Anwendung und Auswahl von thermischen Massenstrommessern für Gase

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von *aojiaoya0546 am 28.06.2016 um 19:31 bearbeitet. Die thermischen Massenstrommessgeräte werden aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile von immer mehr Nutzern anerkannt und eingesetzt. Sie finden 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 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, Warmgasströmungsmesser zu bewerben und bekannt zu machen. Ich hatte Kontakt mit verschiedenen Marken von Strömungsmessern 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. I. Die Entstehungsgeschichte des thermischen Massenstrommessers: In den 1960er Jahren gab es in den USA zwei berühmte Wissenschaftler namens Dr. John Olin und Dr. Jerry Coz. Die beiden absolvierten die Stanford University und traten bei dem Unternehmen TSI in Minnesota ein. Von 1968 bis in die frühen 1970er Jahre arbeiteten sie im Entwicklungsdepartment von TSI, wo sie hauptsächlich Anemometer für den Bereich HAVC entwickelten. Später verließen sie das Unternehmen TSI und begannen, gemeinsam an ihrem eigenen thermischen Massenstrommessgerät zu arbeiten. Sie erkannten, dass die Hot-Wire-Geschwindigkeitsmesser nicht für den Einsatz in industriellen Umgebungen geeignet waren. Die ersten Produkte waren Luftgeschwindigkeitsmesser und Windgeschwindigkeitssensoren sowie Produkte zur Luftprobenentnahme – das bildete die Grundlage für die anfänglichen Produkte von Sierra Instruments. Sierra Instruments wurde 1973 in Minnesota gegründet. Im Jahr 1975 zog Sierra Instruments von Minnesota nach Kalifornien. Nach einigen Jahren der Zusammenarbeit trennten sich die beiden Unternehmen im Jahr 1977. Dr. John Olin behielt Sierra Instruments sowie die Produkte zur Luftprobenentnahme bei, während Dr. Jerry Kurz das Unternehmen Kurz Instrument gründete und dabei die Luftschnelligkeitsmessgeräte sowie Windgeschwindigkeitssensoren des ehemaligen Unternehmens erhielt. Sierra hat Messverfahren für thermische Durchflussmesser für Luft und Gas entwickelt, einschließlich der Anwendung bei mehrkomponentigen Gasen. Sierra-Thermometer werden ebenfalls in großem Umfang im Industriebereich eingesetzt, darunter in der Pharmaindustrie, in der Biotechnologie sowie in den Branchen Petrochemie und Stahlherstellung ； Es wird auch zur Messung des Verbrennungsstrahls, zur Dosierung von Erdgas sowie zur Überwachung von Schornsteingasen eingesetzt. Sierra ist das einzige Unternehmen, das den gesamten Bereich der Messung des Gasflussrates abdeckt – von 0,1 Milliliter pro Minute bis hin zu Massenströmen in Höhe von mehreren hundert Metern pro Sekunde. Jedes Gerät wird erst nach individueller, in Echtzeit durchgeführter Kalibrierung ausgeliefert. Die herausragendste Anwendung von Kurz-Messgeräten ist in Kraftwerken. Kurz hat eine Reihe von ein- und mehrpunktmäßigen, thermischen Durchflussmessgeräten entwickelt, um Abgasgase sowie Verbrennungsgase zu messen und zu überwachen. Kurz’sche Uhren werden auch in der Raffinerie-, Zement-, Papier- und anderen Prozessindustrien eingesetzt. Zur gleichen Zeit wie Sierra und Kurz existierte in den USA auch ein weiteres bekanntes Unternehmen: FCI. Das Unternehmen FCI wurde im Jahr 1964 gegründet. Anfangs stellte es in Kalifornien thermische Schalter her, die dazu dienten, festzustellen, ob das Öl in den Ölfeldern in Bewegung war oder stillstand – sie dienten nicht zur Messung des Durchflusses. Erst im Jahr 1981 wurden echte Durchflussmesser entwickelt ； In jenem Jahr begann die FCI, zahlreiche elektronische Komponenten in die Steuereinheiten einzubauen, wodurch der erste thermische Durchflussmesser zur Messung von Gasen entwickelt werden konnte. Später gründeten einige Mitarbeiter aus den Unternehmen Sierra, Kurz und FCI jeweils eigene Unternehmen zur Herstellung und Entwicklung von thermischen Massenstrommessern für Gas, die allmählich auch in anderen Teilen der Welt Einfluss ausübten und sich dort verbreiteten. II. Prinzip und Aufbau des thermischen Massenstrommessers
Das thermische Massenstrommesser nutzt das Prinzip der Wärmeausdehnung. Die Wärmeausdehnungstechnologie zeichnet sich durch gute Leistungen unter schwierigen Bedingungen sowie hohe Zuverlässigkeit aus. Zu den typischen Sensorelementen gehören zwei Widerstände aus Platin – einer dient als Geschwindigkeitssensor, der andere zur Messung der Temperatur in der Leitung. Wenn diese beiden Sensoren in Gas befinden sich, misst der Temperatursensor die Temperatur des Gases im Rohr. Im Geschwindigkeitssensor befindet sich ein Elektroheizdraht, der auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher ist als die von dem Temperatursensor gemessene Temperatur – und zwar konstant gehalten wird. Der Luftstrom nimmt die Wärme vom Geschwindigkeitssensor mit, wodurch der Temperaturunterschied verringert wird. Um einen konstanten Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten, ist eine zusätzliche elektrische Leistung zur Heizung erforderlich, und die Größe dieser kompensierenden Leistung ist proportional zum Massenstrom des Gases. Bei thermischen Durchflussmessern, die in Industriepipelines eingesetzt werden, bestehen sowohl die Geschwindigkeitssonde als auch die Temperatursonde aus Platinwiderständen. Sie verfügen über einen robusten Schutzkörper. Die Platindrähte kommen nicht direkt mit der Flüssigkeit in Berührung, wodurch diese Messgeräte weit verbreitet sind. Für den Schutzkörper wird in der Regel Material vom Typ 316L verwendet. Bei korrosiven Gasmedien werden hingegen Hastelloy- oder Tantalmaterialien eingesetzt. Wir werden im Folgenden den Messprinzip der thermischen Methode anhand von Formeln genauer erläutern und herausfinden, warum ein thermischer Durchflussmesser ein Masse-Durchflussmesser ist. Formel: H = M × Cp × ΔT. Wenn die abgegebene Wärme Menge H gemessen wird und gleichzeitig der Temperaturunterschied ΔT konstant bleibt, kann für Gase mit konstanter Wärmekapazität Cp die Massenströmung M direkt berechnet werden. Betrachten wir es nun auf mikroskopischer Ebene: Der Grund für die Messung des Massenstroms von Gasen liegt darin, dass die Gasmoleküle mit der beheizten Wand in Berührung kommen und so Wärme übertragen – wodurch die Wärme an den Sensorkontakten abgeführt wird. Da die Fähigkeit der verschiedenen Gasmoleküle, Wärme abzutransportieren, unterschiedlich ist, kann man bei bekannter Wärmeleitfähigkeit der Gasmoleküle (bekannter Cp-Wert) die Anzahl der durchfließenden Gasmoleküle direkt anhand der gemessenen abgegebenen Leistung ermitteln. Die Anzahl der Moleküle entspricht wiederum der Masse – somit lässt sich die Massenströmung des Gases bestimmen. Um die Lebensdauer der Heizdrähte sowie deren Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, werden diese außen mit einer Edelstahlhülle umhüllt. Dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten der thermischen Heizung erweitert – doch dieser Prozess ist äußerst schwierig. Die Platinheizelemente leiten Strom, und auch die Hülle aus Edelstahl leitet Strom. Deshalb muss das Füllmaterial zwischen ihnen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit haben – gleichzeitig darf es jedoch keinen Strom leiten. Das führt zum Kern aller thermischen Durchflussmesser: dem Füllmaterial für die Heizspitze sowie den Verpackungsprozess dafür. Wenn man alle Hersteller von thermischen Durchflussmessern auf der Welt betrachtet, gibt es nur wenige Marken, die dieses Problem wirklich lösen können. Inländische Hersteller verwenden organische Materialien wie Epoxidharz oder keramisches Zement, hitzebeständige Pasten, Aluminiumoxidpulver sowie Magnesiumoxidpulver. Bei Sensoren, die aus solchen Materialien hergestellt werden, treten einige Mängel auf. So nimmt beispielsweise der Wärmewiderstand an der Oberfläche mit zunehmender Nutzungsdauer stetig zu. Dadurch zeigt die Ausgangskurve einen abnehmenden Verlauf, was wiederum zur Verringerung der Empfindlichkeit des Sensors führt und letztendlich die Genauigkeit beeinträchtigt. Der Einsatz dieser Materialien führt zu einer verkürzten Lebensdauer der Sensoren sowie zu einer **erhöhten Fehlerrate**. Inländische Hersteller haben zahlreiche Produkte ausländischer Marken analysiert und viele Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Aufgrund eines zu geringen wissenschaftlichen Know-hows sowie mangelnder Ressourcen in Form von Fachkräften und Finanzmitteln konnten die Probleme jedoch nicht effektiv gelöst werden. Infolgedessen weichen die Produkte erheblich vom fortschrittlichen Niveau im Ausland ab, was ihre Anwendung einschränkt. Dr. John O’Leary von dem amerikanischen Unternehmen SIERRA führte sein Team durch jahrzehntelange, sorgfältige Anstrengungen und unermüdliches Bemühen schließlich im Jahr 1999 zu einer verbesserten und perfektionierten, patentierten, revolutionären Technologie zur Messung der Massenströmungsgeschwindigkeit von Gasen – dem driftfreien „Trockensensor“. Die patentierte Dry-Sensor-Technologie nutzt eine einzigartige Füllung aus anorganischen Stoffen mit nanoskaligen Isoliereigenschaften. Durch Hochdruckformung werden diese nanoskaligen Füllstoffe noch dichter, wodurch sichergestellt wird, dass der Sensor über einen Zeitraum von zehn Jahren keine Abweichungen aufweist. Bei thermischen Massenstrommessern gibt es zwar sehr fortschrittliche Messprinzipien sowie wissenschaftlich fundierte Methoden zur Qualitätskontrolle seitens der Hersteller. Um jedoch hervorragende technische Leistungen zu erzielen, ist außerdem eine wissenschaftlich fundierte und präzise Kalibrierung mit echtem Strömungsmaterial erforderlich. Wir kennen das Prinzip der Wärmemethode: Die Masse des Fluids steht in einem proportionalen Verhältnis zur Leistung, mit der es erhitzt wird. Zudem spielt die spezifische Wärmekapazität des zu messenden Fluids eine wichtige Rolle. Die Wärmekapazität jedes Gasmediums unterscheidet sich bei verschiedenen Temperaturen – bei einigen Gasmedien sind diese Unterschiede sogar noch größer. Es ist wissenschaftlich nicht vertretbar, sich allein auf die Kalibrierung mit Luft bei Normaldruck und anschließende Korrekturen zu verlassen, um einen hochpräzisen Durchflussmesser zu erhalten. Außerdem hat sich gezeigt, dass Messgeräte ohne präzise Kalibrierung bei der Messung nicht-luftbasierter Medien erhebliche Datenabweichungen aufweisen. In dieser Hinsicht verfügt kein Unternehmen im Inland über eine Technologie zur Kalibrierung mit tatsächlichem Strömungsfluss; stattdessen wird eine offene, niedrigdruckige Luftkalibrierung verwendet. Daher sollte bei der Anwendung in nicht-luftbasierten Medien, wenn hohe Anforderungen bestehen, unbedingt darauf geachtet werden, keine mit Luft kalibrierten Produkte zu wählen. III. Anwendung und Auswahl: Eigenschaften der Anwendung von Wärmemassenstrommessern: a. Sehr breites Messbereichsverhältnis: Wärmemassenstrommesser weisen einen Vorteil auf, den andere Strömungsmessgeräte nicht haben – nämlich ein sehr breites Messbereich. Sie können Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 0,05 Nm/s bis hin zu 100 Nm/s messen (einige Hersteller können sogar Geschwindigkeiten über 200 Nm/s erfassen). b. Echte Massenstrommessgeräte: Die thermischen Gasmassenstrommessgeräte unterscheiden sich von anderen Gasstrommessgeräten dadurch, dass keine Korrekturen hinsichtlich Druck und Temperatur erforderlich sind. Sie messen direkt den Massenstrom des Gases – es handelt sich somit um echte, direkte Massenstrommessgeräte. c. Kein Regel- und Kompensationsvorrichtung: Im Gegensatz zu anderen indirekten Durchflussmessgeräten benötigen Wärmebasierte Massenstrommessgeräte zur Messung des Gasdurchflusses keine Druck- und Temperaturmessvorrichtungen. **Die Konfiguration der Vor-Ort-Geräte wurde vereinfacht, wodurch Fehler und Wartungsarbeiten reduziert wurden. d. Geringer Druckverlust: Dank des speziellen Sensordesigns verringern Wärmemassenstrommessgeräte den durch den Fluidfluss entstehenden Druckverlust und eignen sich für Rohre beliebiger Form mit bekannter Querschnittsfläche. e. Einfache Installation: Der thermische Massenstrommesser erfordert nur sehr geringe Montagearbeiten. Aufgrund seiner Einbausstruktur kann er direkt in Betrieb genommen und gewartet werden, wodurch die Montage- und Wartungskosten reduziert werden. f. Vielfältige Messmethoden: Der thermische Massenstrommesser kann je nach den tatsächlichen Bedingungen vor Ort sowie den Anforderungen des Benutzers Lösungen für die Einzelpunktmessung oder die Mehrpunktmessung bieten. Die Einpunktmessung bedeutet, dass direkt mit einem einzigen Durchflussmesser der tatsächliche Gasdurchfluss in der Leitung gemessen wird. Die Mehrpunktmessung wird hauptsächlich zur Messung des Durchflusses in großen Rohrleitungen eingesetzt. Dabei werden die Signale mehrerer Durchflussmesser, die über die Querschnittsfläche der Rohrleitung verteilt sind, an einen Durchflusssensor weitergeleitet, wo sie verarbeitet werden, um einen genauen Durchflusswert zu ermitteln. Dies hat große Anwendbarkeit bei der Messung von Fluiden mit großem Durchmesser, bei der technische Umgestaltungen und Prozessbeschränkungen der Unternehmen zu instabilen Strömungsfeldern führen. Durch zahlreiche Versuche über die Jahre hinweg hat sich gezeigt, dass die Ausgangseigenschaften von Wärmemassenstrommessern recht gut sind. Insbesondere bei geringen Durchflussmengen weisen sie eine hohe Empfindlichkeit auf. Der Messbereich liegt bei 100:1 oder sogar noch höher. Im Bereich der Messung des Gasflussrates gibt es spezielle Anwendungsfälle, doch es gibt auch viele noch ungelöste Probleme. Das Problem der geringen Energieverbrauch: Da die thermischen Sensoren einen bestimmten Heizstrom benötigen, ist es schwierig, eine Betriebsweise mit niedrigem Energieverbrauch unter Nutzung von Batterien zu realisieren. Die Auswirkungen der Feuchtigkeit sowie die Probleme bei der Korrektur dieser Auswirkungen: Da sowohl die Regulierung als auch die Messung der Feuchtigkeitsbedingungen schwierig sind, gibt es derzeit keine wirksamen Methoden für die Erfassung von Experimentaldaten bezüglich der Auswirkungen der Feuchtigkeit auf Wärmestrommessgeräte sowie für deren Korrektur. Das Problem der Staubbelastung: Wenn die thermischen Sensoren über einen längeren Zeitraum in einer mit Staub angereicherten Luftströmung arbeiten – insbesondere bei feuchtem Staub; trockener Staub haftet nur schwer an den Sensoren – wird die Oberfläche der Sensoren verschmutzt. Dadurch ändert sich auch ihre Wärmeableitungsfähigkeit, was wiederum die Ausgangseigenschaften des Durchflussmessers verändert. Die genauen Auswirkungen können jedoch derzeit noch nicht mit Zahlen beschrieben werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass es nicht in Situationen eingesetzt werden kann, in denen sich die Eigenschaften der verschiedenen Medien ändern. Bei Bedingungen, in denen mehrere Medien miteinander vermischt sind, kann man die Anforderungen trotzdem erfüllen, sofern das Verhältnis der einzelnen Medien konstant bleibt – und zwar durch den Einsatz von Korrekturfaktoren. Außerdem führt bei sehr großen Schwankungen der Betriebstemperatur vor Ort – beispielsweise Schwankungen von über 100 Grad – ein thermischer Gasstrommesser zu Genauigkeitsverlusten. Daher sollte man bei der Auswahl vorsichtig sein. Wie wählt man einen thermischen Massenstrommesser aus? Es gibt Daten, die zeigen, dass bei Fehlern in der Durchflussmessung etwa 70 Prozent auf eine falsche Auswahl des Durchflussmessers zurückzuführen sind. Man sieht, wie wichtig die richtige Auswahl für die Durchflussmessung ist. Kunden von thermischen Massenstrommessern sollten besonders darauf achten, keinen bestimmten Messer Typ auszuwählen, es sei denn, sie möchten den vorhandenen Messer ersetzen. Es ist am besten, diese Aufgabe dem Verkäufer zu überlassen, da er in diesem Bereich spezialisiert ist. Sie müssen lediglich 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 explosionsgeschützte Ausführung erforderlich ist, die Betriebstemperatur des Durchflussmessers, die Anforderungen an die Signalleistung, die Genauigkeitsklasse, für welche Anwendung der Durchflussmesser verwendet wird (Prozesssteuerung oder Handelsmessung), wie trocken und sauber das zu messende Medium ist, bei der Messung von Gemischgasen müssen zwingend die Prozentsätze der einzelnen Komponenten 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 Bauweise handelt, dann sind die Übertragungskabel, da sie Teil der Messbrücke sind, selbst von einem Widerstand geprägt. Egal wie gut diese Kabel hergestellt sind – aufgrund des sehr geringen Widerstands der Messsonden wird der Widerstand dieser Kabel unweigerlich die Berechnungen und Verarbeitungen in den elektronischen Schaltungen beeinflussen. Zudem können durch die Bedingungen vor Ort Schwankungen im Widerstand auftreten. Wenn man unbedingt eine getrennte Variante wählen muss, empfiehlt es sich, die Entfernung zwischen den beiden Teilen so kurz wie möglich zu halten. Das sind meine Erfahrungen aus den letzten Jahren – ich hoffe, sie können allen helfen. Falls es Fragen gibt, die besprochen werden müssen, können wir das in privater Unterhaltung tun.