Wissens-Zwinker: Thermische Durchflussmessung und -korrektur mittels Gaserkennung

Warum dieser Test?

Kalorimetrische Strömungssensoren werden typischerweise auf ein bestimmtes Medium justiert, da der ermittelte Messwert von der Wärmeleitfähigkeit und -kapazität des Gases beeinflusst wird. Somit wird für jedes Gas ein eigens kalibrierter Sensor benötigt. In Kombination mit einer Dichtemessung zur Reingaserkennung oder Konzentrationsbestimmung binärer Gasgemische können Kalibrierdaten und Korrekturfaktoren flexibel und im laufenden Prozess zugeordnet werden. Dadurch wird unabhängig vom Reingas bzw. Mischverhältnis des Gemisches jederzeit der korrekte Strömungswert berechnet und es wird nur noch eine Sensorlösung für diese Messstelle benötigt.

Was ist ein Wissens-Zwinker?

Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.

Ergebnisse

In Abbildung 1 sind die Roh-Durchflusswerte auf der rechten Achse in blau und der korrigierte Volumenfluss auf der linken Achse in orange eingezeichnet. Der blaue lineare fit zeigt deutlich, wie die unterschiedlichen thermischen Parameter von CO2 und N2 den ermittelten Messwert ohne Dichte- bzw. Konzentrationskorrektur verfälschen. Durch Zuschalten einer inline-Dichtemessung kann der Durchfluss jedoch bis auf ca. 2% genau auf die eingestellten 100 sccm korrigiert werden, wie der orangene lineare fit zeigt. Es wurde somit nachgewiesen, dass die Kombination des TrueDyne Dichtesensors DGF-I1 und des IST Strömungssensors SFS01 die Strömungsgeschwindigkeit unabhängig der Konzentrationsverhältnisse des binären Gasgemisches präzise bestimmen kann.

Dieses Prinzip kann neben binären Gasgemischen aus bekannten Gaskomponenten auch auf die Umschaltung zwischen Gasen mit unterschiedlichen Dichten erweitert werden. Anhand einer Reingaserkennung ist es so möglich, die passenden Kalibrierdaten oder Korrekturfaktoren zu wählen und den Messwert in Echtzeit zu korrigieren. Damit kann eine flexible, Preis-Leistungs-optimierte Durchflussmessung mit allen Vorteilen des thermischen Messprinzips realisiert werden:

  • Langzeitstabile und vibrationsbeständige Messung
  • Kompakte Bauform
  • Eignung zur Prozesssteuerung dank besonders schnellen Ansprechzeiten (<10 msek.)
  • Hohe Sensitivität ab kleinsten Strömungsgeschwindigkeiten inklusive Richtungserkennung
  • Reingaserkennung
  • Multiparametrisches Messsystem (Flow, Dichte, Druck, Temperatur)
  • Mikroleckage-Monitoring
DLO Sensor - Tetrachlorethen - Messergebnisse
Abbildung 1: Vergleich zwischen korrigiertem und rohem Durchfluss

Versuchsaufbau

Abbildung 2 zeigt den Aufbau der Versuchsstation. Über parallel geschaltete thermische Massendurchflussregler (MFC 1-5) wurde der gewünschte Durchflusswert für verschiedene Reingase und Gasgemische eingestellt. Die Massendurchflussregler sind dabei jeweils auf das entsprechende Reingas kalibriert, wodurch das Mischungsverhältnis präzise geregelt werden kann. Das Gasgemisch durchströmt anschliessend die beiden in Reihe geschalteten Dichte- und Strömungssensoren.

Das I2C Messsignal des Strömungssensors wird direkt an den Gasdichtesensor übertragen, welcher anhand der gemessenen Dichte und der daraus abgeleiteten Konzentration den Rohwert mit einem Korrekturfaktor verrechnet. Der daraus resultierende Durchflussmesswert kann nun mit dem eingestellten Soll-Wert der Gasmischer verglichen werden, um die Funktionalität des Prototypen zu verifizieren.

 

Abbildung 2: Versuchsaufbau

Welche Sensoren wurden verwendet?

Dichtesensor DGF-i1

  • Klicken Sie hier um mehr über unseren Sensor zu erfahren.

Strömungssensor SFS01

  • Klicken Sie hier um mehr über den Strömungssensor der IST AG zu erfahren.

Vorgehen

Die Messung der Dichte, auf der die Reingaserkennung sowie Konzentrationsbestimmung beruht, wurde mit dem DGF-I1 Dichtesensor für Gase von TrueDyne durchgeführt. Der Gasfluss und dessen Richtung wurden mit dem thermischen Strömungssensor SFS01 Evalkit von Innovative Sensor Technology (IST AG) ermittelt.

Über zwei externe thermische Massendurchflussregler (MFC) wurden mehrere Konzentrationen eines binären Gasgemisches aus CO2 und N2 eingestellt und die Sensoren konstant mit durchströmt. Mittels Protokollfunktion wurden pro Sekunde drei Messwerte für die folgenden Parameter aufgezeichnet: Konzentration, Durchfluss Rohwert und korrigierter Durchfluss.

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