Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten

Bremen | 4.11.2008 | Sitzung AWT-FA20

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 2

Agenda

� Aufbau eines Mass Flow Controller

� Sensortechnik für Gasdurchflussmessung

� Proportionalventiltechnik

� Kalibrierung von MFCs

� Messprinzipien für einen Liquid Flow Controller

� Aufbau eines Liquid Flow Controllers

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 3

Mass Flow ControllerAufbau

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 4

Mass Flow ControllerAufbau

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 5

� Flügelrad oder Turbine?

� Magnetisch Induktiv?

� Ultraschall?

� Coriolis?

� Vortex?

� Schwebekörper?

� Δp?

� Thermisch/ Anemometer:

� Sehr gute Genauigkeit, messen direkt den Massenstrom, Messspanne 1:50 oder besser, keine Ein- und Auslaufstrecken bei eingebauter Strömungskond.

� Kosten: im Schnitt teurer als Schwebekörper, aber günstiger als Coriolis, Vortex

GasdurchflussmessungMessprinzipien

CORIOLIS:• liefert direkt den Massenstrom• benötigt keine Ein- und Auslaufstrecken• auch mit Flüssigkeiten möglich• aufwändiges Messverfahren

VORTEX:• liefert einen Volumenstrom• besitzt eine sehr lineare Kennlinie• für verschmutzte Medien geeignet• benötigt Ein- und Auslaufstrecken

SCHWEBEKÖRPER:• misst einen Mix aus Massen- und

Volumenstrom• für Gas und auch Flüssigkeiten geeignet• geringer Druckverlust• Messspanne 1:10• müssen unter Eichbedingungen betrieben

werden für genaue Ergebnisse • meist kostengünstig

Differendruck:• liefert einen Volumenstrom• Messspanne 1:10• benötigt keine Ein- und Auslaufstrecken• auch mit Flüssigkeiten möglich• eher einfaches Messverfahren• schnellstes Messverfahren

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 6

Gase sind kompressibel: Dichte ρ = ρ (p,T)

Zustandsgleichung idealer Gase: (p1 * V1) / T1 = (p2 * V2) / T2

Beispiel:

Volumenstrom

Temperatur

Druck

Dichte

Massenstrom

1 m3/h

20 °C1 barg

1,205 kg/m3

1,205 kg/h

0,172 m3/h

80 °C7 barg

7,001 kg/m3

1,205 kg/h

0,167 m3/h

20 °C6 barg

7,23 kg/m3

1,205 kg/h

Kompressor

Zähler 2 Zähler 3Zähler 1

Ver-

braucherAnsaugluft

lange Rohrleitung

GasdurchflussmessungMassenmessung vs. Volumenmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 7

GasdurchflussmessungMassenmessung vs. Volumenmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 8

Definition Typ. Einheiten Bemerkungen

Durchströmendes Gasvolumenpro Zeiteinheit l/min

Historisch die gebräuchlichste Durchflussmessgröße

Durchströmende Gasmengepro Zeiteinheit kg/h, g/s

Für die meisten Anwendungenrelevante Messgröße

Normvolumenstrom

QN=m/ρN

Durchströmende Gasmengepro Zeiteinheit,umgerechnet in deren Volumenim Normzustand (T=0°C/ 273Kund p=1013 mbar/ 760 Torr) lN/min, mN

3/h

Kompromiss zwischen historischerund relevanter Messgröße-> gasartspezifischer Massenstrom

Standardvolumenstrom

QS=m/ρS

Durchströmende Gasmengepro Zeiteinheit,umgerechnet in deren Volumenim Standardzustand (T=20°C/293K und p=1013 mbar/ 760 Torr)

lS/min, slpm,

mS3/h, sccm

gasartspezifischer Massenstrom,bezogen auf andere Referenzbed.

Messgröße

Volumenstrom Q(Betriebsdurchfluss)

Massenstrom m

GasdurchflussmessungMassenmessung vs. Volumenmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 9

� Standard, Index S: 20°C, 1bar (slpm, sccm)

� Normal, Index N: 0°C, 1bar (lN/min, mlN/min)

� Wichtige Daten für die Auslegung:

� Medium

� Max. Durchfluss

� Referenzbedingungen

� Betriebs-Eingangsdruck

� Max. Ausgangsdruck

� Max. Eingangsdruck

� Mediumstemperatur

� Kommuikation

GasdurchflussmessungReferenzbedingungen

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 10

Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 11

Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 12

PID

I.

m RT RS

RK

R2 R1

IS

Konstant Temperatur Anemometer (CTA) - ein Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung

� Die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizwiderstand RS und dem Temperatursensor RT wirdvom PID-Regler konstant gehalten

� Da RT im Vergleich zu RS sehr hochohmig ist, entspricht der Strom IS ungefähr dem Strom I� RS wird stets soweit aufgeheizt, dass er auf einer bestimmten Übertemperatur zur Fluidtemperatur

(RT) gehalten wird� Strömt Gas an RS vorbei wird Wärme abgeführt und der erforderliche Heizstrom, um die

Übertemperatur von RS zu RT konstant zu halten, ist ein Maß für den durch den Kanal strömenden Gasstrom und stellt die primäre Messgröße dar

Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 13

[[[[ ]]]]I R l T T D cS S F F F p F2 2⋅⋅⋅⋅ ==== ⋅⋅⋅⋅ −−−− ⋅⋅⋅⋅ ++++ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅( ) ( v)λλλλ ππππ λλλλ ρρρρ

Eigenschaften Sonde:l LängeD KanaldurchmesserRS elektr. WiderstandTS Temperatur von RS

Fluideigenschaften:ρF Dichtecp spez. WärmekapazitätλF WärmeleitfähigkeitTF Fluidtemperaturv Strömungsgeschwindigkeit

Durchfluss-Messprinzip Anemometer, Inline, abgeführte Heizleistung (RS)

• Die Formel beschreibt die Berechnung der elektrischen Leistung, die in Heizleistung umgewandelt wird, Pel=I2*RS

• Die Formel zeigt, dass die erforderliche Heizleistung im wesentlichen von der spez. Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit und der Strömungsgeschwindigkeitdes Gases abhängt

Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 14

Mass Flow ControllerKonventionelle Sensortechnik für thermische Massendurchflussmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 15

R R1 2

IBr

Laminar Flow Element

Sensorröhrchen

p2

p1

Vorfilter

Gasstrom

Laminar Flow Element

Kapillare

Haupt-

strom

Mass Flow ControllerKonventionelle Sensortechnik für thermische Massendurchflussmessung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 16

Mass Flow ControllerKonventionelle Sensortechnik für thermische Massendurchflussmessung

• Heizwiderstand in der Mitte• Unterschiedliche Temperaturmessungen

davor und dahinter• Abstände sehr wichtig• Art der Wicklung zu beachten• Temperatureinfluss von außen

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 17

ON / OFF Magnetventil Proportional-Magnetventil

Hauptunterschied

Flachstopfen

oder

Schubkonus

Sitz-

Anströmung

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 18

ON/OFF Proportional

Schub-konus

Anker (Kern)

Anker

Stopfen Stopfen

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 19

Magnetic /SpringForce

Stroke0%100%

I

mag. forcenecessaryto keep valve open

Fmag > Fspring :valve opens withoutincreasing current

I

I

magnetic force changeswith stroke of

plunger(current is constant)

I

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 20

Stroke0%100%

I

Magnetic /SpringForce

Fmag > Fspring :valve starts to open

I

magnetic force changes

with current, notwith the stroke

I

I

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 21

� Frequenz f=1/T� T Periodendauer� t1/T Tastverhältnis

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 22

P1 P2

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Auslegung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 23

Kennlinie / Ventilautorität

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Hub / Ansteuersignal

Durc

hfluß

[rel

. E

inhei

ten]

0,99

0,96

0,80

0,50

0,20

0,04

0,01

Ventil-

autorität

Control Characteristic

Flow

Rate

Stroke

Kennlinie / Ventilautorität

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Hub / Ansteuersignal

Durc

hfluß

[rel

. E

inhei

ten]

0,99

0,96

0,80

0,50

0,20

0,04

0,01

Ventil-

autorität

Control Characteristic

Flow

Rate

Stroke

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Auslegung

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 24

Mass Flow Controller

� 1996: Erste MFC für die industrielle Automation (digitale Elektronik, 4-20mA, 24VDC)

� 1999: Feldbustechnik verfügbar, zunächst Profibus-DP

� 2001: Neue Sensortechnologie auf Chip-Basis

� 2003: Neue, leistungsfähigere Mikroprozessortechnik -> erstmals Kommunikationssoftware verfügbar-> erstmals Firmware-Update möglich

Entwicklungsschritte in den letzten 10 Jahren

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 25

• Sollwert (analog)• Binäreingang 1-3

Istwert (analog)

Serielle Schnittstelle (RS-232)

Spannungsvers. 24V DC

PWM-Signal (Ventilansteuerung)Sensorsignal

LED-Display 1-4

Binärausgang 1 und 2 (NC oder NO)

Mass Flow Controller(MFC)

Feldbus (Profibus-DP oder DeviceNet)

EINGANG AUSGANG

Digitale Kommunikation I/O

Mass Flow ControllerElektrische Schnittstellen

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 26

Heizer TemperatursensorenHalbleitersensor

Gas Flow

Neueste SensortechnologieMass Flow Controller

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 27

Mass Flow ControllerKommunikationssoftware

� Firmware-Update� Rekalibrierung� Dynamisches Lesen� Reglereinstellung� Feldbuseinstellung� Programmierung von Binärsignalen� Diagnosedaten� etc.

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 28

� Druckabhängigkeit des Nullpunktes

� Eigenkonvektion, Einbaulage

� Einfluss des Strömungskanaldurchmessers auf die Signalauflösung

� Selbstoptimierung

� Schwebekörpermessung

Mass Flow ControllerSonstiges

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 29

Kennlinie MFC Typ 8626

Einbaulage: MA 39

2500275030003250350037504000425045004750500052505500575060006250650067507000725075007750800082508500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Durchfluss TSI [lN/min]

A/D-Wert

Überdruck: 1bar Überdruck: 6bar Überdruck: 10bar

Parameter:

Gehäuse: MP10Medium: LuftTemperatur: 22°C

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 30

Sensor-signal [mV]

Durchfluss Q(dimensionslos)

0 10 100 1000

max

. Sig

nalb

erei

ch

1200

Q=v*A

A größer: v kleiner, d.h. Q messbar

A kleiner: v größer, d.h. größerer Signal-bereich

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 31

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 32

Selbstoptimierung

� Anpassen der Sensorkennlinie

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30 35

t (s)

w,x

(%

)

w (% )

x (% )

y2 (% )

� Ermittlung der Streckenparameter (Ventilkennlinie)

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 33

� Eichbedingung: ρE (Gas mit Normdichte), pE (Eichdruck), TE (Eichtemperatur)

� Betriebsbedingung: ρB (Gas mit Normdichte), pB (Eichdruck), TB (Eichtemperatur)

� Umrechnung des tatsächlichen Durchflusses bei Betriebsbedingung zu Eichbedingung:

� Betriebsgas mit höherer Dichte als Eichgas: Schwebekörper zeigt zuviel an (QB<QE)

� Betriebsdruck höher als Eichdruck (Gas und Temperatur gleich):Schwebekörper zeigt zu wenig an (QB>QE)

� Betriebstemperatur höher als Eichtemperatur (Gas und Druck gleich):Schwebekörper zeigt zuviel an (QB<QE)

� Beispiele: pE=1bara, pB=2bara � ∆Q=-41%

TE=20°C, TB=40°C � ∆Q=+3,3%

Schwebekörpermessung

E

B

E

E

B

B

EB Q

T

T

p

pQ ⋅

⋅⋅=

ρ

ρ

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 34

Aufgaben

� Möglichst eindeutiger Rückschluss von eigentlicher, lokaler Sensor-Messgröße auf integrale Regelgröße Durchfluss, unabhängig von Einströmbedingungen in der Applikation

� Rückführung auf möglichst genaue Durchflussnormale � Kalibrierung der elektrischen Ein- und Ausgänge� Speicherung der relevanten Daten im EEPROM� Dokumentation (internes sowie gerätebegleitendes Protokoll)

Randbedingungen

� Wenn möglich mit dem Betriebsgas (Ausnahmen: N2, O2, Ammoniak, Gemische) � Möglichst nahe an den Betriebsbedingungen (Druckverhältnisse, Einbaulage)

KalibrierungMass Flow Controller

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 35

Kalibrierkette

� Super-Standard: Rückführbar auf DKD (PTB) oder NIST, jährliche Überprüfung

� Arbeitsnormale in den Prüfständen: Regelmäßige Überprüfung an Superstandard, mehrmalig pro Jahr

� DKD ist Unterzeichner einer weltweiten Anerkennung von landesüblichen Standards

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 36

Liquid Flow ControllerFlüssigkeiten mit Endwerten im Bereich von l/h

� Aufbau ähnlich eines MFC

� Prinzipiell geeignete Messprinzipien: Thermisch, Differenzdruck, Ultraschall, Vortex, Coriolis

� Ventiltechnik wie bei MFC

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 37

� Flügelrad oder Turbine?

� Magnetisch Induktiv?

� Ultraschall?

� Coriolis?

� Vortex?

� Schwebekörper?

� Thermisch?

� Differenzdruck?

� Differenzdruck und thermische Messung:

� Sehr gute Genauigkeit

� Kosten: im Schnitt teurer als Schwebekörper, aber sehr viel günstiger als Coriolis

� Sehr gute chemische Beständigkeit

� Keine bewegten Teile

Liquid Flow ControllerMessprinzipien

CORIOLIS:• liefert direkt den Massenstrom• benötigt keine Ein- und Auslaufstrecken• auch mit Flüssigkeiten möglich• aufwändiges Messverfahren

VORTEX:• liefert einen Volumenstrom• besitzt eine sehr lineare Kennlinie• für verschmutzte Medien geeignet• benötigt Ein- und Auslaufstrecken• bisher >DN10, Signalschwierigkeiten bei

kleinen Durchflüssen• schwingungsanfällig

SCHWEBEKÖRPER:• misst einen Mix aus Massen- und

Volumenstrom• für Gas und auch Flüssigkeiten geeignet• geringer Druckverlust• Messspanne 1:10• müssen unter Eichbedingungen betrieben

werden für genaue Ergebnisse • meist kostengünstig

ULTRASCHALL:• fast keine Toträume• schnelle Messung• lineare Kennlinie• aufwändiges zu kalibrieren

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 38

Ausgangssignal nicht linear

Toträume

Relativ hoher Druckabfall

Messung von Absolutdrücken nötig

Umrechnung zwischen den Medien einfach möglich

Schnelle Messung

Keine beweglichen Teile im Strömungskanal

Differenzdruck (Blende)

Toträume

Eingeschränkter Druckbereich, durch Sensor festgelegt

Umrechnung zwischen den Medien einfach möglich

Lineares Ausgangssignal

Geringer Druckabfall

Keine beweglichen Teile im Strömungskanal

Differenzdruck (Laminar Flow Element)

Langsame Messung

Keine Umrechnung zwischen Medien möglich (Kalibrierung mit dem Betriebsmedium nötig)

Mediumstrennung

Geeignet für sehr geringe Durchflüsse

Keine beweglichen Teile im Strömungskanal

Thermisch

NachteileVorteilePrinzip

Liquid Flow ControllerMessprinzipien

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 39

Liquid Flow ControllerDifferenzdruck-Messprinzip

Q k

pp

V==== ⋅⋅⋅⋅

∆∆∆∆∆∆∆∆ 0

0

ρρρρρρρρ

Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 40

Liquid Flow ControllerAufbau

Danke!Thomas Sattler | Segment Management

Bürkert Fluid Control Systems | Christian-Bürkert-Straße 13-17 | 74653 Ingelfingen/Germany | info@de.buerkert.com | www.buerkert.com