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Thermische Massendurchflussmesser - Was ist das?

09. November 2021 Wout van ‘t Wel

Thermische Massendurchflussmesser

Um niedrige Gasdurchflüsse zu messen, werden häufig thermische Massendurchflussmesser eingesetzt. Aber was genau ist das eigentlich? Und was unterscheidet sie von anderen Gasdurchflussmessern? An dieser Stelle erfahren Sie mehr über die Unterschiede bei Durchflusssensoren sowie ihre Vor- und Nachteile.

Massendurchfluss- versus Volumendurchflussmessung

Die entscheidende Variable für zahlreiche Forschungs- und Produktionsprozesse ist die stöchiometrische Umsetzung. Da ein Prozess häufig von einer Vielzahl variabler Parameter beeinflusst wird, ist es einfacher mit einer Massendurchflussmessung als mit einer Volumenstrommessung zu arbeiten. Aufgrund der Auswirkungen, die Veränderungen von Temperatur oder Druck auf die Dichte einer festen Gasmenge haben, sind Volumendurchflussmessungen weniger zuverlässig als Massendurchflussmessungen.

Thermische Massendurchflussmesser & Massendurchflussregler für Gase (Bypass Design).  

Volumendurchfluss versus Massendurchfluss
Volumendurchfluss versus Massendurchfluss

Thermische Massendurchflussmesser weisen im Gegensatz zu Volumendurchflussmessern wie Spülungsmessern (Schwebekörpermessern) oder Turbinenradgaszählern weniger Anfälligkeit für Temperatur- und Druckschwankungen beim Zustrom auf. Ein Massendurchflussmesser kann Massendurchflüsse direkt messen. Die meisten anderen Verfahren messen den Volumendurchfluss, benötigen allerdings separate Temperatur- und Druckmessungen, um Dichte und Massendurchfluss zu berechnen.

Massendurchflussmesser messen den Durchfluss auf Molekularniveau und können den Prozess auf diese Weise mit einer äußerst genauen, reproduzierbaren und zuverlässigen Gaszufuhr unterstützen.
 
Der Unterschied zwischen Volumen- und Massendurchfluss wird genauer in unserem Blogbeitrag "Referenzbedingungen in der Durchflussmessung – warum eigentlich?" erläutert.

Die Vorteile des thermischen Massendurchflussmessprinzips

Thermische Massendurchflussmesser werden am häufigsten eingesetzt, um Massendurchflüsse bei niedrigem Gasdurchfluss zu messen. Seit der Einführung dieser Messgeräte Mitte der 70er Jahre wurden sie kontinuierlich weiterentwickelt. Die ursprünglich analogen Geräte sind heute digital und können nicht nur niedrige, sondern auch hohe Durchflüsse messen. Sie werden außer in Laboren und Systemen auch in industriellen Umgebungen und sogar in Gefahrenbereichen eingesetzt. Mittlerweile gibt es einen geeigneten Massendurchflussmesser für fast jede Anwendung mit niedrigem Gasdurchfluss. Weitere gängige Messprinzipien für die Massendurchflussmessung sind: Coriolis-Durchflussmessung und Differenzdruckmessung.

Coriolis-Durchflussmessung

Coriolis-basierte Massendurchflussmesser lohnen sich vor allem für die Messung überkritischer Gase, für die Massendurchflussmessung variierender oder unbekannter Gasmischungen und bei stark schwankenden Bedingungen, da diese Messung unabhängig von thermodynamischen Parametern ist.
 

Differenzdruckmessung

Bei der Differenzdruckmessung wird der gemessene Differenzdruck (Delta P) mittels einer Berechnung, die sowohl die Gastemperatur als auch die Dichte und dynamische Viskosität des verwendeten Gases berücksichtigt, in einen Massendurchfluss umgewandelt. Thermische Sensoren sind im Vergleich zu diesem Verfahren weniger anfällig für Druckveränderungen in Ihrem Prozess. Außerdem ist die Umrechnung für andere Gase in der thermischen Durchflussmessung wesentlich genauer.

Coriolis-Massendurchfluss Messprinzip

Unterschiede zwischen thermischen Durchflusssensoren

Thermische Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler nutzen die Wärmeleitfähigkeit von Fluiden. Im Bereich der thermischen Durchflussmesser unterscheiden wir mehrere Arten von Sensoren, und zwar:

  • Inline-Sensoren, die direkt den Hauptdurchfluss messen, und
  • Bypass-Sensoren, die einen proportionalen Anteil des Durchflusses durch eine Durchflussbegrenzung leiten.

Thermische Massendurchflussmesser für Gase mit ‘Inline’-Prinzip;

Jede Technologie hat ihre eigenen, anwendungsspezifischen Vor- und Nachteile: Bypass-Instrumente (z.B. unsere Instrumente der EL-FLOW Select-Serie und der EL-FLOW Prestige-Serie) sind besser geeignet für Anwendungen, wo die Messung sauberer und trockener Gase mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eine wichtige Rolle spielt.

Durchflussmesser mit einem belastbaren Inline-Sensor in Kombination mit einem geraden Durchflusskanal (z.B. unsere Instrumente der MASS-STREAM-Serie) sind besser geeignet, wenn das Medium zum Beispiel ein leicht feuchtes Gas ist, eine hohe Reproduzierbarkeit und Belastbarkeit erfordert und die Genauigkeit einen nicht weniger hohen Stellenwert hat.

Darüber hinaus gibt es thermische Massendurchflussmesser mit Chipsensoren (MEMS: Micro Electro Mechanical System, oder CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor), bei denen das fließende Gas in direkten Kontakt mit den Sensoren kommt.

Der Vorteil dieser Geräte ist ein schnelleres Messsignals. Allerdings steht diesem der Umstand gegenüber, dass diese Sensoren eine geringere Belastbarkeit aufweisen und daher in der Regel nicht für die Verwendung mit aggressiven oder explosiven Gasen geeignet sind. Außerdem müssen diese Durchflussmesser anhand des tatsächlich verwendeten Gases kalibriert werden (z.B. unsere Instrumente der IQ+FLOW-Serie).

Proportional Iintegral Derivative Bronkhorst Durchflussmesser Lösung
PID = Proportional Integral Derivative

Thermische Massendurchflussregler

Ein thermischer Massendurchflussregler ist im Grunde nichts weiter als ein Durchflussmesser, der mit einem integrierten oder direktgekoppelten Regelventil kombiniert wurde. Diese kompakten Instrumente werden für Anwendungen eingesetzt, bei denen Gase exakt geregelt werden müssen.
Bei der Massendurchflussregelung wird das Ausgangssignal ununterbrochen mit dem Sollwertsignal einer Spannungsquelle verglichen. Eventuelle Abweichungen zwischen Sollwert- und Messsignal werden solange in eine Einstellung des Magnetregelventils umgesetzt, bis die beiden Signale identisch sind.
 
Diese Kontrollfunktion (PID, Proportional-Integral-Differential) ist in der Regel standardmäßiger Bestandteil der Durchflussmesserelektronik, wobei die Regeleigenschaften für eine schnelle oder reibungslose Regelung mit einer Benutzersoftware angepasst werden können. Je nach Anwendung haben Sie die Wahl zwischen einem proportionalen, elektromagnetischen Regelventil für hohen oder niedrigen (Differenz-)Druck und für einen niedrigen bis hohen Druck.

Thermische Massendurchflussmesser & Massendurchflussregler werden intelligenter

Da thermische Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler immer intelligenter werden, sind weiterhin ständige technologische Verbesserungen zu beobachten. Eigenschaften wie die Multi-Gas/Multi-Range-Funktion oder Diagnosefunktionen bilden keine Ausnahme mehr.

Thermische Massendurchflussregler der EL-FLOW Prestige Serie
Thermische Massendurchflussregler der EL-FLOW Prestige Serie

Die EL-FLOW Prestige-Serie von Bronkhorst verfügt über eine interne Gasdatenbank, die die physischen Eigenschaften von fast 100 Gasen auflistet, sodass das Instrument automatisch schwankende Eingangsbedingungen ausgleichen kann.

Wenn Sie mehr über diesen thermischen Massendurchflussmesser erfahren möchten, laden Sie sich unser Whitepaper mit ausführlichen Informationen über Einflussgrößen und die Auswirkungen auf die Genauigkeit, Stabilität, Linearität und Druckkorrektur herunter.

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