Fachartikel

    Thermische Massedurchflussmessung und Regelung in der Industrie
    Fachartikel in der Chemie Anlagen Verfahren, August 1998

    Erfahrungen mit optimierter Prozessführung durch Echtzeit-Brennwertmessung

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    Thermische Massedurchflussmessung und Regelung in der Industrie

VORWORT

In den meisten Applikationen ist die genaue Messung bzw. Regelung von Gasdurchflüssen die größte Herausforderung und wird in der Regel von vielen Faktoren beeinflusst. Durch den Einsatz der thermischen Massedurchflussmessung kann der Anwender bereits in der Projektierungsphase die Vorteile dieser Technologie voll ausschöpfen:

Druck-, Temperaturkompensation und Korrekturrechner entfallen, bei Verwendung eines Massedurchflussreglers entfallen das externe Regelventil und die Regelelektronik

Auf der Suche nach einer professionellen Lösung des Problems der Massedurchflussmessung bzw. Regelung von Gasen und Flüssigkeiten führen heute die Wege oftmals zu der bereits seit Jahren erfolgreich eingesetzten Technologie des thermischen Messprinzips. Im Gegensatz zu traditionellen volumetrischen Messverfahren nutzen thermische Systeme die spezifische Wärmekapazität des Mediums, den sogenannten Cp-Wert, zur Messung des Massenstromes.

Diese Meßmethode schließt weitestgehend den Einfluss schwankender Prozessparameter, wie z.B. Druck und Temperatur aus, da diese nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die eigentliche Messung haben. Das Ausgangsignal steht ohne weitere Korrekturen direkt in Masse- oder Normvolumeneinheiten zur Verfügung. Die Prozessgenauigkeit liegt je nach Gerätetyp und Anwendung zwischen +0,5% (Bypass-) und 2% (Inline-Verfahren) vom Messwert. Der wesentlich wichtigere Faktor ist jedoch die Reproduzierbarkeit der Messung, die bei +0,25% des Messwertes liegt und somit einen verlässlichen Wert bietet, selbst wenn sich aufgrund eines z.B. unbekannten Cp-Wertes eines Gasgemisches einmal Probleme mit der absoluten Genauigkeit des Massedurchflussmessers ergeben sollten.

Als weiteren wichtigen Vorteil verfügt der Anwender über eine sehr große nutzbare Messspanne und einem geringen Druckverlust im Vergleich mit anderen Meßmethoden. In der nachfolgenden Grafik finden Sie eine Gegenüberstellung der folgenden drei Messmethoden:
 

• thermische Massemessung,
• Vorte (Wirbeldurchflussmesser)
• Differenzdruckmessung über  Wirkdruckgeber (z.B. Blende)
   

Messsysteme im Vergleich

Die Umsetzung des thermischen Messprinzips erfolgt in der Regel mit Hilfe eines Bypass-Verfahrens. Der Medienstrom wird hierbei innerhalb des Messgerätes mit Hilfe eines sogenannten Bereichselementes in einen Haupt- und einen Teilstrom aufgeteilt. Der Teilstrom wird in eine Messkapillare geleitet, in der die Messung vorgenommen wird.

Aufbau des Messsystems

Die in der Mitte der Bypass-Leitung befindliche Heizwicklung erhält aus einer stabilisierten Gleichstromquelle einen konstanten Heizstrom. Jeweils vor und hinter dieser definierten Wärmequelle befinden sich Temperatursensoren. Bei nicht durchflossenem Messelement registrieren die Temperatursensoren annähernd gleiche Werte. Sobald nun das Medium zu fließen beginnt entsteht eine Temperaturdifferenz (T2 > T1). Diese Temperaturdifferenz ist direkt proportional dem Massestrom des Mediums. Eine dem Sensorelement nachgeschaltete Verstärkereinheit wandelt das Messsignal in geprägte Signalgrößen, wie z.B. 4...20 mA Stromsignal um.

Die Ausgabe des Messsignals kann sowohl in Masseeinheiten als auch in Volumeneinheiten erfolgen. Bedingt durch die Konzeption dieses Messverfahrens ergeben sich für den Anwender folgende wichtige Vorteile:
 

• direkte Massemessung
• hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
• keine Druck und Temperaturkompensation erforderlich

• Messspannenverhältnis 50 : 1
• kompakte Bauweise
• Ein-/ und Auslaufstrecken nicht erforderlich.

Der Massedurchflussmesser wird durch die Implementierung einer Regelelektronik und eines elektromagnetischen Regelventils zu einem äußerst kompakten und preiswerten Massedurchflussregler.

Dieses Gerätekonzept ermöglicht den Einsatz in den verschiedensten Anwendungen und Prozessen in nahezu allen Industriebereichen. Im Laufe ihrer Entwicklung wurden die Geräte immer mehr auf die Erfordernisse der verschiedenen Anwendungen zugeschnitten, so dass heute eine Produktvielfalt verfügbar ist, die kaum Wünsche offen lässt. Die nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über die verfügbaren Durchflussbereiche:
 

Eine der wichtigen Weiterentwicklungen ist die Einführung eines Messaufbaus für verschmutzte oder teilchenbeladene Gase, da derartige Gase Probleme bei der Verwendung des Bypass-Prinzips hervorrufen. Als Resultat auf der Suche nach Problemlösungen ist heute das Inline-Verfahren anzusehen.

Bei den Modellen der Baureihe 5865 wird, anders als bei dem bereits beschriebenen Bypass-Aufbau, der Medienstrom nicht unterteilt, sondern die Messung findet im Hauptstrom statt. Das Gas umströmt zwei temperaturempfindliche Widerstände (RS und RT), welche Teile einer Widerstandsmessbrücke (nach Wheatstone) sind. Mit Hilfe einer geregelten Stromquelle wird eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem (beheizten) Widerstand RS und der Gastemperatur eingestellt. Die am Widerstand RS erzeugte elektrische Leistung kompensiert exakt dessen Wärmeabgabe an den Medienstrom.

Da diese Wärmeabgabe von der Anzahl der Gasmolekäle die das Element anströmen abhängig ist, stellt der fließende Strom IS ein Maß für den Massedurchfluss dar.

Funktionsprinzip Inline-Ausführung

Der Aufbau der Modellreihe 5865 ermöglicht den Einsatz unter widrigsten Bedingungen, wie z.B. Fackelgasmessungen oder Deponiegaserfassung. Das Modell 5865HY (hygienic) ist auch für sterile Prozesse geeignet, bei denen eine Sterilisation in eingebautem Zustand möglich ist (SIP: Sterilize In Place und CIP: Clean In Place).

Als Vorteile für dieses System sind folgende Punkte zu werten:
 

• direkte Massedurchflussmessung
• hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
• keine beweglichen Komponenten
• vernachlässigbarer Druckverlust
• unanfällig fürr Verschmutzung

Inline Modell 5865IN

Die Vielseitigkeit und Anwenderfreundlichkeit im Verbund mit dem budgetfreundlichen Investitionsaufwand für diese Technologie haben im Laufe der Jahre ein Spektrum an Anwendungen erschlossen, dass hier anhand von einigen Beispielen nur grob umrissen werden kann:
 

• Gasmischsysteme
• Mixer/ Aufschäumanlagen

• Fackelgasmessung
• Brennersteuerung

GASMISCHSYSTEME

In vielen Bereichen der Chemie ist das Zusammenstellen von exakt abgestimmten Gasgemischen oft eine der schwierigsten und kostenintensivsten Aufgaben. Im Bereich der Gasanalytik ist die Bereitstellung von Prüf- und Eichgasen eine zwingende Notwendigkeit zur Erhaltung der Funktionsfähigkeit von Analysensystemen. Prüf- bzw. Eichgasherstellung ist mit Hilfe der Modellreihe 5850/51 und 53S eine recht einfache Aufgabenstellung. Durch die extrem weite Messspanne und hohe Genauigkeit, lassen sich 2 bis n Gase in beliebigen Konzentrationen miteinander vermischen. Entscheidend ist hier auch die Tatsache, dass sowohl in Volumeneinheiten als auch in Masseeinheiten dosiert werden kann. Abhängig von dem Ziel des Mischvorganges kann also direkt, in der für die chemische Reaktionsfähigkeit eines Gases, wichtigen Masseeinheit gearbeitet werden. Mit Hilfe von vorgeschalteten Steuereinheiten, wie der Auswerte- und Steuerelektronik Modell 0152/0154, lassen sich auch Verhältnisregelungen aufbauen (Master/ Slave Betrieb), bei der lediglich ein Sollwert (z.B. Trägergasmenge) vorgegeben wird und das System führt automatisch die Prüfgasmenge nach. So lassen sich, je nach Bedarf und Anspruch, sehr komfortable und präzise Gasmischsysteme aufbauen.

AUFSCHÄUMANLAGEN/ MIXER

In vielen Bereichen der Verfahrens-, Produktentwicklung und der Produktion gibt es die Anforderung ein Medium mit einem definierten Gasanteil möglichst homogen zu vermischen. Ein simples Beispiel ist hier die Herstellung von synthetischen Dämmstoffen für Verpackungsmaterialien oder für Isolationszwecke. Bei der Herstellung dieser geschäumten Produkte ist das Ziel ein möglichst geringer Produkteinsatz bei idealem Dämmverhalten. Ein kritischer Punkt bei der Produktion solcher Stoffe ist, neben dem mechanischen Aufbau des Mixers, die konstante Dosierung des Prozessgases (in der Regel N2). Die kontinuierliche Vermischung und konstante Dosierung des Gases ergeben gemeinsam ein homogenes Produkt mit einem konstanten

Schaumgewicht. Seit Einführung dieser Technologie wurden immer neue Anwendungen erschlossen, die sich heute von der Kunststoffindustrie bis in den Bereich der Lebensmittelproduktion erstrecken.

FACKELGASMESSUNG

Im Rahmen der immer strengeren Umweltschutzrichtlinien im Bereich der Emissionserfassung von Produktionsanlagen ist die möglichst genaue Erfassung von Abgasmengen zur Fackel eine unumgängliche Aufgabe. Diese Messaufgabe birgt in der Regel gleich eine ganze Reihe von messtechnischen Herausforderungen:

• starke Schmutzbelastung
• größe Leitungsquerschnitte
• stark korrosive Medien
• hohe Temperaturen
• geringster Druck

Eine Lösung für diese Aufgabe bietet der Einsatz eines Inline-Massedurchflussmessers der Modellreihe 5865. Durch seine konstruktiven Merkmale sind Verschmutzung, hohe Temperaturen und selbst extrem korrosive Medien kein Problem. Durch das Inline-Verfahren erzeugt das System einen minimalen Druckverlust, der im Bereich von ca. 1 mbar liegt. Da Kaminzüge in der Regel über eine gerade Leitungsführung verfügen, stellen die Ein- und Auslaufstrecken keinen zusätzlichen Aufwand dar. Da Fackelgase nur bedingt sehr genau in ihrer Gaszusammensetzung zu definieren sind, liegt die Absolutgenauigkeit dieser Messung naturgemäß nur bei einem Wert zwischen 2 und 5 % vom Messwert. Aufgrund der guten Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit dieser Messsysteme, ist der Einsatz der Geräte gemäß behördlicher Richtlinien zugelassen.

BRENNERSTEUERUNG

In vielen Produktionsprozessen sind gesteuerte Erhitzungs- oder Verbrennungsvorgänge Schlüsselfunktionen für den Erfolg einer Produktion. Bei traditionellem Aufbau von solchen Brennersystemen werden meist Kleinschwebekörperdurchflussmesser in Verbindung mit nachgeschalteten mechanischen Durchflussreglern oder Nadelventilen zur Einstellung der verschiedenen Gasdurchflüsse eingesetzt. Mit diesen einfachen Mitteln läst sich ein Brennersystem ohne Hilfsenergie einwandfrei einstellen. Der Nachteil dieser Lösung liegt in dem Problem, dass Gase, und somit diese Art der Regelung, sehr stark auf schwankende Prozessbedingungen wie z.B. Druck- und Temperaturveränderung reagieren. Die Folge ist ein verändertes oder instabiles Flammbild mit veränderter Temperaturverteilung. Ebenso ist es sehr schwierig jeweils zu Beginn eines Prozesses die Durchflüsse wieder so zu justieren, dass ein reproduzierbares Ergebnis erzielt wird.

Abhilfe schafft hier der Einsatz von thermischen Massedurchflussreglern. Eine druck- und temperaturunabhängige Regelung ist problemlos möglich und Sie erzielen eine absolut stabile und reproduzierbare Verbrennung. Durch Nutzung von verschiedenen integrierten Funktionen, wie z.B. programmierbare Rampen, selbst größe Brennersysteme, die mit Hilfe von Zündbrennern arbeiten, Problemlos gestartet werden. Hinzukommend erleichtern Rezepturen für die verschiedenen Brennerzustände, die in einer übergeordneten Steuerung verwaltet werden können, erheblich die Anpassung einer Brenneranlage an verschiedene Produktionsaufgaben.

Die hier angeführten Applikationsbeispiele zeigen, wie bereits erwähnt, nur einen sehr kleinen Ausschnitt aus dem möglichen Anwendungsspektrum für diese Technologie. Grundsätzlich sollten Sie sich bei der Planung Ihrer nächsten Messaufgabe auch mit dieser Technologie auseinandersetzen. Durch diese hochintegrierte Technik und der Vielfalt an verfügbaren Eigenschaften wird sich dieser anfängliche zusätzliche Zeitaufwand bereits in kürzester Zeit amortisieren.

Autor: Michael Rösener, Vertrieb/ Marketing, Brooks Instrument