Prozeßgenauigkeit garantiert

Michael Rösener

Die Umsetzung des thermischen Meßprinzips erfolgt in der Regel mit Hilfe eines Bypass-Systems (Abb. 1). Ein Bereichselement trennt den Medienstrom innerhalb des Meßgerätes in einen Haupt- und einen Teilstrom auf. Der Teilstrom gelangt in eine Meßkapillare, in der die eigentliche Messung erfolgt. Die in der Mitte der Bypass-Leitung befindliche Heizwicklung wird über eine stabilisierte Gleichstromquelle gespeist. Vor und hinter dieser Wärmequelle mit definierter Leistung befinden sich Temperatursensoren. Fließt kein Gas bzw. keine Flüssigkeit durch das Meßelement, registrieren die Temperatursensoren annähernd gleiche Werte. Sobald ein Medium durch die Meßzelle strömt, entsteht eine Temperaturdifferenz (T2 > T1). Diese ist abhängig von der Wärmekapazität des Mediums und direkt proportional dem Massestrom.

Eine dem Sensorelement nachgeschaltete Verstärkereinheit wandelt das Meßsignal in geprägte Signalgrößen, beispielsweise in das 4…20-mA-Stromsignal, um. Die Ausgabe des Meßsignales kann sowohl in Masse- als auch in Volumeneinheiten erfolgen. Bedingt durch die Konzeption des Meßverfahrens ergeben sich für den Anwender folgende wichtige Vorteile:

• direkte Massemessung,

• hohe Reproduzierbarkeit und eine Prozeßgenauigkeit von +0,5% vom Meßwert,

• keine Druck- und Temperaturkompensation erforderlich,

• Meßspannenverhältnis 50:1,

• kompakte Bauweise ohne Ein- und Auslaufstrecken.

Die Massedurchflußmesser lassen sich durch die Implementierung einer Regelelektronik und eines elektromagnetischen Regelventiles zu einem kompakten Massedurchflußregler erweitern, der bequem auf vielfältige Anwenderforderungen angepaßt werden kann (Tab.).

In der Vergangenheit verursachten verschmutzte oder teilchenbeladene Gase Probleme bei den mit einem Bypass-System ausgestatteten thermischen Massedurchflußmessern. Die Lösung für dieses Problem ist das Inline-Verfahren. Im Unterschied zu dem bereits beschriebenen Bypass-System wird bei den Meßgeräten der Baureihe 5865, die nach dem Inline-Verfahren arbeiten, der Medienstrom nicht unterteilt. Die Messung findet direkt im Hauptstrom statt. Das Gas umströmt zwei temperaturempfindliche Widerstände (RS und RT), die Teil einer Wheatstone’schen Widerstandsmeßbrücke sind (Abb. 2). Mit Hilfe einer geregelten Stromquelle wird eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Widerstand RS und der Gastemperatur eingestellt. Der Widerstand RS gibt an das vorbeiströmende Medium eine bestimmte Wärmemenge ab, die er durch eine erhöhte elektrische Leistungsaufnahme exakt kompensiert. Da die Wärmeabgabe und die damit verbundene zusätzliche Leistungsaufnahme von der Anzahl der Gasmoleküle, die den Widerstand anströmen, abhängt, ist der fließende Strom IS ein Maß für den Massedurchfluß.

Der Aufbau der Gerätebaureihe 5865 ermöglicht den Einsatz unter widrigsten Bedingungen, beispielsweise bei Fackelgasmessungen oder der Deponiegaserfassung. Die Geräte sind auch in einer hygienischen, SIP- und CIP-Ausführung (5865HY) für sterile Prozesse erhältlich.

Die nach dem Inline-Verfahren arbeitenden Geräte der Baureihe 5865 verfügen über keine beweglichen Komponenten und zeichnen sich durch eine direkte Massedurchflußmessung, eine hohe Reproduzierbarkeit und Prozeßgenauigkeit von maximal 2% vom Meßwert sowie einen vernachlässigbaren Druckverlust aus.

Aufgrund ihrer Bedienerfreundlichkeit und vielseitigen Einsatzmöglichkeiten haben sich die thermischen Massedurchflußmeßgeräte ein weites Anwendungspektrum, beispielsweise in Gasmischsystemen, bei der Fackelgasmessung und Brennersteuerung, erschlossen.

Für die Prüfung bzw. Kalibrierung von xGasanalysesystemen werden Prüf- und Eichgase benötigt. Dabei handelt es sich häufig um Mischungen aus verschiedenen Gasen, bei deren Herstellung die thermischen Massedurchflußmesser 5850/51 und 53S eingesetzt werden können. Durch die sehr weite Meßspanne und hohe Genauigkeit der Geräte lassen sich beliebig viele Gase mit unterschiedlichen Konzentrationen miteinander mischen. Entscheidend ist zudem, daß sowohl in Volumeneinheiten als auch in Masseeinheiten dosiert werden kann. Mit Hilfe der vorgeschalteten Auswerte- und Steuerelektronik 0152/0154 lassen sich auch Verhältnisregelungen aufbauen (Master-Slave-Betrieb), bei denen lediglich ein Sollwert, beispielsweise die Trägergasmenge, vorgegeben werden muß. Das System führt automatisch die Prüfgasmenge nach.

Unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten ist es notwedig, die Abgasmengen, die einer Fackelverbrennung zugeführt werden, zu erfassen. Folgende Rahmenbedingungen charakterisieren diese Meßaufgabe:

• schmutzbelastete und aggressive Medien,

• große Leitungsquerschnitte,

• hohe Temperaturen und geringe Drücke.

Für den nach dem Inline-Verfahren arbeitenden Massedurchflußmesser 5865 sind hohe Temperaturen, verschmutzte und korrosive Medien kein Problem. Zudem verursacht das Meßgerät nur einen Druckverlust von etwa 1 mbar. Ein- und Auslaufstrecken stellen kein Problem dar, da Kaminzüge über eine gerade Leitungsführung verfügen. Da sich die Zusammensetzung von Fackelgasen nur sehr ungenau bestimmen läßt, liegt die Absolutgenauigkeit dieser Messung nur zwischen 2 und 5% vom Meßwert. Aufgrund der guten Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Meßsysteme ist der Einsatz der Massedurchflußmesser 5865 gemäß behördlicher Richtlinien zugelassen.

Bei Brennersystemen werden traditionell Kleinschwebekörperdurchflußmesser in Verbindung mit nachgeschalteten mechanischen Durchflußreglern oder Nadelventilen zur Einstellung der verschiedenen Gasdurchflüsse eingesetzt. Mit diesen einfachen Mitteln läßt sich ein Brennersystem ohne Hilfsenergie problemlos einstellen. Der Nachteil dieser Lösung ist, daß Gase und somit diese Art der Regelung sehr stark auf schwankende Prozeßbedingungen reagieren. Die Folge ist ein instabiles Flammenbild mit veränderter Temperaturverteilung. Ebenso ist es sehr schwierig am Beginn des Prozesses die Durchflüsse so zu justieren, daß ein reproduzierbares Ergebnis erzielt wird.

Abhilfe schaffen hier die thermischen Massedurchflußregler, die druck- und temperaturunabhängig arbeiten. Durch den Einsatz von verschiedenen integrierten Funktionen, wie programmierbare Rampen, können selbst große Brennersysteme, die mit Hilfe von Zündbrennern arbeiten, problemlos gestartet werden. Ferner erleichtern Rezepturen für verschiedene Brennerzustände, die in einer übergeordneten Steuerung verwaltet werden können, erheblich die Anpassung der Anlage an verschiedene Produktionsaufgaben.

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