Ein Massendurchflussmesser ist eine Art Durchflussmesser und ein Gerät, das den Massendurchfluss einer durch eine Rohrleitung strömenden Flüssigkeit genau misst. Der Massenstrom misst die Masse pro Zeiteinheit und unterscheidet sich damit vom Volumenstrom, der das Volumen pro Zeiteinheit misst.
Die Massendurchflussmessung ist die Grundlage für die meisten Rezepturformulierungen, Materialbilanzbestimmungen, Abrechnungen und eichpflichtige Betriebe in der gesamten Industrie. Da es sich hierbei um die kritischsten Durchflussmessungen in einer Verarbeitungsanlage handelt, sind die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Massendurchflussmessung von größter Bedeutung.
Wie funktioniert ein Massendurchflussmesser?
Die beiden Durchflusstechnologien, die zur Messung des Massendurchflusses verwendet werden, sind die Trägheits- und die Thermotechnik. Trägheitsmessgeräte, auch bekannt als Coriolis-Durchflussmesser, nutzen den Coriolis-Effekt zur Messung der Massendurchflussrate. Wenn eine Flüssigkeit in einer Rohrleitung fließt und durch die mechanische Einleitung einer scheinbaren Drehung in die Rohrleitung einer Coriolis-Beschleunigung ausgesetzt ist, ist die durch den Coriolis-Trägheitseffekt erzeugte Ablenkungskraft eine Funktion der Massendurchflussrate der Flüssigkeit.
Thermische Massendurchflussmesser messen ebenfalls direkt den Massendurchfluss von Flüssigkeiten und Gasen und funktionieren nach dem Prinzip der Wärmeübertragung unter Verwendung eines Heizelements und von Temperatursensoren.
Arten von Massendurchflussmessern
Coriolis-Massendurchflussmesser
Coriolis-Massendurchflussmesser führen eine künstliche Coriolis-Beschleunigung – eine scheinbare Kraft, die relativ zu einem rotierenden Rahmen wirkt – in den Strömungsstrom ein und messen den Massendurchfluss durch Erfassung des resultierenden Drehimpulses.
Wenn eine Flüssigkeit in einem Rohr fließt und durch die mechanische Einleitung einer scheinbaren Drehung in das Rohr einer Coriolis-Beschleunigung ausgesetzt ist, ist die durch den Coriolis-Trägheitseffekt erzeugte Ablenkungskraft eine Funktion des Massenstroms der Flüssigkeit.
Thermal Mass Flow Meters
Thermal mass flow meters also measure the mass flowrate of gases and liquids directly. These meters operate either by introducing a known amount of heat into the flowing stream and measuring an associated temperature change or by maintaining a probe at a constant temperature and measuring the energy required to do so. The components of a basic thermal mass flow meter include two temperature sensors and an electric heater between them. The heater can protrude into the fluid stream or can be external to the pipe.
Gängige Anwendungen für Massendurchflussmesser
Massendurchflussmesser werden häufig zur Überwachung oder Steuerung von massenbezogenen Prozessen (wie chemischen Reaktionen) eingesetzt, die von den relativen Massen der nicht reagierten Bestandteile abhängen, z. B. Rezepturformulierungen, Materialbilanzbestimmungen sowie Abrechnungs- und Mess- und Kontrollbetriebe. Da es sich hierbei um die kritischsten Durchflussmessungen in einer Verarbeitungsanlage handelt, sind die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Massendurchflussmessung von großer Bedeutung.
Coriolis-Massendurchflussmesser werden in vielen verschiedenen Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen sowie in wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt – zur Messung sowohl korrosiver als auch sauberer Gase und Flüssigkeiten. Sie bieten eine hohe Genauigkeit bei der Messung von Massendurchfluss, Dichte, Temperatur und Viskosität. Thermische Massendurchflussmesser werden häufig zur Überwachung oder Steuerung massenbezogener Prozesse eingesetzt, wie z. B. chemischer Reaktionen, die von den relativen Massen der nicht reagierten Bestandteile abhängen.
Zu den gängigen Gasdurchflussanwendungen für thermische Massendurchflussmesser gehören die Messung der Verbrennungsluft in großen Kesseln, die Messung von Prozessgasen in der chemischen und Petrochemie, Forschungs- und Entwicklungsanwendungen, Gaschromatographie sowie Filter- und Dichtheitsprüfungen. Bei der Erfassung des Massenstroms kompressibler Dämpfe und Gase wird die Messung nicht durch Änderungen des Drucks und/oder der Temperatur beeinflusst. Eine der Fähigkeiten thermischer Massendurchflussmesser ist die genaue Messung niedriger Gasdurchflussraten oder niedriger Gasgeschwindigkeiten (unter 25 ft/min) – viel niedriger als mit jedem anderen Gerät gemessen werden kann. Thermische Durchflussmesser bieten eine hohe Messbereichsveränderlichkeit (10:1 bis 100:1), wenn sie im Modus mit konstanter Temperaturdifferenz betrieben werden.
Ist hingegen die Wärmezufuhr konstant, ist die Fähigkeit, sehr kleine Temperaturunterschiede zu erfassen, begrenzt, und sowohl die Präzision als auch die Messbereichsveränderlichkeit nehmen ab. Bei normalen Durchflüssen liegen die Messfehler in der Regel im Bereich von 1–2 % des Skalenendwerts.
Was sind die Einschränkungen eines Massendurchflussmessers?
Massendurchflussmesser können eine sehr hohe Messbereichsfähigkeit und hohe Genauigkeit aufweisen, aber sie haben auch erhebliche Einschränkungen. Umgebungsvariablen sowie Mess-, Berechnungs- und Einstellungsfehler können zu einer Verringerung der Effizienz, möglichen Schäden an Geräten und letztlich zu einer Verringerung der Genauigkeit führen.
Zu den potenziellen Problemen mit Massendurchflussmessern gehören:
- Coriolis-Massendurchflussmesser erfordern für die Erfassung hohe Strömungsgeschwindigkeiten – dies führt zu hohen Druckverlusten.
- Coriolis-Messgeräte sind im Vergleich zu anderen Durchflussmessern teuer. Außerdem sind sie nicht für größere Rohrleitungen erhältlich.
- Thermische Massendurchflussmesser werden durch die Kondensation von Feuchtigkeit (in gesättigten Gasen) auf dem Temperaturdetektor beeinträchtigt – dies führt zu niedrigen Messwerten und kann zu Korrosion führen.
- Thermische Massendurchflussmesser werden durch Ablagerungen oder Ansammlungen von Materialien auf dem Sensor beeinträchtigt – dies behindert die Wärmeübertragung und führt zu niedrigen Messwerten.
- Thermische Massendurchflussmesser werden durch Schwankungen der spezifischen Wärme beeinflusst, die durch Änderungen in der Zusammensetzung des Gases verursacht werden.
Massendurchflussmessung: Eine Geschichte
In der Vergangenheit wurde der Massendurchfluss häufig aus den Ausgängen eines Volumendurchflussmessers und eines Dichtemessers berechnet. Die Dichte wurde entweder direkt gemessen (Abbildung 1-A) oder anhand der Ausgänge von Prozesstemperatur- und Drucktransmittern berechnet. Diese Messungen waren nicht sehr präzise, da die Beziehung zwischen Prozessdruck oder Prozesstemperatur und Dichte nicht immer genau bekannt ist – jeder Sensor trägt mit einem eigenen Fehler zum Gesamtmessfehler bei, und die Reaktionsgeschwindigkeit solcher Berechnungen reicht in der Regel nicht aus, um sprunghafte Änderungen im Durchfluss zu erkennen.
Abbildung 1: Herkömmliche Massendurchflussmesser Eines der frühen Designs von eigenständigen Massendurchflussmessern arbeitete im Betrieb mit Winkelimpuls (Abbildung 1-B). Es verfügte über ein motorbetriebenes Laufrad, das durch Beschleunigung der Flüssigkeit auf eine konstante Winkelgeschwindigkeit einen Drehimpuls (Drehbewegung) erzeugte. Je höher die Dichte, desto größer war der Drehimpuls, der erforderlich war, um diese Winkelgeschwindigkeit zu erreichen. Hinter dem angetriebenen Laufrad war eine federgespannte stationäre Turbine diesem Drehimpuls ausgesetzt. Das resultierende Drehmoment (Federtorsion) war ein Indikator für den Massenstrom. Diese Messgeräte hatten alle bewegliche Teile und komplexe mechanische Konstruktionen. Sie wurden ursprünglich für die Messung von Flugzeugtreibstoff entwickelt und sind teilweise noch immer im Einsatz. Aufgrund ihrer Komplexität und hohen Kosten für die Wartung werden sie jedoch nach und nach durch robustere und wartungsärmere Konstruktionen ersetzt.
Der Massendurchfluss kann auch durch Chargenwägung oder durch die Kombination eines genauen Füllstandssensors mit einem Dichtemessgerät gemessen werden. Eine weitere Methode besteht darin, zwei d/p-Transmitter in unterschiedlichen Höhen am unteren Teil eines atmosphärischen Tanks anzubringen. In diesem Fall variiert der Ausgang der oberen d/p-Zelle mit dem Füllstand im Tank, während der untere den hydrostatischen Druck über einen festen Höhenunterschied misst. Diese Druckdifferenz ergibt die Dichte des Materials im Tank. Solche Systeme wurden zur Messung des Gesamtmassenstroms von Schlämmen verwendet.
Mass flow also can be measured by batch weighing or by combining an accurate level sensor with a densitometer. Another method is to mount two d/p transmitters on the lower part of an atmospheric tank at different elevations. In this case, the output of the top d/p cell will vary with the level in the tank, while the lower one will measure the hydrostatic head over a fixed elevational distance. This pressure differential yields the density of the material in the tank. Such systems have been used to measure the total mass flow of slurries.
Massenstrom- versus Volumenstrommessung
Die Massenstrommessung und die Volumenstrommessung sind wichtige Messtechniken zur Messung der Durchflussmenge in einem System. Die beiden Konzepte sind zwar miteinander verwandt, unterscheiden sich jedoch in einigen wesentlichen Punkten. Bei der Massenstrommessung wird die Masse gemessen, die sich über einen bestimmten Zeitraum durch ein System bewegt, typischerweise in Gramm pro Sekunde.Bei der Volumenstrommessung geht es um die Raummenge, die die Masse über einen bestimmten Zeitraum einnimmt, in der Regel gemessen in Litern pro Sekunde. Eine Gemeinsamkeit zwischen beiden ist, dass sie beide die Geschwindigkeit messen, mit der etwas durch ein System fließt. Darüber hinaus werden beide Messungen in der Regel in Kombination mit anderen Messungen verwendet, um ein besseres Verständnis des Gesamtsystems zu erhalten.
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