Wie weit kommen wir runter im Messbereich?

So steuern Sie kleine Durchflussmengen

Für die Regelung kleiner Durchflussmengen ist das schwächste Glied in der Regel nicht der Massendurchflusssensor. Ein Massendurchflussregler ist in der Lage, den Durchfluss an seiner Position im System genau zu messen und zu regeln. Es gibt jedoch keine absolute Sicherheit, dass dieser Durchfluss weiter vor oder hinter dem Durchflussregler genau ist. Wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wird der Prozess nicht mit der exakt gewünschten Durchflussmenge versorgt. Da der Durchfluss das relative Innenvolumen von Systemkomponenten wie Rohrleitungen, Filtern und Ventilen minimiert, scheint sich dieser zu erhöhen. Dies wirkt sich auf die Dynamik des Systems aus, da sich die Reaktionszeit verlangsamt, was zu einem Verlust der direkten Kontrolle führt. Wenn also ein Sollwert vorgegeben wird und davon ausgegangen wird, dass dieser den Prozess erreicht, kann es sein, dass die Erwartungen nicht erfüllt werden.

Zum Beispiel ist eine der beliebtesten und zugegebenermaßen kostengünstigsten Methoden, eine Strömung durch das System zu erzwingen, die Verwendung von Druckgas. Allerdings löst sich das Gas in der Flüssigkeit bis zu einem Sättigungsgrad, der proportional zum Gasdruck ist. Die gelösten Gase erscheinen allerdings wieder als Blasen stromabwärts in dem System, wenn der Druck sich verringert. Wenn eine Gasblase den Durchflussmesser oder das Ventil passiert oder in den Prozess eintritt, stört sie die Stabilität des Durchflusses.

In der Praxis ist es bei Prozessen mit geringem Durchfluss manchmal schwer zu verstehen, warum und wann das System korrekt funktioniert. Und so stellen sich viele Fragen. Stimmt die Reinheit der Medien? Sind die Prozesstemperaturen so, wie sie sein sollten? Ist die eingestellte Rate oder Dosierung korrekt? Ist der Druck stabil?

Herausforderungen bei der Handhabung sehr kleiner Durchflüsse

Bei den kleinsten Durchflussmengen ist es schwierig zu überprüfen, ob der in den Prozess eintretende Durchfluss zu irgendeinem Zeitpunkt den Erwartungen entspricht. Wie bereits erwähnt, kann es verschiedene Ursachen geben:

• Gelöste Gase in der Flüssigkeit und unkontrollierte Gasblaseneinschlüsse und -freisetzung
• Dynamische Effekte mehrerer Flüssigkeitsleitungen: z.B. in medizinischen Multiinfusionssystemen
• Konformität des Systems: z.B. in Kunststoffschläuchen oder Kunststoffspritzen
• Örtliche Erwärmung und Flüssigkeitsausdehnung verursacht durch das internen Volumen und Wärmeabgabe von Magnetventilen
• Fluktuation der Fördermenge beim Einsatz von Pumpen

Erwartungsgemäß entstehen Gasblasen durch das Ventil im Massendurchflussregler, da dort der Druckabfall auftritt und das Gas wie in eine Mineralwasserflasche wieder ausperlt. Da sich dieses Ventil vor seinem Sensor (in Instrument 2) befindet, erkennt der Massendurchflussmesser die Gasblasen und der Massendurchflussregler reagiert darauf, indem er das Ventil steuert. Der physikalische Effekt der Gasblasenbildung tritt an jeder Stelle im System mit großem Druckabfall auf. In den meisten Fällen befindet sich diese Stelle direkt hinter dem Regelventil. Dieser Effekt ist unabhängig von der Messung, dem Prinzip oder der Art des Regelventils.

Ein weiteres bemerkenswertes Phänomen ist, dass es einen Unterschied zwischen den gemessenen Durchflüssen beider Geräte gibt. Es scheint, dass das erste Gerät (Massendurchflussmesser) einen geringeren Durchfluss von etwa 3% weniger aufweist als das zweite Gerät (Massendurchflussregler). Eine Erklärung dafür ist, dass eine erzeugte Blase hinter dem Regelventil den Volumenstrom ausdehnt und die Flüssigkeit nach vorne drückt. Da der Massendurchflussregler seinen Sollwert von 1 g/h beibehält, wird der Durchfluss "verlangsamt", um den korrekten Massendurchfluss aufrechtzuerhalten. Daher ist der Durchfluss durch den ersten Durchflussmesser um 3% geringer zwischen den Blasen.

Der 3%-Fehler stimmt mit dem Henry'schen-Gesetz überein, das besagt, dass die Löslichkeit von Luft in Wasser 22 Milligramm pro Liter und bar beträgt. Teilt man diese Zahl durch die Dichte der Luft, so erklärt die Volumenausdehnung den Anstieg des Volumenstroms um 3% nach dem Auftreten der Gasblasen. So ist der Gesamtvolumenstrom aufgrund der Gasblasen um 3% höher und der Massenstrom sinkt bei einer Gasblase in 3% der Fälle auf nahezu Null. Dies erklärt, warum der durchschnittliche Massenstrom, einschließlich der Gasblasen, im Vergleich zu der Zeit, als das Gas gelöst wurde, gleich bleibt. Gegenmaßnahmen gegen Gasblasen Um das gelöste Gas zu entfernen, bevor Probleme auftreten, wird ein HPLC-Entgaser (High-Performance Liquid Chromatography Degasser) eingesetzt. Dieses Gerät verwendet einen durchlässigen Schlauch, um die Flüssigkeit zu entgasen. Der durchlässige Schlauch befindet sich in einer Vakuumkammer, in der das Vakuum durch eine kleine, integrierte Vakuumpumpe aufrechterhalten wird. Das Gerät extrahiert so die meisten der gelösten Gase in der verwendeten Flüssigkeit.

Da die Flüssigkeit gut entgast ist, ist sie außerdem in der Lage, die verbleibenden kleinen Bläschen, die im System zurückbleiben, leicht aufzulösen. Auf diese Weise wird das System vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, ohne dass irgendwelche Toträume mit Gas verbleiben. Da Gase kompressibel sind, macht ein richtig entgastes System das System steif und sehr reaktionsschnell. Ein solches System ist in der Lage, einen kontinuierlichen und stabilen Fluss in Richtung des Prozesses mit gutem Regelverhalten zu erzeugen.

Fazit

In vielen Anwendungen für kleine Flüssigkeitsdurchflüsse wird die Flüssigkeit mit einem Gas unter Druck gesetzt. Wenn Gas im Flüssigkeitsstrom mitgerissen wird, kann es als gelöstes Gas oder als Gasblasen auftreten. In beiden Fällen hat sie keinen signifikanten Einfluss auf den mittleren Massenstrom. Allerdings neigen Gasblasen dazu, die Stabilität der Strömung zu stören. Der Effekt kann mit einem schnellen und genauen Durchflussmesser überwacht werden. Dieser physikalische Effekt tritt in allen Systemen mit niedrigem Flüssigkeitsstrom auf, in denen gelöste Gase und Druckabfall nachgeschaltet sind, und ist unabhängig vom Messprinzip oder vom Typ des Regelventils.

Es wird empfohlen, einen Entgaser zu verwenden, um ein kontinuierliches, stabiles und reaktionsschnelles System gegen Ende des Prozesses zu erzeugen, insbesondere bei Messungen von Flüssigkeiten mit geringem Durchfluss. Eine ideale Lösung für diese Messungen mit geringem Durchfluss wäre ein Entgaser in Kombination mit einem Bronkhorst mini CORI-FLOW ML120 Massendurchflussmesser/-regler, wie er in diesem Experiment verwendet wird.

Da bei diesem Massendurchflussregler das Regelventil vor dem Sensor positioniert ist, ist der Sensor in der Lage, den aktuellen Durchfluss im System zu überwachen. Das Ergebnis ist eine optimale und direkte Prozesssteuerung. Der Durchflussregler kann für (Ultra-)Low-Flow-Anwendungen bis zu 1 g/h und weniger eingesetzt werden.

• Diese (Ultra-)Low-Flow-Anwendungen finden sich im Halbleitermarkt, wie in unserer Broschüre "Low-Flow-Coriolis-Kompetenz" beschrieben.
• Laden Sie die Applikationsgeschichte herunter, die den Einsatz von (Ultra-)Low-Flow-Messungen in der Mikrofluidik beschreibt.
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