Bronkhorst

Referenzbedingungen in der Durchflussmessung – warum eigentlich?

12. November 2019 Chris King
Volumenfluss gegen Massenfluss
Volumenfluss gegen Massenfluss

Auf den ersten Blick ist es absolut sinnvoll, einen Massendurchfluss auch in einer Masseneinheit anzugegeben, z.B. in Gramm/ Stunde oder Milligramm/Minute etc. Allerdings sind die meisten Anwender gewohnt, in Volumina zu denken.

Nehmen wir mal ein Beispiel:

Wir stellen uns vor, wir haben einen Zylinder mit einem Volumen von einem Liter, der mit einem beweglichen Kolben von vernachlässigbarem Gewicht verschlossen ist. Dieser Zylinder enthält Luft bei Umgebungsdruck, also etwa 1 bar(a). Das Gewicht dieser Volumens Luft bei 0°C ist 1,293 g. Dies ist also die Masse der Luft.

Wenn wir nun den Kolben abwärts bis zur Hälfte der Zylinderhöhe bewegen, ist das Volumen nur noch ½ Liter, der Druck in diesem Volumen hat sich auf 2 bar(a) verdoppelt. Die Masse allerdings ist immer noch 1,293 g, denn es ist weder Masse entfernt worden noch ist welche dazu gekommen. Wenn wir uns nun dieses Beispiel anschauen, ist auch verständlich, warum Massendurchfluss eigentlich auch in einer Masseneinheit dargestellt werden sollte. Allerdings können wir uns z.B. 14 g Stickstoff nur schwer vorstellen und zu anderen Massen in Beziehung setzen. Wenn ich 14 g Stickstoff in einen roten Ballon fülle und 1 g Wasserstoff in einen völlig identischen blauen Ballon fülle und sie nebeneinander halte, sind dann beide Ballons gleich groß? Hier muss wohl jeder von uns erst mal kurz überlegen.

Es ist aber kein Problem, eine Masse auf ein Volumen umzurechnen, allerdings muss man die Rahmenbedingungen (Druck, Temperatur) dabei festlegen. Zur Umrechnung eines Massenflusses in einen Volumenfluss (bzw. eine Masse in ein Volumen) wird die Dichte des Mediums benötigt. Es müssen also definierte Bedingungen (Druck und Temperatur) gewählt werden, um eine Masse mittels der Dichte auf ein Volumen umzurechnen. Damit ergibt sich dann ein bestimmtes Volumen. Ändert sich die Randbedingung, ändert sich auch das Ergebnis.

Druck-Temperatur-Bedingungen
Druck-Temperatur-Bedingungen

Zum Verglich haben wir hier einige typische Referenzbedingungen

Die in der Tabelle genannten Bedingungen sind international anerkannte Referenzbedingungen. Man muss hier zwischen Norm- und Standardbedingungen nach europäischer oder US-amerikanischer Nomenklatur unterscheiden.
 

Referenz: Norm-Bedingungnen, Europa:

Nach der „europäischen“ Definition ist das Normalvolumen (oder Normvolumen) auf eine Temperatur von 0°C und einen Druck von 1013 mbar(a) (entspr. 1 atm) bezogen. Es wird mit einem tiefgestellten n gekennzeichnet: z.B. mln/min oder n/h Die direkte thermische Massendurchflussmethode basiert bei Bronkhorst immer auf diesen Referenzkonditionen, sofern der Kunde keine andere Normierung benötigt.

Beispielrechnung zur Umrechnung auf Norm-Bedingungen:

Der Massendurchfluss beträgt 100 g/h Luft

  • Dichte Luft (@ 0°C) = 1.293 kg/m3
  • X ln/m Luft = 100 g/h / (60 Minuten x 1.293 kg/m3)
  • Flow = 1.29 ln/min Luft
 

Referenz: Standard-Bedingungnen, Europa:

Nach der „europäischen“ Definition ist das Standardvolumen auf eine Temperatur von 20°C und einen Druck von 1013 mbar(a) (entspr. 1 atm) bezogen. Es wird mit einem tiefgestellten s gekennzeichnet: z.B. mls/min oder m³s/h.

Beispielrechnung zur Umrechnung auf Standard-Bedingungen:

Der Massendurchfluss beträgt 100 g/h Luft

  • Dichte Luft (@ 20°C) = 1.205 kg/m3
  • X ls/m Luft = 100 g/h / (60 Minuten x 1.205 kg/m3)
  • Flow = 1.38 ls/min Luft
 

Referenz: Standard-Bedingungnen, USA:

In der US-amerikanischen Referenzierung wird ebenfalls auf die dort definierten Standard-Bedingungen umgerechnet, die lauten 101,325 kPa (14,6959 psia = 1013 mbar(a) = 1 atm) und 0°C (32°F). Das Präfix ist ebenfalls s, allerdings nicht tief gestellt, sondern vorgestellt vor das jeweilige Volumen: z.B. sccm (standard cubic centimeters per minute), slm (standard liter per minute), scfh (standard cubic foot per hour). Dies entspricht wiederum den europäischen Norm-Bedingungen.

Hier muss der Anwender unbedingt beachten, auf welches System sich der Durchfluss bezieht.

Warum?

Die amerikanische und die europäische Definitionen der Standard-Bedingungen sind nicht identisch!!

Durch die Unterschiede der Bezugsgrößen ergibt sich eine Differenz von etwa 7 %!!

Norm- versus Standardbedingungen
Tabelle mit Norm- und Standardbedingungen, aufgeteilt in Europa und Amerika

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