu Rissen im Füllmaterial führt. Dadurch weicht der Nullpunkt des Durchflussmessers ab. Wenn sich im Füllmaterial kleine Luftblasen befinden, dehnen sich diese aufgrund der ständigen Erwärmung des Sensors aus, was zu Schwankungen am Nullpunkt führt. Der herkömmliche thermische Massenstrommesser mit Geschwindigkeitssensor ist am Ende einer Stahlrohrsonde untergebracht, und zwischen dem Sensor sowie der Innenwand des Stahlrohrs wird eine Mischung gefüllt. Die Mischung muss elektrisch isolierend sein und gleichzeitig einen geringen Wärmewiderstand aufweisen; dazu werden in der Regel Epoxidharze, keramisches Zement, hitzebeständige Pasten oder Aluminiumoxid- und Magnesiumoxidpulver verwendet. Diese „feuchten“ Sensoren, die mit dem oben beschriebenen Füllmaterial ausgestattet sind, weisen einige Mängel auf: So nimmt beispielsweise der Wärmewiderstand ihrer Oberfläche im Laufe der Zeit zu, wodurch die Ausgangskurve einen abfallenden Verlauf zeigt. Dadurch sinkt die Empfindlichkeit des Sensors, was letztendlich die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigt. “Der Füllstoff des „Feuchtigkeits“-Sensors weist aufgrund eines anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum Geschwindigkeitssensor mit der Zeit Veränderungen auf – es entstehen Alterungserscheinungen und Risse. Dadurch wird die Messgenauigkeit des Sensors beeinträchtigt, und es fällt schwer, eine konstant hohe Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Mit einer solchen Verpackung und Füllstoffe ist der Unterschied auf kurze Sicht nicht erkennbar, doch nach einem halben Jahr oder einem Jahr treten Probleme wie eine schlechtere Wiederholgenauigkeit und Drift auf. Rechts ist eine Aufschlüsselung des thermischen Durchflussmessersensors von SIERRA in den USA zu sehen. Der Geschwindigkeitssensor von Sialer ist derzeit der einzige echte „trockene“ Sensor der Welt. Seine einzigartige Verpackungstechnik sorgt dafür, dass der Geschwindigkeitssensor perfekt mit der Innenwand aus Edelstahl ausgefüllt wird – ohne dass organische Stoffe als Füllmaterial verwendet werden, sondern anorganische Stoffe wie Platin-Iridium. Die Sensitivität und Wiederholgenauigkeit der Siyale-Thermomassenstrommessgeräte sind optimal. Im Inneren des Geschwindigkeitsensors entstehen niemals Risse im Füllmaterial, und es kommt auch nicht zu Abweichungen aufgrund von Rissen. Dadurch wird die Messgenauigkeit erheblich verbessert, und die Genauigkeit bleibt über einen langen Zeitraum hinweg auf hohem Niveau. SIERRA verwendet in den wichtigsten Komponenten des thermischen Systems einen einzigartigen, nanoskaligen Isolierstoff auf Basis anorganischer Stoffe. Durch Hochdruckformung wird dieser nanoskalige Füllstoff noch dichter – dadurch wird gewährleistet, dass es über einen Zeitraum von zehn Jahren zu keinerlei Abweichungen kommt. Zwei verschiedene Verpackungstechnologien führen ebenfalls zu Produkten unterschiedlicher Qualität. b. Technik zur Kalibrierung mit tatsächlichem Durchfluss: Zunächst sprechen wir über die Bedeutung der Kalibrierung eines thermischen Massenstrommessers mit tatsächlichem Durchfluss. Wie bereits erwähnt, beruht das Prinzip der thermischen Messung darauf, dass die Messung mit einem thermischen Massenstrommessgerät stark von der Wärmeleitfähigkeit des zu messenden Gasmediums abhängt. Die spezifische Wärmekapazität jedes Gasmediums ändert sich bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken. Es ist wissenschaftlich unsinnig, sich allein auf die Kalibrierung mit Luft bei Normaldruck oder Unterdruck und anschließende Korrekturen zu verlassen, um einen hochwertigen Durchflussmesser zu erhalten. Außerdem hat sich gezeigt, dass Messgeräte ohne präzise Kalibrierung bei der Messung nicht-luftbasierter Medien erhebliche Datenabweichungen aufweisen. Derzeit werden die meisten thermischen Massenstrommessgeräte für Gase auf dem Markt mit negativem Luftdruck in einem offenen System kalibriert, um anschließend auf Bedingungen hoher Drücke angepasst zu werden – oder auf andere Gase wie Argon, Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak usw. Eine Korrektur der Kalibrierung führt unweigerlich dazu, dass die Messgenauigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann. Geräte, die nach Kalibrierung unter niedrigem Druck verwendet werden, sollten in Umgebungen mit hohem Druck eingesetzt werden, und Geräte, die nach Kalibrierung mit Luft als Medium verwendet werden, sollten in Umgebungen mit anderen Gasen eingesetzt werden – in solchen Fällen kann die Messgenauigkeit nicht garantiert werden. III. Die richtige Auswahl des thermischen Massenstrommessers
Es gibt Daten, die zeigen, dass bei Fehlern in der Durchflussmessung etwa 70 Prozent auf eine falsche Auswahl des Messgeräts zurückzuführen sind, während 30 Prozent auf die Qualität des Messgeräts oder andere Ursachen entfallen. Das zeigt, wie wichtig die richtige Auswahl des Messgeräts für die genaue Durchflussmessung ist. Kunden von thermischen Massenstrommessern sollten besonders darauf achten, keinen bestimmten Messerotyp auszuwählen, es sei denn, sie möchten den vorhandenen Messer ersetzen. Es ist am besten, diese Aufgabe dem Verkäufer zu überlassen, da er auf diesem Gebiet spezialisiert ist. Sie müssen nur möglichst vollständige Betriebsdaten sowie einige technische Anforderungen bereitstellen. Zum Beispiel der Durchflussbereich (es wird empfohlen, die Durchflussmenge in Kubikmetern anzugeben), das zu messende Medium, der Durchmesser der Rohrleitungen, das Material der Rohrleitungen, der Betriebsdruck, die Betriebstemperatur, ob eine explosionssichere Ausführung erforderlich ist, die Betriebstemperatur des Durchflussmessers, die Anforderungen an die Signalversorgung, die Genauigkeitsklasse sowie für welche Anwendung das Gerät verwendet wird (Prozesssteuerung oder Handelsmessung). Zudem sind die Trockenheit und Reinheit des zu messenden Mediums von Bedeutung. Um den Durchfluss des Gemischs zu messen, müssen die Prozentsätze der jeweiligen Stoffe angegeben werden. Zum Schluss noch ein Hinweis: Wenn es vor Ort möglich ist, sollte man einen integrierten Durchflussmesser wählen. Wenn es sich um eine getrennte Konstruktion handelt, dann sind die Übertragungskabel als Teil der Messbrücke ebenfalls Widerstände. Unabhängig davon, wie gut diese Kabel hergestellt sind, hat ihr Widerstand aufgrund des sehr geringen Widerstands der Messsonden sicherlich Einfluss auf die Berechnungen und Verarbeitungen im elektronischen Schaltkreis. Zudem können durch die Bedingungen vor Ort Veränderungen des Widerstands auftreten. Wenn man unbedingt eine getrennte Variante wählen muss, empfiehlt es sich, die Entfernung zwischen den beiden Teilen so kurz wie möglich zu halten. Wenn das zu messende Gas ein anderes Gas als Luft ist, wird empfohlen, Wärmestrommessgeräte zu verwenden, die im Ausland mit Referenzflüssen kalibriert wurden – das sollte unbedingt berücksichtigt werden. Natürlich können Sie auch zu den günstigeren thermischen Durchflussmessgeräten greifen, sofern Sie keine hohen Anforderungen an die Messdaten haben und es Ihnen egal ist, wie groß die Abweichungen sind – schließlich geht es dabei nur darum, die Durchflussentwicklung zu überwachen. Achten Sie besonders auf Produkte, die zu niedrigen Preisen zum Verkauf angeboten werden. Berechnen Sie die grundlegenden Kosten, um zu prüfen, ob es sich um Flowmeter handelt, die eine ausreichende Produktqualität gewährleisten können. Es gibt eine grundlegende Kostenart, der man nicht ausweichen kann: Die Kalibrierung eines Gasflowmeters mit einem Durchmesser von unter DN50 kostet etwa 1000 Yuan (die Gebühren variieren je nach Prüflabor leicht). Unter DN100 beträgt es 1500 Yuan. Ab DN100 erhöht sich die Kalibrierungskosten pro Durchmesserklasse um etwa 1000 Yuan. Der wichtigste Aspekt bei der richtigen Auswahl eines thermischen Massenstrommessers ist, viel zu lernen*, die Messprinzipien sowie die Leistungsmerkmale des Produkts zu verstehen, intensiv mit den Vertretern des Herstellers zu kommunizieren und die Besonderheiten der verschiedenen Marken zu erkennen. Nur so kann man auf eigenen Beinen stehen und die für die eigenen Anforderungen geeigneten Massenstrommessgeräte für heiße Gase richtig auswählen. (Umgeleitet vom HaiChuan Chemie-Forum, Urheberrecht beim ursprünglichen Autor)