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Mit driftfreiem Geschwindigkeitssensor

Thermischer Massedurchflussmesser misst hochgenau
Mit driftfreiem Geschwindigkeitssensor

Der thermische Durchflussmesser 780 i erreicht eine Messgenauigkeit von 0,5 % vom Messwert oberhalb 50 % des kalibrierten Messbereichsendwertes – eine Genauigkeit, die vor gar nicht langer Zeit bei diesen Geräten noch als undenkbar galt. Das Ergebnis kommt nicht von ungefähr. Es ist der Lohn für jahrelange Forschung und Entwicklung.

Der Autor: Dieter Mettlen Geschäftsführer, Schwing Verfahrenstechnik

Die Herzstücke der Durchflussmesser sind die Quadra-Therm-Sensoren und das herstellerspezifische Gehirn, die selbstlernende Elektronik iTherm. Im Gegensatz zu herkömmlichen thermischen Sensoren mit zwei Aufnehmern werden im Quadra Therm gleich vier Sensoren eingesetzt, drei Präzisions-Platin-Temperaturfühler und ein driftfreier Geschwindigkeitssensor (DrySensor), der den Massenstrom erfasst. Dieser Sensor ist vom Hersteller mit einer lebenslangen Garantie ausgestattet. Durch den speziellen Herstellungsprozess konnten Genauigkeit und Langzeitstabilität des Sensors erheblich verbessert werden.
Dry statt wet
Eine der größten Herausforderungen für das Entwicklungsteam war die Bereitstellung eines Sensors, bei dem die Wärmeverluste durch Konvektionseinflüsse isoliert sind. Bei herkömmlichen thermischen Durchflussmessern ist der beheizte Sensor in der Spitze eines Sensorrohres eingebracht. Er ist von einer Zementmasse umgeben, die aus Materialien wie keramischem Zement, Epoxid, Wärmeleitfett oder Aluminiumoxidpulver besteht. Solche sogenannten Wet-Sensoren haben einige Nachteile. Sie haben einen erhöhten Oberflächenwiderstand, der bei Messungen einen Bauch in der Ansprechkurve und als Konsequenz daraus eine reduzierte Ansprechempfindlichkeit ergibt. Man konnte mit solchen Sensoren nur eine eingeschränkte Reproduzierbarkeit erzielen, was gleichzeitig eine reduzierte Genauigkeit bedeutet. Nicht zuletzt weisen diese (nassen) Sensoren Langzeit-Messfehler auf, die bedingt sind durch Alterung und Rissbildung in den Zementschichten, hervorgerufen durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung der verschiedenen Materialien, die in dem beheizten Sensor verwendet werden.
Der spezielle Fertigungsprozess stellt bei den driftfreien Quadra-Therm-Sensoren sicher, dass sich keine Luftpolster zwischen dem eigentlichen Sensor und dem Sensorrohr bilden. Füllstoffe und Zementmaterialien sind dabei gar nicht erforderlich. Das Ergebnis sind bestmögliche Ansprechzeiten, eine hohe Reproduzierbarkeit und die Immunität gegen Brüche und Risse in den Materialien und die daraus resultierende Sensordrift.
Zusätzlich zu der veränderten physikalischen Ausführung des Sensors, haben die Entwickler die Einflüsse von Wärmekonvektion und anderen Größen, die den Messwert herkömmlicher Sensoren beeinflussen können, minimiert. Sie versuchten, ein Messfeld in der Umgebung des Geschwindigkeitssensors zu erzeugen, das von möglichst nichts anderem als von der Masseströmung beeinflusst wird. Dazu führten sie Versuche in Windtunneln und Strömungssimulationen durch. Die Testergebnisse waren äußerst positiv, die Messwerte stabil und reproduzierbar. Diese Sensoren werden in Inline-Geräten eingesetzt oder als Eintauchsonden zum Einbau in Rohrleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern angeboten.
Zwei Sensoren mehr
Quadra Therm und iTherm zusammen lösen das erste Gesetz der Thermodynamik (für die thermische Dispersionsmesstechnik) und zwar in Bruchteilen einer Sekunde für jeden Datenpunkt einer Massedurchflussmessung. Den größten Erfolg bei der Entwicklung des Durchflussmessers erbrachte jedoch der Einsatz von zwei weiteren Sensoren (T2 und T4), die den beiden ursprünglich vorhandenen Sensoren T3 (Temperatur) und T1 DrySense (Geschwindigkeit) hinzugefügt wurden. Diese zwei zusätzlichen Sensoren führen in Echtzeit die Korrektur von Wärmeverlusten gegenüber der Umgebungstemperatur aus. Die Verluste sind auch als Phänomen des Temperaturverlustes über den Sensorschaft bekannt. Ist beispielsweise die Temperatur des strömenden Gases höher als die Außentemperatur, dann leitet der Sensorschaft einen erheblichen Teil der Wärmeenergie, zwischen 10 und 25 %, von dem beheizten Sensor an die Außenumgebung ab. Fällt die Außentemperatur um einige Grad, erhöht sich bei einem traditionellen Massedurchflussmesser der Wärmeverlust über den Schaft und die Durchflussmessung erfährt einen größeren Messfehler. Der Quadra Therm eliminiert diese Fehlerquelle, indem er zunächst diese Temperaturdifferenz präzise misst und deren Einfluss auf das eigentliche Messsignal anschließend kompensiert.
Weitere technische Merkmale
Die Dial-A-Pipe-Technik hat es der Eintauchversion Typ 640i mit diesem Sensor ermöglicht, dass sie auf wechselnden Rohrdurchmessern betrieben werden kann. Die jetzt hinzugekommene Dial-A-Gas-Technik erlaubt den Betrieb eines Gerätes mit unterschiedlichen Gasen, ohne das individuelle Kalibrierungen erforderlich sind. Das wird durch die iTherm-Bibliothek ermöglicht.
In der iTherm-Bibliothek werden herstellerspezifische, sogenannte Gaspakete abgelegt. Ein Gaspaket enthält, ähnlich einer DNA, typische Kenngrößen eines Gases. Mit den gespeicherten Parametern werden permanent die thermodynamischen Eigenschaften und Wärmeleitparameter eines jeden Gases, zusammen mit den Messgrößen Temperatur und Druck, zur Berechnung herangezogen. Momentan befinden sich in dieser Bibliothek 18 Gase und Mischgase. Sie wird kontinuierlich erweitert und enthält Millionen von Datenpunkten, die der Hersteller in den vergangenen Jahren in seinem metrologischen Labor gesammelt hat. Diese Daten können über das Internet heruntergeladen und in den Quadra-Therm-Durchflussmesser geladen werden, um die Parametrierung eines Gerätes auf dem letzten Stand zu halten.
Den Quadra-Therm-Sensor gibt es im Eintauchsensor 640i zum Einbau in vorhandene Rohrleitungen und als Inline-Sensor, eingebaut in einem Rohrstück mit Strömungsgleichrichter bei der Ausführung 780i. Beide Ausführungen haben den gleichen driftfreien DrySensor und bieten die Messung verschiedener Variablen wie Massedurchfluss, Temperatur und auf Wunsch auch Druck. Sie können zur Messung aller Inertgase, kondensatfreier, reiner Gase und von Brenngasen (Methan, Propan, Wasserstoff, Biogas) mit einer Reproduzierbarkeit von 0,15 % auf den Massedurchfluss eingesetzt werden. Das System bietet außerdem die Valid Cal-Diagnose an, um die Gültigkeit der Kalibrierung vor Ort zu überprüfen.
prozesstechnik-online.de/cav0213417
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