Ron Tietge
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Die Weihnachtsfeiertage rücken näher! Und genau wie im Alltag sind Bronkhorst-Produkte für viele Dinge wichtig, die für uns zur Weihnachtszeit gehören. Ob Dekoration oder ein leckeres Abendessen, es liegt auf der Hand, dass Durchflussmesser in ihrer Produktion verwendet wurden. In diesem Blog werde ich kurz verschiedene weihnachtliche Durchflussanwendungen erläutern und wie Durchflussmessung und -steuerung funktioniert.

Duftkerzen – Weihnachtsduft liegt in der Luft

Wir zünden Kerzen an, um zu Weihnachten ein wenig Atmosphäre zu schaffen. Aber neben dem zusätzlichen Licht, das man bekommt, haben sie oft auch etwas anderes zu bieten. Duftkerzen können einen Raum in fast alles verwandeln, ob Weihnachten unter Palmen oder Pfefferkuchen und Zuckerguss. Solche Düfte versetzen uns in eine andere Welt. Kerzenhersteller arbeiten eng mit Firmen zusammen, die Düfte herstellen, um wunderbare Rezepturen zu entwickeln, die nicht nur ansprechend sind, sondern auch sicher und richtig brennen. Die Zugabe von Duftstoffen zu einer Kerze sollte sorgfältig überwacht werden. So wird sichergestellt, dass die Kerze sauber und sicher brennt. Für die Dosierung der Duftstoffe in einer Kerze ist die Bronkhorst CORI-FILL Dosiertechnik eine sehr gute Wahl. Die ganze Geschichte lessen sie in unserem Blog “Ein Hauch von Weihnachten liegt in der Luft”.

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Weihnachtleckerei

Bei den meisten von uns wird Weihnachten in der Regel mit einem üppigen Abendessen im Kreis von Familie und Freunden gefeiert. Und genau hier spielen Massendurchflussregler tatsächlich eine Rolle, denn sie kommen bei der Herstellung vieler Leckerein zum Einsatz, die an Weihnachten bei uns auf der Festtafel stehen:

Bronkhorst-Instrumente werden auch häufig zum Versiegeln, Beschichten und Sterilisieren der Verpackung von beispielsweise Säften oder Milchprodukten verwendet. Sie möchten mehr über die Massenstrommessung für die Herstellung von Lebensmitteln und Getränken erfahren? Lesen Sie alles über die verschiedenen Anwendungen in dieser Branche. Read all about the different applications in this industry.

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Anti-Haft-Beschichtung beim Backen/Braten/Grillen

Während des Weihnachtsessens benutzen meine Familie und ich immer gerne einen Tischgrill. Aber ist es nicht frustrierend, wenn das Grillgut auf dem Grill haften bleiben? Glücklicherweise ist das Rost eines Tischgrills oft mit einer Teflonbeschichtung versehen, um zu verhindern, dass Lebensmittel daran haften bleiben. Hier kommt die Massenstromregelung ins Spiel. Massendurchflussmesser werden eingesetzt, um Teflon bei der Herstellung von Backblechen gleichmäßig zu versprühen, um eine optimale Genauigkeit und Konsistenz zu gewährleisten.

LED-Lichterketten

Weihnachten und stimmungsvolle Beleuchtung sind untrennbar miteinander verbunden, zum Beispiel wenn es um das funkelnde Licht geht, das Ihren Weihnachtsbaum oder Ihre Gartendokoration erhellt. Alle diese winzigen LED-Leuchten, die blitzen und blinken, wurden mit Hilfe eines Massenflussmessers erzeugt. Schließlich arbeitet die LED über eine zweiadrige Halbleiterlichtquelle. Das in LEDs verwendete Halbleitermaterial ist im Wesentlichen Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), das mit Massendurchflussmessern präzise aufgebracht wird. Verschiedene am Prozess beteiligte Wellenlängen bestimmen die verschiedenen Farben der LEDs. Daher hängt das von der Vorrichtung abgegebene Licht von der Art des verwendeten Halbleitermaterials ab.

Die in dieser Weihnachtsgeschichte erläuterten Anwendungen sind nur ein Bruchteil der Möglichkeiten, die Bronkhorst-Instrumente zu bieten haben. Durchflussmessgeräte können in zahlreichen Anwendungen und Branchen eingesetzt werden. Um den richtigen Durchflussmesser für Ihre Anwendung zu finden, besuchen Sie bitte !

Und schließlich möchte ich Ihnen allen ein frohes Weihnachtsfest und einen guten Rutsch ins neue Jahr wünschen!

[picture: animated Christmas card with sparkling lights]

Möchten Sie 2019 über Neuigkeiten aus der Durchflussmesstechnik auf dem Laufenden bleiben? Abonnieren Sie jetzt unseren Newsletter.

Egbert van der Wouden
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Erdgas ist weltweit eine der wichtigsten Energiequellen für den privaten und industriellen Gebrauch. Die jüngsten Trends in der Energieversorgung haben aber überall auf der Welt zu Veränderungen in der Zusammensetzung des gelieferten Gases geführt. Aufgrund dieser Veränderungen wird es immer wichtiger, die Zusammensetzung dieses Gases zu messen. Vor allem bei kleineren Verbrauchsstellen hat sich dabei ein großer Bedarf an Inline-Messtechnik entwickelt.

So wurde beispielsweise in den Niederlanden in den 1950er Jahren ein großes Erdgasvorkommen bei Slochteren entdeckt, das viele Jahrzehnte lang eine stabile und konstante Quelle lieferte. Die Produktion aus dem Feld Slochteren ist jedoch rückläufig und wird 2030 eingestellt. Daher muss das Gasnetz mit Gas aus verschiedenen Quellen versorgt werden, deren Zusammensetzung sehr unterschiedlich sein kann.

Erdgas

Was Erdgas aus allen Quellen gemeinsam hat, ist, dass es zum Großteil aus Methan besteht. In der Regel liegt der Methangehalt zwischen 75 und 99%. Der Rest der Mischung besteht typischerweise aus höheren Alkanen, wie Ethan und Propan, und Anteilen von Stickstoff und Kohlendioxid. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Quelle des Gases ab, so dass sich die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Erdgases ändern, wenn ein Gasversorgungsnetz mit Gas aus einer Vielzahl verschiedener Quellen gespeist wird. Darüber hinaus tragen andere aktuelle Faktoren zu den Schwankungen in der Zusammensetzung bei.

Biogas und andere erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien werden zunehmend wichtiger und damit auch der Einsatz von Biogas als Methanquelle. Biogas aus erneuerbaren Energiequellen in Biogasanlagen kann nach entsprechender Aufbereitung in das Netz eingespeist werden. Die Zusammensetzung des Biogases hängt jedoch vom Ausgangsmaterial ab, das nicht immer gleich ist und zusätzlich auch jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Wenn Sie mehr über die die Aufbereitung von Biogas wissen möchten, lesen Sie unseren Blogbeitrag von Dr. Jens Rother (Rubolab) über Testsysteme zur Aufbereitung von Biogas.

Ein weiterer wichtiger Trend ist Power to Gas (Strom zu Gas oder P2G); hier wird Strom, der aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind erzeugt wird, zur Erzeugung eines Gases als Energieträger genutzt. Dies kann Wasserstoff sein, der durch Elektrolyse erzeugt wird, oder synthetisches Methan durch Kombination von Kohlendioxid und Wasserstoff aus der Elektrolyse.

Ein wichtiger Faktor bei erneuerbaren Energien ist allerdings das Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage. Wie Sie sich vorstellen können, wird Solarenergie nur tagsüber produziert. Die Überführung von elektrischer Energie in chemische Energie durch die Erzeugung brennbarer Gase und deren Einspeisung in das nationale Netz kann dazu beitragen, dieses Ungleichgewicht auszugleichen, indem die große Pufferkapazität der verfügbaren Gasnetze genutzt wird. Jüngste Forschungen in den Niederlanden haben gezeigt, dass das derzeitige Gasnetz in den Niederlanden mit relativ begrenzten Modifikationen mehrere zehn Prozent Wasserstoff aufnehmen kann.

All diese Faktoren führen zu zunehmenden Veränderungen der Gaszusammensetzung im Netz. Zusammensetzung und Qualität sind stark korreliert; steigende Mengen an Inertgasen wie Stickstoff oder Kohlendioxid reduzieren die bei der Verbrennung entstehende Energiemenge, auch Brennwert genannt. Das Vorhandensein von Wasserstoff im Erdgas kann die Flammeneigenschaften wie Temperatur und Flammgeschwindigkeit stark verändern. All diesem muss zukünftig Rechnung getragen werden.

Bestimmung der Zusammensetzung

Bei sich ändernden chemischen Zusammensetzungen wird es immer wichtiger, den Brennwert und die Komponenten zu messen. Mit nur einem einzigen Einspeisepunkt genügte eine Messung, um die Zusammensetzung im nachgelagerten Netzwerk zu analysieren. Im heutigen Netz sind die Netze stärker miteinander verflochten und haben mehrere Stellen, an denen Gase gemischt werden. An jedem Einspeisepunkt ist es deswegen notwendig, die Zusammensetzung zu messen, nicht nur für die Qualitätskontrolle, sondern auch für steuerliche Zwecke. Auf diese Weise können die Lieferanten sicherstellen, dass die Verbraucher die Qualität erhalten, die sie benötigen, und die Verbraucher bezahlen nicht für das erhaltene Volumen, sondern für den Brennwert des Gases.

Der aktuelle Standard für die Bestimmung der Gasqualität ist die Gaschromatographie; dieses Verfahren ist sehr genau, aber auch langsam und teuer. Alternative Methoden wie die Kalorimetrie sind ähnlich teuer und haben außerdem einen relativ hohen Platzbedarf, was die Implementierung in kleinen Anlagen erschwert. All dies führt zu einem Bedarf an Messtechnik, die sowohl inline als auch in kleinen Anwendungen eingesetzt werden kann. Dies erfordert Sensoren, die kompakt und kostengünstig und vorzugsweise die Zusammensetzung messen können.

Neue Lösung für die Messung der Gaszusammensetzung

In Zusammenarbeit mit:

  • TNO (Niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung),
  • Venne Electronics (ein niederländischer Anbieter von Elektronikprodukten) und
  • den niederländischen Gasnetzbetreibern Alliander und Gasunie,

entwickelt Bronkhorst eine Lösung zur Messung der Gaseigenschaften, die in vielen Anlagen für ein breites Anwendungsspektrum installiert werden kann.

Sensorkonzept mit Schutz-Cover

Das Funktionsprinzip des Konzepts basiert auf der bevorzugten Adsorption von Gaskomponenten auf Beschichtungen, die auf interdigitale Elektrodenstrukturen aufgebracht werden. Die Adsorption ist proportional zur Komponentenkonzentration und führt zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaften, die als Kapazitätsänderung der Beschichtung erkannt werden kann.

DIE Sensor mit interdigitalen Elektroden und Beschichtung

Derzeit wird das Konzept im niederländischen Erdgasnetz in enger Zusammenarbeit mit den Netzbetreibern und Projektpartnern Alliander und Gasunie getestet.

Bestimmung der Methan-Konzentration mit neuem Sensorkonzept und chromatographisch

Basierend auf den gemessenen Komponenten, die an den verschiedenen Beschichtungen erkannt wurden, kann der Brennwert basierend auf der Konzentration der gemessenen Komponenten berechnet werden. In Kombination mit dem integrierten Druck- und Temperatursensor können weitere Schlüsselparameter für die Charakterisierung von Erdgas wie Wobbe-Index, Propanäquivalent oder Verbrennungsluftbedarf bestimmt werden.

Durch die Verwendung dieser Parameter als Input für ein Steuerungssystem können Anwender ihre Prozesse optimieren, um die Effizienz zu steigern, Schadstoffe zu reduzieren oder die Belastung zu steuern. Zum Beispiel in Prozessen wie:

  • Überwachung der Gasqualität im nationalen Netz
  • Prozesskontrolle bei der Produktion von Biogas/Synthetischem Gas
  • Motorsteuerung für Gasmotoren und Brenner

Aber wir dürfen natürlich den Sicherheitsaspekt auch nicht aus den Augen verlieren, schließlich kann der Mensch keine der Komponenten von Erdgas riechen. Damit wir Gaslecks wahrnehmen können, wird schon lange eine Odorierungssubstanz zugesetzt. Deswegen riecht es nach Gas. Erfahren Sie mehr in unserem Blog „Hier riecht es nach Gas".

Ric Besseling
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In verschiedenen Anwendungsbereichen wie Alterungsprozessen, Validierungstests, der medizinischen Forschung oder in der Pflanzenwachstumsforschung wird oft ein bestimmter Feuchtluftstrom benötigt, um bestimmte Umgebungsbedingungen in einer Prüfkammer zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Heutzutage haben wir mehrere Lösungen für diese Art von Anwendungen, eine davon mit Hilfe von kontrollierten Verdampfungs- und Mischsystemen. Lassen Sie mich erklären, was die Vorteile dieser Systeme im Vergleich zu den konventionelleren Bubblersystemen sind.

Wie funktioniert ein Bubbler-System?

Kleine Konzentrationen von feuchter Luft können mit einem Bubblersystem erzeugt werden. Diese konventionelle Methode erfordert eine sehr genaue Druck- und Temperaturregelung des Bubblersystems, um Schwankungen im Dampfgehalt zu vermeiden. Ein komplettes Bubbler-Füllstandsmesssystem besteht daher aus einer Druckluftquelle, einem Luftmengenbegrenzer, einem Sensorrohr und einem Druckregler. Letzterer misst den Druck im System, über eine Steuereinheit wird dann der Füllstand des Bubblers ermittelt. Die Qualität der Luftbefeuchtung hängt vollständig von der theoretischen Berechnung des Sättigungsgrades der durch die Flüssigkeit strömenden Luft und der Genauigkeit der Druck- und Temperaturregelung ab. Mit diesem konventionellen Ansatz ist es schwierig, einen bestimmten Luftfeuchtigkeitsgehalt zu generieren und längerfristig aufrecht zu halten.

konventionelles Bubbler-System

konventionelles Bubbler-System

Verdampfersysteme von Bronkhorst

Zusätzlich zu diesem Befeuchtungskonzept entwickelte Bronkhorst das CEM-System (Controlled Evaporating and Mixing System), das auf kontrollierter Verdampfung und Mischung mit einem Trägergas basiert und für Feuchtluftanwendungen eingesetzt werden kann. Dieses CEM-System ist eine innovative Lösung für die Dampfherstellung, basierend auf einem Flüssigkeitsdurchflussregler (LIQUI-FLOW oder mini CORI-FLOW), einem Gasdurchflussregler und einer temperaturgesteuerten Misch- und Verdampfer-Einheit.

Im Vergleich zum herkömmlichen Bubblersystem bietet ein CEM-System einen direkteren Ansatz. Die Methode ist sehr einfach, und theoretisch kann jede Konzentration in Sekundenschnelle mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit eingestellt werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine relative Luftfeuchtigkeit zwischen 5 und 95 Prozent einzuregeln.

Bronkhorst CEM

Set-up Bronkhorst CEM System

Der Feuchtigkeitsgehalt wird durch den Flüssigkeitsdurchflussregler genau gesteuert und die Luftmenge kann durch den Gasdurchflussregler eingestellt werden. Auf der Oberseite des CEM sorgt ein Misch-Regel-Ventil für eine korrekte Zerstäubung des Wassers im Luftstrom. Aufgrund der Zerstäubung in sehr kleine Tropfen im Luftstrom kann (Aerosol) kann das Wasser im spiralförmigen Heizrohr am Ausgang des Misch-Regel-Ventils bei niedriger Temperatur verdampft werden.

Was ist drin im CEM?

Das CEM-Systems besteht im Wesentlichen aus:

  1. Einem Massendurchflussregler für Gase zur Messung und Regelung des Trägergasstroms (z.B. EL-FLOW Select Serie.
  2. Einem Massendurchflussmesser für Flüssigkeiten zur Messung des Durchflusses der Flüssigkeit (z.B. LIQUI-FLOW-Serie, mini CORI-FLOW-Serie.
  3. Temperaturgesteuerte Misch- und Verdampfervorrichtung (CEM) zur Steuerung des Flüssigkeitsquellenstroms und zum Mischen der Flüssigkeit mit dem Trägergasstrom, was zu einer vollständigen Verdampfung führt; komplett mit dem temperaturgeregelten Wärmetauscher, um dem Gemisch Wärme zuzuführen; Basis-CEM-Systeme von Bronkhorst sind als Komplettlösung einschließlich Steuerelektronik erhältlich und bieten völlige Flexibilität bei der Realisierung einer Verdampfungslösung in praktisch jeder Situation.

Möchten Sie mehr über die CEM-Technologie erfahren? Hier erfahren Sie mehr!

Chris King
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Die Wahl des richtigen Durchflussmessers ist der Schlüssel zum Erfolg, während die Wahl des falschen Durchflussmessers nichts als Ärger bedeutet. In der Durchflussmessertechnologie hat sich in den letzten Jahren die Auswahl an Geräten für jede Art von Anwendung erheblich erweitert. Der richtige Durchflussmesser ist für die wichtige Datenerfassung unerlässlich, und der falsche kann zu Budgetverlust und kostspieligen Produktionsausfällen führen. In diesem Blog werde ich einige der wichtigsten Punkte diskutieren, die in den Entscheidungsprozess eines Durchflussmessers einfließen.

Preis versus Verwendungshäufigkeit: typische Entscheidungskriterien für die Auswahl eines Instrumentes

Hüten Sie sich davor, sich auf zwei der häufigsten Kriterien zu verlassen, die Menschen im Auswahlprozess verwenden: Kosten und Verwendungshäufigkeit. Wenn Sie den Preis an die Spitze Ihrer Kriterien stellen, kann es leicht passieren, den falschen Durchflussmesser für die Anwendung auszuwählen oder einen, der physisch oder leistungsmäßig nicht ausreicht. Dieses Geschäft könnte sich schnell in einen Budgetalptraum verwandeln. Wenn das Messgerät und seine Zusatzgeräte häufig und teuer gewartet werden müssen, wird das, was Sie an diesem Durchflussmesser eingespart haben, schnell verbraucht. Darüber hinaus kann ein Durchflussmesser mit einer höheren Anfangsinvestition dies auch durch geringere Kosten für Wartung und Betrieb ausgleichen. Coriolis-Massendurchflussmesser sind zunächst teurer in der Anschaffung als viele andere Arten von Durchflussmessern, können aber im Laufe der Zeit viel Geld sparen, da sie einfacher zu warten sind, was zu weniger Ausfallzeiten und weniger Wartungskosten führt.

Coriolis Durchflussregelung

Während es wichtig ist, herauszufinden, welche Art von Durchflussmesser in Ihrer Branche am häufigsten verwendet wird, kann die einfache Auswahl des oft verwendeten Gerätes auch zu großen Problemen führen. Wenn der Durchflussmesser nicht 100% für Ihre Anwendung geeignet ist, können Mengen unter- oder überschritten werden, wodurch wertvolles Material verloren geht, Fehlproduktion und Ausfälle und damit wirtschaftlicher Verlust sind die Folge.

Neue Durchfluss-Technologien eröffnen neue Möglichkeiten

Technologische Fortschritte können auch Instrumente auf den Markt bringen, die vielleicht nicht so bekannt sind, aber eine bessere Lösung bieten. So mussten beispielsweise in der Vergangenheit Inline-Ultraschall-Durchflussmesser bei bei Verwendung einer anderen Flüssigkeit neu kalibriert werden und konnten nicht in Anwendungen eingesetzt werden, in denen Hygiene wichtig war. Heutzutage haben neue Ultraschall-Durchflussmesser wie der ES-FLOW diese Probleme gelöst und damit den Einsatz von Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräten für diese Art von Anwendungen eröffnet. Ein Durchflussmesser ist ein hochtechnisches Gerät, das von vielen Variablen beeinflusst wird. Wir werden die wichtigsten herausgreifen, aber im Endeffekt ist jede Applikation für sich einzigartig.

ES-FLOW

Volumen- oder Massendurchfluss?

Es gibt zwei grundlegende Möglichkeiten zur Messungen von Flüssigkeiten, die Volumen- und Massenstrommessung. Ein Durchflussmesser ist entweder ein Volumenstrommesser oder ein Massenstrommesser. Masse und Volumen lassen sich durch die Dichte und die vereinbarten Variablen (Druck, Temperatur) ineinander umrechnen. Ob ein Volumenstrom- oder Massenstrommesser am besten geeignet ist, hängt von der Anwendung, seinen Komponenten und dem Zweck der Messung ab.Hier erfahren Sie mehr!

Was ist wann geeignet?

Einige Durchflussmesser lassen sich leicht ausschließen, da sie einfach nicht mit der Anwendung funktionieren. So funktionieren beispielsweise magnetisch-induktive Durchflussmesser nicht mit Kohlenwasserstoffen, sondern erfordern eine leitfähige Flüssigkeit. Viele Durchflussmesser können keine Gase oder Suspensionen messen. Nachfolgend sind einige der wichtigsten Kategorien von Durchflussmessern aufgeführt, die mit der Art der Fluide, mit dem die Geräte umgehen können, gekoppelt sind.

  • Gas – Coriolis Massendurchflussmesser, Thermische Massendurchflussmesser, Ultraschall , Rotameter, Differenzdruck-Durchflussmesser, Verdrängungszähler, Turbine
  • Flüssigkeiten – Coriolis Massendurchflussmesser, Thermische Massendurchflussmesser, Ultraschall, Rotameter, Differenzdruck-Durchflussmesser, Verdrängungszähler, Turbine, Elektromagnetische Durchflussmesser
  • Suspensionen/Dispersionen – Coriolis Massendurchflussmesser, einige Typen Verdrängungzähler, Ultraschall, Elektromagnetische Durchflussmesser
  • Dampf– Vortex,Ultraschall, Schwebekörper

Fluid-Eigenschaften

Es ist wichtig, die Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit zu kennen, im Folgenden sind einige der Parameter aufgeführt:

  • Art des Fluids: Gas, Flüssigkeit, Suspensionen, Dampf
  • Dichte
  • Viskosität
  • Temperatur
  • Druck
  • Zustand des Fluids – frei von Fremdkörpern, suspendierte Partikel, Luftblasen,
  • Andere Verunreinigungen
  • Konsistenz des Durchflusses - gleichbleibend oder bricht ab, füllt das Rohr oder füllt es teilweise oder variiert.
  • Durchflussbereich – Minimum und Maximum des Durchflusses
  • Korrosivität des Fluids – korrosive Flüssigkeiten und Gase können die Sensoren beschädigen

Einbausituation

Es ist aber ebenso wichtig, die Einbausituation zu kennen, da diese durchaus Auswirkungen auf die Genauigkeit des Gerätes haben kann.

  • Konfiguration der Leitung vor und nach dem Durchflussmesser, sowie die Länge der Ein- und Auslaufstrecke des Durchflussmessers.
  • Durchmesser der verwendeten Rohrleitungen: je nach Gerät beeinflusst der Rohrdurchmesser die Performance des Gerätes, z.B. wenn ein sehr hoher Durchfluss mit ser kleinen Rohrquerschnitten realisiert werden soll (Turbulenzeffekte).
  • Das Material der Verrohrung (z.B. Kunststoffschlauch kann zu Problemen führen (Diffusion, Sind die Umgebungsbedingungen stabile oder variieren sie stark (z.B. die Umgebungstemperatur)
  • Einbaulage des Instrumentes: Funktioniert der Durchflussmesser in einer bestimmten Einbaulage? Dies kann die Leistung eines Durchflussmessers erheblich beeinträchtigen (Kamineffekt).

Lesen Sie hierzu mehr in unserem Blog von Allard Overmeen.

Spezifikationen von Durchflussmessern

Nicht zuletzt müssen auch die Spezifikationen selbst bei der Auswahl des richtigen Durchflussmessers berücksichtigt werden.

Genauigkeit - Ein wichtiger Faktor eines Durchflussmessers ist natürlich die Genauigkeit. Selbst den Eindruck zu erwecken, dass Genauigkeit eine Variable ist, erscheint lächerlich. Wer möchte schon ein ungenaues Messgerät? Allerdings besitzen nicht alle Durchflussmesser die gleiche Genauigkeit; einige Anwendungen erfordern nicht einmal eine hohe Präzision, sondern die Reproduzierbarkeit ist viel wichtiger.

EL-FLOW Prestige

Reproduzierbarkeit – Reproduzierbarkeit bzw. Wiederholgenauigkeit bedeutet die Anzahl der Male (%), bei denen Sie die gleichen Ergebnisse erhalten, wenn Sie den gleichen Test oder die gleiche Messung unter den gleichen Bedingungen durchführen. Genauigkeit erfordert Wiederholgenauigkeit, aber Wiederholgenauigkeit erfordert keine Genauigkeit. Es braucht nur Konsistenz. Daher kann man sagen, dass die Wiederholbarkeit eines Durchflussmessers oft noch wichtiger ist, als die Genauigkeit.

Dynamik oder Messbereich – Die Dynamik ist der Messbereich, in dem ein Durchflussmesser das Fluid genau messen kann. Normalerweise ist es am besten, einen Durchflussmesser mit dem größten verfügbaren Bereich zu wählen, der möglich ist, ohne andere Prozesskomponenten zu beeinflussen.

Hygiene-Anforderungen – Durchflussmesser für die Lebensmittel-, Pharma- und Medizinindustrie erfordern besondere (hygienische) Bedingungen.

Kosten – Wie bereits erwähnt, sollte dies die Installation, Stromverbrauch, Wartung und Reparatur im Laufe der Zeit umfassen. All das beeinflusst natürlich den Gesamtpreis eines Gerätes.

Wie Sie sehen können, gibt es viele Parameter, die in die Auswahl des passenden Durchflussmessers einfließen. Der einfachste Weg, das richtige Gerät auszuwählen, ist mit einem unserer Experten zu sprechen.

Wenn Sie das richtige Instrument bekommen haben ist natürlich der nächste Schritt die Installation. Unser Kollege Graham Todd gibt hilfreiche Tipps zur Installation von Massendurchfluss-Instrumenten. (https://www.bronkhorst-nord.de/blog-de/post/die-10-hilfreichsten-tipps-zur-installation-ihrer-massendurchfluss-instrumente)

Gerhard Bauhuis
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Das sogenannte „Graphen-Flaggschiff“ ist eine Initiative der Europäischen Union und hat sich zum Ziel gesetzt, die Entwicklung von Graphen bis Anfang 2020 aus dem Labor in den Verbrauchermarkt zu bringen.

Was ist Graphen?

Graphen ist eine Modifikation (Erscheinungsform) das Kohlenstoffes, in der der Kohlenstoff in 2-dimensionale Schichten so angeordnet ist, dass sich ein bienenwabenförmiges (hexagonales) Muster bildet. Graphen kann in drei Typen unterteilt werden: einschichtiges (single-layered), doppelschichtiges (double-layered) and mehrschichtiges (multi-layered) Graphen.

  • Einschichtiges Graphen ist sozusagen die reinste Form mit einzigartigen Eigenschaften. Diese Eigenschaften machen (einschichtiges) Graphen zu einem attraktiven Produkt für eine Vielzahl von Anwendungen.

  • Sowohl zwei- als auch mehrschichtiges Graphen haben andere (weniger ausgeprägte) Eigenschaften.

Mit zunehmender Anzahl der Schichten wird die Herstellung immer kostengünstiger, allerdings werden die Eigenschaften auch schlechter.

In diesem Blog beschränke ich mich auf einschichtiges Graphen, da dieser Typ bis heute immer noch das beste Ergebnis in verschiedenen Untersuchungen liefert.

Graphen-Molekularstruktur

Graphen ist das weltweit erste 2D-Material, das aus nur einer einzigen Atomschicht Kohlenstoff besteht. Kohlenstoff kommt in seiner elementaren Form auch als Diamant und als amorpher Kohlenstoff (z.B. Aktivkohle) und Graphit vor. Graphit wird seit Jahrtausenden zum Zeichnen und Schreiben verwendet (z.B. in Bleistiften).Seine Struktur ist ähnlich dem Graphen. Die Kohlenstoffatome im Graphen sind wie bereits gesagt in einer Sechseckstruktur angeordnet. Wir alle wissen aus dem Chemieunterricht, dass Kohlenstoff 4-bindig ist. Da jedes Kohlenstoffatom 2-dimansional von 3 anderen Kohlenstoffatomen umgeben ist, wird die 4. Bindung als delokalisierte Doppelbindung ausgebildet und so ein mesomeres System aus sich ständig verändernden Doppelbindungen ausgebildet (die Elektronen werden quasi über die gesamte Ebene "verschmiert"). Das ist die Ursache der einzigartigen Eigenschaften.

Einschichtiges Graphen zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • 200 Mal stärker als Stahl
  • einschichtiges Graphen hat einen dicke von weniger als 250 pm
  • 1.000.000 Mal dünner als ein menschliches Haar
  • Das leichteste Material der Welt (1 m² wiegt etwa 0,77 Milligram)
  • Flexibel
  • Transparent
  • Undurchdringlich für Moleküle
  • Exzellente elektrische und Wärmeleitfähigkeit

Graphen kann außerdem mit anderen Materialien wie Gasen oder Metallen kombiniert werden zur Herstellung neuer Materialien mit den oben genannten Eigenschaften oder zur Verbesserung bestehender Materialien.

Graphen-Herstellung

Aktuell gibt es noch keine Methode, um Graphen in größerem Umfang und zu akzeptablen Kosten herzustellen. Weltweit wird daran intensiv geforscht.

Plasma-gestütze chemische Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition , PE-CVD)

Es gibt eine Reihe von verschiedenen Methoden, um Graphen herzustellen. Eine der gebräuchlichsten Methoden in der einschichtigen Graphenherstellung ist die Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bei diesem Verfahren wird ein Gasgemisch - in dem mindestens ein Gas Kohlenstoff enthält – stark erhitzt, so dass sich ein Plasma bildet. Hier kommen unsere Massendurchflussmesser und -regler in CVD-Prozessen zum Einsatz, um Gase und Flüssigkeiten präzise zu dosieren. IM PE-CVD-Prozess bildet das Plasma eine Graphen-Monoschicht auf einem Nickel- oder Kupfersubstrat.

Das Erhitzen erfolgt im Hochvakuum, aber es kann auch ein "grüner" CVD-Prozess verwendet werden, bei dem die Erwärmung unter Atmosphärendruck erfolgt. Durch den Einsatz von Chemical Vapour Deposition können große Graphenplatten hergestellt werden. Einige der verwendeten Precursoren (Ausgangsstoffe) sind Flüssigkeiten (z.B. Ethanol), die zuerst verdampft werden müssen, um im CVD-Prozess in ihrer gasförmigen Form verwendet zu werden. Es ist sehr wichtig, dass das Plasma mit der richtigen Zusammensetzung und der richtigen Präzision erzeugt wird. Dies kann durch den Einsatz von hochpräzisen Durchflussinstrumenten erreicht werden. Eine Abweichung im Plasma kann zu Defekten in der Graphenschicht führen. Fehler können z.B Verunreinigungen (Störstellen) in der 2D-Struktur sein, die die einzigartigen Eigenschaften des Materials verändern können.

“Grüner” CVD-Prozess: Herstellung von hochwertigem Graphen bei Atmosphärendruck

Unser spanischer Vertriebspartner, Iberfluid Instruments S.A., hat kürzlich mit der Universität Cordoba zusammengearbeitet, um die Möglichkeiten der Graphenproduktion im großen Stil unter Verwendung einer plasmagestützten Technik unter Atmosphärendruck zu untersuchen. In dieser Forschung wurde Ethanol mit Hilfe des Bronkhorst-Verdampfungssystems, dem sogenannten Controlled Evaporation and Mixing (CEM) System, zu einem Plasma verdampft. Mit dem Einsatz eines Verdampfersystems werden Flüssigkeiten direkt verdampft, um das richtige Gemisch für das Plasma zu erzeugen. Ein möglicher Aufbau eines solchen Verdampfungssystems kann aus einem CEM-System mit einem zusätzlichen Flüssigkeitsströmungsmesser (d.h. einem Coriolis-Massendurchflussmesser aus der mini CORI-FLOW-Serie) für Ethanol, einem Gasdurchflussregler (d.h. einem EL-FLOW-Massendurchflussregler) für Argon, der als Trägergas fungiert, und schließlich einem temperaturgesteuerten Regel- oder Mischventil bestehen.

Ein Verdampfungssystem wie das Bronkhorst CEM-System kann hervorragende Leistungen in Bezug auf Stabilität und Genauigkeit liefern. Diese Eigenschaften garantieren eine zuverlässige Erzeugung von Plasma, was letztendlich zu einer höheren Qualität des Graphens führt.

Bronkhorst CEM System Cordoba

Im Applikationsbericht "Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch" erfahren Sie mehr, warum die Universität Cordoba (Spanien) das Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing System im PE-CVD Graphenherstellungsprozess einsetzt.

Anwendungsgebiete für Graphen

Aufgrund einer Vielzahl von einzigartigen Eigenschaften findet die Forschung in zahlreichen Anwendungsbereichen statt. Der Schwerpunkt liegt auf ein- und zweilagigem Graphen. Im Moment scheint es, dass einschichtiges Graphen immer noch die besten Ergebnisse liefert. Gleichzeitig wurde die Verwendung von sogenannten Flakes (Flocken) berücksichtigt. Diese Flakes sind winzige Graphenstücke, die mit einem anderen Material, wie beispielsweise Polymeren, vermischt werden können. Die Eigenschaften dieser Materialien können durch Hinzufügen von Graphen-Flakes verbessert werden, wodurch Graphen in verschiedenen Branchen breit einsetzbar ist. Ein paar Beispiele, die auf einschichtigem Graphen basieren:

  1. Wasseraufbereitung: Wissenschaftler entwickeln derzeit ein fortschrittliches Filtersystem auf Basis eines Graphenoxids, das verwendet wird, um verunreinigtes Wasser trinkbar zu machen.

  2. Medizinische Anwendungen: Da Graphen für den menschlichen Körper nicht giftig ist, wird untersucht, wie man Graphen für den medizinischen Transport im Körper verwenden kann, indem man das Medikament an das Graphen anbringt. Graphen hat auch die Eigenschaften, die Bakterienbildung zu verhindern, was es ideal als Beschichtung für Implantate macht.

  3. Energiewirtschaft: Aufgrund der großen Oberfläche und der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit kann Graphen als Energiespeicher eingesetzt werden. Ziel ist es, Graphenbatterien kompakter als bisher zu machen und gleichzeitig die Kapazität zu erhöhen, damit Batterien innerhalb von Sekunden geladen werden können.

  4. Textilindustrie: Graphen könnte zur Verarbeitung von Elektronik in Textilien verwendet werden, wie beispielsweise effektive, effiziente und hochpräzise Sensoren. Darüber hinaus können Graphen-Korrosionsschutzbeschichtungen und leitfähige Farben hergestellt werden.

  5. Halbleiter-Industrie: Dank der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit bietet Graphen Möglichkeiten, die Geschwindigkeit und Kapazität von Chips (für Computer und Smartphones) zu erhöhen.

Graphen ist ein sehr spannendes Thema. Wir verfolgen die Entwicklung von Graphen weiterhin aufmerksam und werden Sie auf dem Laufenden halten. Lesen Sie weiter in unserem Blogbeittrag von John S. Bulmer (Universität Cambridge) über Carbonnanotubes.

Dr. Christian Monsé (IPA)
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Die Immission von Stickoxiden (NOx) wie z.B. NO2 ist ein globales Problem. Überall auf der Welt arbeiten Forscher und Entwickler sowohl an besseren und genaueren Simulations- und Messmethoden als auch an effizienteren Katalysatoren. Stickoxide entstehen bei nahezu allen Verbrennungsprozessen, sowohl bei stationären (z.B. in Kraftwerken, bei der Stahl-Produktion oder in der chemische Grundstoff-Produktion) und genauso bei der mobilen Verbrennung z.B. in Auto- oder Schiffsmotoren.

Gasgemische mit Stickstoffdioxid (NO2)

Das sogenannte NOx ist ein Gemisch verschiedener Stickoxide z.B. NO, NO2, N2O4, N2O3, N2O5). Der Fokus liegt hier auf NO2-Radikalen (Stickstoffdioxid-Radikalen) und seinem Dimer N2O4 (Distickstofftetraoxid). NO2 ist giftig und die Immission in die Umwelt sollte möglichst gering gehalten werden. Allerdings tritt NO2 bei einer Vielzahl von Verbrennungsprozessen als Nebenprodukt auf, so dass sich sowohl die technischen Entwickler als auch die Arbeits- und Präventionsmedizin mit dieser Substanz beschäftigen müssen. Um den Eintrag von NO2 in die Atmosphäre zu reduzieren, wird in der Abgas-Aufbereitung hinter einem Verbrennungsprozess kontrolliert Ammoniak (NH3) bzw. eine ammoniakbildende Substanz wie Harnstoff zugesetzt. In einer katalytischen Reaktion (SCR-Katalyse, selektive katalytische Reduktion) wird das giftige NO2 in Stickstoff und Wasser (und ggf. CO2) umgewandelt.

Allerdings liegt in der oben beschriebenen Gleichgewichtslage auch das Problem bei der Messung und Regelung von Gasströmen, die NO2 in höherer Konzentration enthalten und insbesondere bei der Verwendung von reinem NO2. NO2 liegt im Gleichgewicht mit seiner dimeren Form N2O4. Dieses Gleichgewicht ist sowohl temperatur- als auch druckabhängig und wird zusätzlich durch Licht und Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst (bei 27°C liegen nur 20% als NO2 vor, die restlichen 80% als Dimer). Das Gemisch ist zudem sehr feuchtigkeitsempfindlich und kann u. a. mit Luftfeuchtigkeit zu Salpetersäure (HNO3) und Sapetriger Säure (HNO2) reagieren, die ihrerseits hochkorrosiv sind.

Für Untersuchungen von Verbrennungsprozessen mit NO2-Emission, die Überprüfung bzw. Neuentwicklung von Katalysatoren oder auch zur Evaluierung von NO2-Analysatoren muss ein genau bekannter Durchfluss von Gasgemischen mit NO2 realisiert werden. Dies gilt aber nicht nur im Katalysebereich sondern auch, wenn es um die Wirkung von NO2 auf den Organismus und die Umwelt geht, denn NO2 ist auf Grund seiner Reaktivität hoch giftig.

Bei uns am Institut für Prävention und Arbeitsmedizin der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Institut der Ruhr-Universität-Bochum (IPA), beschäftigen wir uns mit aktuellen Themen zur Arbeitsmedizin, aber auch Toxikologie und Epidemologie. Eines unserer aktuellen Projekte ist die Entwicklung eines Referenzsystems für Ringversuche mit NO2-Analysegeräten.

In einem unserer Projekte sollte eine Anlage bestehend aus einer Gasflasche, Nadelventil, Rückspüleinheit, Transferleitungen und Massenflussregler konstruiert werden, die Stickstoffdioxid (NO2) im Bereich bis 6 g/h gegen Raumdruck dosieren kann.

Logo IPA

Die Herausforderung: NO2 korrekt messen und regeln

Gängige Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler arbeiten mit thermischen Messprinzipien. Thermische Sensoren arbeiten auf dem Prinzip des Wärmetransportes im Sensorelement. Diese Methode ist gasartabhängig, da der Wärmetransport unmittelbar mit der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des zu dosierenden Gases abhängt. Da beim Stickstoffdioxid ein temperatur- und druckabhängiges Gleichgewicht zum Distickstoffteraoxid besteht, können sich die Parameter im Sensorelement ständig ändern. Eine Berücksichtigung des Gleichgewichts unter Zuhilfenahme eines einzigen Konversionsfaktors zu einem Referenzgas reicht insbesondere bei NO2/N2O4-Mischungen nicht aus. Durch gravimetrische Versuche haben wir festgestellt, dass bei einer Dosierung mit thermischen Massendurchflussreglern von reinem NO2 massive Unterdosierungen auftreten können (ca. 10 % vom Sollwert).

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass ein thermischer Massenflussregler im geschlossenen Zustand, entsprechend einer Flussrate von 0 ml/min., Pseudosignale produzieren kann, die bis zu 10 % des maximalen Dosierbereichs betragen. Der Grund hierfür liegt darin, dass sich am Sensorelement eine Mischung aus NO2 und N2O4 befindet, die durch die aktive Beheizung des Sensorelements ständig beeinflusst wird. Somit wird ein Wärmetransport im Gerät vorgetäuscht und es wird ein Durchfluss angezeigt.

Die Lösung: Verwendung eines Coriolis-Massenflussreglers

Abhilfe schafft ein Coriolis-Massenflussregler, der aufgrund seines vom thermischen Massenflussregler abweichenden Sensorprinzips gasartunabhängig arbeitet. Es spielt hierbei keine Rolle, wie stark das Gleichgewicht von NO2 und N2O4 auf der einen oder anderen Seite liegt, da das Coriolis-Prinzip eine reine Massenmessung ist. Beim Gebrauch eines Coriolis-Massenflussreglers ist aber darauf zu achten, dass sich das zu dosierende Medium in einem definierten Aggregatzustand befindet, d.h. entweder im komplett flüssigen oder gasförmigen Zustand. Der Siedepunkt von NO2 liegt unter atmosphärischen Bedingungen bei 21 °C, also bietet es sich hier an, das komplette Dosiersystem, bestehend aus Gasflasche, Nadelventil, Rückspüleinheit, Transferleitungen und Massenflussregler zu beheizen. Da beim Dosieren von NO2 am Ort der Druckentlastung im Inneren des Massenflussreglers Verdunstungskälte auftritt, muss die Temperatur dort deutlich höher als 21 °C eingestellt werden. Erst bei einer Temperatur von mindestens 45 °C ist sichergestellt, dass die Dosierung im Bereich zwischen 0 und 6 g/h ohne Fluktuationen durch auskondensierendes und wieder verdampfendes NO2 funktioniert. In diesem Aufbau heben wir einen mini CORI-FLOW ML120V21 (Link auf Produktseite) von Bronkhorst verwendet, das ist der Coriolis-Massendurchflussregler mit dem kleinsten Regelbereich weltweit. Hiermit ist es möglich, selbst kleinste Mengen NO2 genau zu dosieren.

Überprüfung der NO2-Dosierung:

Die Überprüfung der dosierten NO2-Menge wurde mit Hilfe von gravimetrischen Messungen vorgenommen. Dazu wurde NO2 über eine beheizte Transferlinie zu einem U-Rohr aus Glas mit Absperrhähnen geleitet und dort bei -50 °C ausgefroren. Anschließend wurden die Absperrhähne verschlossen, das Kondensat auf Raumtemperatur aufgetaut und gewogen. Insgesamt wurden fünf verschiedene Massenflüsse getestet. Die Abbildung zeigt das Ergebnis der Überprüfung und bestätigt die sehr geringen Abweichungen zwischen gewünschten und tatsächlichen Dosiermengen. Zusätzlich ist ersichtlich, dass der Massenflussregler im getesteten Bereich zwischen 0,1 und 4,0 g/h linear arbeitet (Einzelpunkte: 0,1; 1,0; 2,5 und 4,0 g/h mit eingezeichneten Fehlerbalken).

Bildbeschreibung

Damit ist bewiesen, dass eine genaue Regelung für geringe Mengen NO2 selbst bei niedrigen Vordrücken realisiert werden kann. Das System bietet Forschern und Entwicklern die Möglichkeit, eine hochgenaue NO2-Dosierung zu realisieren und so Ihre Arbeit effizienter zu gestalten.

Erfahren Sie mehr über den Coriolis-Massendurchflussregler ML120!

In unserem vorherigen Blog berichtet Chris King über den Einsatz von Massendurchflussreglern für die Dosierung von Ammoniak in der SCR-Katalyse. Lesen Sie hier weiter!