Wat is een thermische massflowmeter?

Thermische massflowmeters worden vaak gebruikt om lage gas flows te meten, maar wat zijn massflowmeters nu precies? En wat onderscheidt deze instrumenten van andere flowmeters? In deze blog zal ik de verschillen tussen de meetprincipes toelichten en de voor- en nadelen van flowsensoren met je delen.

Massflow en volumeflow meten

Bij veel onderzoeks- en productieprocessen is de belangrijke variabele niet volume maar massa. Metingen van volumeflow zijn minder betrouwbaar dan massflowmeting, omdat de dichtheid van een bepaald volume aan gas wordt beïnvloed door veranderingen in temperatuur of en druk.
 

Thermische Mass Flow Meter/Controller voor Gas (by-pass ontwerp).

Volume flow versus Mass flow

Anders dan volumeflowmeetinstrumenten, zoals purgemeters ( VA meters) of turbinemeters, zijn thermische massflowmeters ongevoelig voor schommelingen in temperatuur en druk van de inkomende flow. Met de massflowmeter kun je direct massflow meten. Bij de meeste andere methoden wordt de volumeflow gemeten. Dit betekent dat zowel temperatuur als druk afzonderlijk worden gemeten om eerst de dichtheid van het gas en vervolgens de massflow te berekenen.

Massflowmeters meten de flow op moleculair niveau, waardoor je op een hele nauwkeurige, herhaalbare en betrouwbare manier gas aan het proces kunt toevoeren.

Het verschil tussen volumeflow en massflow wordt verder uitgelegd in ons blog Waarom zijn referentieomstandigheden bij massflow belangrijk?

De voordelen van thermische massflowmeting

Voor het bepalen van de massflow van een lage gasflow wordt bijna altijd een thermische massflowmeter gebruikt. Sinds deze instrumenten midden jaren 70 op de markt kwamen, hebben ze een aanzienlijke ontwikkeling doorgemaakt: van analoog naar digitaal, van lage naar hoge flows, van toepassingen in laboratoria en machines naar industriële en zelfs explosiegevaarlijke omgevingen. Voor bijna iedere toepassing met lage gasbereiken bestaat een geschikte thermische massflowmeter. Andere meetprincipes die kunnen worden gebruikt voor toepassingen met lage gasbereiken, zijn Coriolis-flowmeting en drukverschilmeting.

Coriolis flow-meting

Coriolis-massflowmeters zijn zeer geschikt voor het meten van superkritische gassen en het meten van de massflow van wisselende of onbekende gasmengsels.

Drukverschilmeting

Bij drukverschilmeting wordt de gemeten delta-P omgerekend naar een massflow. Bij deze berekening wordt rekening gehouden met de temperatuur, dichtheid en dynamische viscositeit van het gebruikte gas. Thermische sensoren zijn minder kwetsbaar voor drukveranderingen in het proces dan deze methode, en thermische flowmeting levert voor andere gassen een wezenlijk nauwkeuriger resultaat op.

Coriolis mass flow meet principe

Verschil tussen thermische flowsensoren

Thermische massflowmeters en thermische massflowcontrollers maken gebruik van de warmtegeleidbaarheid van het te meten gas. Binnen het assortiment van thermische flowmeters onderscheiden we verschillende typen sensoren, namelijk:

inline-sensoren, die rechtstreeks in de hoofdstroom meten, en
bypass-sensoren, waarbij een evenredig deel van de flow door een bypass wordt geleid.

Thermische mass flow meter voor gas met ‘inline’ principe

Aan elke technologie kleven voor- en nadelen, afhankelijk van de toepassing: Voor toepassingen waarbij het gas schoon en droog is, en waarbij hoge nauwkeurigheid net zo belangrijk is als herhaalbaarheid, is een bypass-instrument (bijvoorbeeld onze instrumenten van de EL-FLOW Select-serie en EL-FLOW Prestige-serie) waarschijnlijk mogelijk beter geschikt.

Voor toepassingen waarbij het gas enigszins vochtig is, of waarbij de nauwkeurigheid lager mag zijn maar herhaalbaarheid en stevigheid van belang zijn, zijn flowmeters met een robuuste inline-sensor in combinatie met een recht flowpad (bijvoorbeeld onze instrumenten van de MASS-STREAM-serie) mogelijk beter geschikt.

Ook zijn er thermische massflowmeters die gebruikmaken van chipsensoren (MEMS: Micro Electro Mechanical System, of CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor), waarbij de gasflow met deze sensoren in contact komt.

Chipsensoren hebben als voordeel dat het meetsignaal sneller is, maar zijn minder robuust en daarom vaak niet geschikt voor gebruik bij agressieve of explosieve gassen. Bovendien moeten deze flowmeters worden gekalibreerd op basis van het feitelijke gas (bijvoorbeeld onze instrumenten van de IQ+FLOW-serie).

Proportional Iintegral Derivative Bronkhorst flow meter solution

PID = Proportional Iintegral Derivative

Thermische massflowcontrollers

Een thermische massflowcontroller is in feite niets anders dan een flowmeter in combinatie met een geïntegreerde of rechtstreeks gekoppelde regelklep. Deze compacte instrumenten worden gebruikt in toepassingen waarbij de regeling van het gas nauwkeurig moet zijn.

Een massflowcontroller vergelijkt het uitgangssignaal continu met een ingesteld signaal uit een spanningsbron, stroombron of digitale bron (veldbus). Wijkt het gemeten signaal af van het ingestelde signaal, dan wordt de magneetregelklep bijgesteld, totdat de twee signalen identiek zijn.

Deze regelfunctie (PID: proportional-integral-derivative) maakt in veel gevallen vaak standaard deel uit van de elektronica van de flowmeter. Met de gebruikerssoftware kan worden ingesteld of de regeling geleidelijk of snel verloopt. Afhankelijk van de toepassing kun je een evenredige, elektromagnetische regelklep kiezen voor druk/drukverschil dat hoog of laag is en voor lage tot hoge flow.

Thermische massflowmeters en massflowcontrollers worden steeds intelligenter

In de technologie van thermische massflowmeters en thermische massflowcontrollers vinden nog steeds voortdurend verbeteringen plaats, die mogelijk zijn dankzij de integratie van extra intelligentie en nieuwe technologie.. Functionaliteit voor meerdere gassen en bereiken, diagnostische functies en dergelijke zijn niet langer een uitzondering.

Thermische mass flow controller uit de EL-FLOW Prestige serie

In de EL-FLOW Prestige-serie van Bronkhorst is een gasdatabase ingebouwd met fysische eigenschappen van zo’n honderd gassen, waardoor het instrument inlaatdrukverschillen automatisch kan compenseren.

Wil je meer weten over deze thermische massflowmeter, download dan onze white paper met gedetailleerde informatie over de impact op nauwkeurigheid, stabiliteit, lineariteit en drukcorrectie.