Wissens-Zwinker: Smarter Massendurchflussregler

Warum dieser Test?

Bei herkömmlichen thermischen Massendurchflussmessern und -reglern (MFM/MFC) müssen für jedes spezifische Gas oder binäres Gasgemisch zugehörige Parameter manuell eingestellt werden. 

In Zusammenarbeit mit der Innovative Sensor Technology (IST AG) wird derzeit an der Entwicklung eines thermischen Durchflussmessers namens FGF gearbeitet. Dieses Modul misst gleichzeitig die Dichte, die Temperatur, den Druck, sowie den Massefluss und berechnet daraus abgeleitete Messgrössen in einem einzigen Gerät. Die Dichtemessung ermöglicht die Unterscheidung von Reingasen und die Bestimmung der Konzentration binärer Gasgemische. Dadurch kann der gemessene Durchfluss korrigiert und der Massefluss in Echtzeit in einen Volumenstrom umgerechnet werden. So kann ein Sensor mit einer einmaligen, generischen Gaskalibration für (fast) beliebig viele Gase verwendet werden. 

Basierend auf dem FGF wurde nun ein Prototyp eines Massendurchflussreglers entwickelt. Dank der vielseitigen und präzisen Sensorik kann der Volumenstrom exakt und gasunabhängig gesteuert werden. Dabei werden die Regelparameter des Ventils automatisch für das aktuelle Gas, beziehungsweise das binäre Gasgemisch, optimiert. 

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

Nach einer Reihe von Messungen mit dem Massendurchflussregler wurde festgestellt, dass ein deutlicher Zusammenhang zwischen den idealen Regelparametern und der Dichte besteht, wie in Abbildung 1 dargestellt. 

Der Zusammenhang zwischen den optimalen Regelparametern und der Dichte ergibt sich aus der Tatsache, dass das Gas mit zunehmender Dichte schwerer wird, was wiederum zu einer trägeren Reaktion des Ventils führt. 

Der benötigte Strom, um das Ventil zu öffnen, fällt deutlich geringer aus bei zunehmender Dichte des Gases. Diesen Ventilparameter bezeichnen wir auch als Nullpunkt Offset. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein schwereres Gas im geschlossenen Zustand mehr Druck auf das Ventil ausübt als ein leichteres Gas. 

Mit Hilfe der Funktion der Trendlinie können nun die jeweiligen Parameter für den Regler und den Nullpunkt Offset berechnet werden. Somit können alle Ventilparameter für beliebige Gase oder binäre Gasgemische innerhalb eines bekannten Dichtebereichs, ohne manuelle Korrektur, optimal eingestellt werden. 

Abbildung 1: Dichteabhängigkeit der Parameter 

Abbildung 2 zeigt den Unterschied zwischen dem gemessenen Durchfluss unseres MFC-Prototypen, ohne spezifische Parameter für das Gasgemisch einzustellen, und dem eines herkömmlichen Massendurchflussreglers für ein binäres Gemisch aus 50% Stickstoff und 50% Kohlenstoffdioxid. 

Die orangene Messkurve zeigt deutlich, dass der Regler des herkömmlichen MFCs besonders bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten nicht in einen stabilen Zustand einschwingt. Durch die integrierte Dichtemessung und Konzentrationsbestimmung des FGF werden automatisch die optimalen Ventilparameter eingestellt. Somit ergeben sich kurze Einschwingzeiten und eine stabile Durchflussregelung, in der roten Messkurve erkennbar, unabhängig des Mischverhältnisses über den gesamten Durchflussbereich hinweg – eine patentierte Weltneuheit! 

Abbildung 2: Gemessener Durchfluss unseres MFC-Prototypen und einem herkömmlichen MFC 

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.

Die Messung der Dichte, auf der die Reingaserkennung sowie die Konzentrationsbestimmung beruht, wurde mit dem DGF Dichtesensor für Gase von TrueDyne Sensors AG durchgeführt.

Der Gasfluss und dessen Richtung wurden mit dem thermischen Strömungssensor SFS01 von IST AG ermittelt.

Fazit

Unser Prototyp eines Massendurchflussregler auf Basis des FGFs zeigt deutliche Vorteile bei der gasabhängigen Steuerung von Durchflüssen gegenüber herkömmlichen MFCs. Durch die automatische Anpassung der Ventilparameter in Abhängigkeit von der Dichte kann der Massendurchfluss präzise und gasunabhängig geregelt werden. Dies ermöglicht eine stabile, flexible und präzise Durchflussmessung und -regelung in verschiedensten Anwendungen, ohne jegliche Parameter manuell anpassen zu müssen.

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