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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


Mass Flow ControllerAufbau


� 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


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


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



� 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


Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung


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



[[[[ ]]]]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 ControllerKonventionelle Sensortechnik für thermische Massendurchflussmessung


R R1 2

IBr

Laminar Flow Element

Sensorröhrchen

p2

p1

Vorfilter

Gasstrom

Laminar Flow Element

Kapillare

Haupt-

strom




• Heizwiderstand in der Mitte• Unterschiedliche Temperaturmessungen

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


ON / OFF Magnetventil Proportional-Magnetventil

Hauptunterschied

Flachstopfen

oder

Schubkonus

Sitz-

Anströmung

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise


ON/OFF Proportional

Schub-konus

Anker (Kern)

Anker

Stopfen Stopfen



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



Stroke0%100%

I

Magnetic /SpringForce

Fmag > Fspring :valve starts to open

I

magnetic force changes

with current, notwith the stroke

I

I



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



P1 P2

Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Auslegung


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


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


• 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


Heizer TemperatursensorenHalbleitersensor

Gas Flow

Neueste SensortechnologieMass Flow Controller


Mass Flow ControllerKommunikationssoftware

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


� Druckabhängigkeit des Nullpunktes

� Eigenkonvektion, Einbaulage

� Einfluss des Strömungskanaldurchmessers auf die Signalauflösung

� Selbstoptimierung

� Schwebekörpermessung

Mass Flow ControllerSonstiges


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


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


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)


� 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


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


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


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


� 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


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


Differenzdruck (Laminar Flow Element)

Langsame Messung

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

Mediumstrennung

Geeignet für sehr geringe Durchflüsse


Thermisch

NachteileVorteilePrinzip

Liquid Flow ControllerMessprinzipien


Liquid Flow ControllerDifferenzdruck-Messprinzip

Q k

pp

V==== ⋅⋅⋅⋅

∆∆∆∆∆∆∆∆ 0

0

ρρρρρρρρ


Liquid Flow ControllerAufbau

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