Ron Tietge
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Was haben Mikroreaktoren, Katalyseforschung und Dosierung von Odorierungsmitteln gemeinsam? Sie alle benötigen niedrige Durchflüsse. Bei der Durchflusskontrolle & -messung unterscheiden wir zwischen „niedrigen Durchflüssen“ und „hohen Durchflüssen“. Aber was heißt das genau? Bronkhorst High-Tech ist für seine Durchflussmesser und Durchflussregler für „niedrige Durchflüsse“ bekannt. In diesem Zusammenhang soll erläutert werden, was wir bei Bronkhorst unter „niedrigem Durchfluss“ verstehen.

Daher haben wir eine Blogreihe erstellt, in der wir Tipps zur Einrichtung eines Systems für niedrige Durchflüsse geben. Außer einer Definition des Begriffs „niedriger Durchfluss“ und Tipps zur Auswahl des richtigen Durchflussmessers finden Sie in dieser Blogreihe Empfehlungen zu Systemanordnung, Verbindungsmaterialien und Flüssigkeitszufuhrsystemen. Da Durchflusssysteme und Prozessbedingungen in den unterschiedlichen Anwendungen in der Regel nicht identisch sind, gibt es keine allgemein gültige Lösung. Vernünftige Tipps erfordern Einblicke und allgemeine Kenntnisse im Hinblick auf das spezifische System des Anwenders.

Was sind (extrem) niedrige Durchflüsse?

Die Definition von „niedrig“ ist ungenau und branchenabhängig. In der industriellen Produktion gelten Durchflüsse weit unter 500 kg/h als niedrig, aber in der Forschung wird der Begriff auf Durchflüsse angewendet, die unter 100 g/h liegen. In den aktuellen Blogs konzentrieren wir uns auf die Handhabung – d.h. Messung sowie Regelung – von Durchflussmengen bis zu 100 g/h. Ferner werden auch extrem niedrige Durchflüsse berücksichtigt, die im Bereich < 5 g/h liegen.

Das lässt sich am besten anhand eines Wassertropfens veranschaulichen. Wenn ein Wassertropfen einen durchschnittlichen Durchmesser von einem halben Zentimeter hat, entsprechen 100 Gramm pro Stunde etwa 2.000 Wassertropfen pro Stunde, was in der Tat sehr niedrig ist. Und 100 Wassertropfen entsprechen 5 Gramm innerhalb einer Stunde.

Exakte Instrumente zur Messung und Regelung niedriger Durchflüsse haben ihre Nützlichkeit für viele verschiedene Anwendungszwecke bewiesen. hier sind ein paar Beispiele:

  • Die Zuführung von etwa 100 g/h Bohröl als Schmiermittel wird während des Bohrens von Löchern bei der Herstellung von Flugzeugrumpfteilen überwacht. Erfahren Sie mehr in unserem Applikationsbericht.

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  • Ein extrem geringer Durchfluss von 2 g/h Ethanol wird verdampft, um einen stabilen Durchfluss von Ethanol als Kohlenstoffquelle in der Forschung & Entwicklung im Bereich der Herstellung von hochwertigem Graphen zu erzeugen. Hier können Sie weiter lesen!.
  • Viele wirtschaftlich relevante katalytische Prozesse laufen bei hohen Drücken und hohen Temperaturen ab. Für die Katalyseforschung müssen (sehr) geringe durchflüsse verschiedener Kohlenwasserstoffe stabil und pulsationsfrei dosiert werden. Hier geht es zum Appplikationsbericht!
  • Labs-on-Chips und andere mikrofluidische Systeme, die in Pharmazeutik und Biotechnologie eingesetzt werden, werden, reduzieren den Einsatz von Chemikalien und die Versuchszeiten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erheblich. Erfahren Sie mehr!.
  • Der typische Geruch von Erd- oder Biogas entsteht durch einen „Warnstoff“, der dem Gas nachträglich durch Injektion einer geringen, aber beständigen Flüssigkeitsmenge hinzugefügt wird. Das ist der Grund, warum mir sagen können, es stinkt nach Gas.

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Massendurchfluss und Volumendurchfluss

Im vorherigen Absatz wurde der Durchfluss in Masseeinheiten wie g/h oder mg/s dargestellt. Aber viele Benutzer denken und arbeiten aber mit Volumeneinheiten, insbesondere bei Gasen ist das viel leichter für unsere Vorstellungskraft. Das ist kein Problem, solange wir über dieselben Referenzbedingungen sprechen. Ist das nicht der Fall, so vergleichen wir quasie Äpfel mit Birnen. In unserem Blog „Referenzbedingungen in der Durchflussmessung - warum eigentlich?“ erfahren Sie mehr über Referenzbedingungen.

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Was ist typisch für niedrige Durchflüsse?

Wie unterscheidet sich ein geringer Durchfluss von unter 100 g/h von einem „normalen“ oder hohen Durchfluss? Anwendungen für (extrem) geringe Durchflüsse zeichnen sich durch bestimmte Phänomene aus, die im Zusammenhang mit größeren Durchflüssen nicht auftreten oder irrelevant sind. Aufgrund der (äußerst) geringen Flüssigkeitsmenge, die bewegt wird, sind (extrem) geringe Durchflüsse so empfindlich, dass schon minimale Störungen des Prozesses oder der Umgebungsbedingungen erhebliche Auswirkungen auf die Durchflussstabilität haben können. Entscheidend sind also der Einfluss der äußeren Bedingungen und die Mittel, mit denen diese äußeren Bedingungen gesteuert werden können. Zum Beispiel haben bereits kleine Lecks, bei denen Flüssigkeiten oder Gase in den Prozess gelangen oder aus dem Prozess austreten, erheblichen Einfluss auf den gewünschten Durchfluss. Ferner ist zu berücksichtigen, dass Behinderungen durch feste Partikel oder Verunreinigungen der kleinen Durchflussleitungen den Durchfluss ungewollt stören. Insbesondere bei der Dosierung geringer Durchflüsse führen instabile Druckwerte zu instabilen Durchflüssen. Abweichungen beim Vordruck, Pulsation aufgrund zu großer Pumpenhubvolumen im Vergleich zur Durchflussmenge und Auflösung von Gasen (Druckluft) beim Unterdrucksetzen der zu dosierenden Flüssigkeit führen zu instabilen Durchflüssen.

Kenntnisse der Anwendung sowie der physische Transport im Rahmen des Prozesses sind für komplexe Vorgänge wie die Handhabung geringer Durchflüsse entscheidend. Die Optimierung der Durchflussstabilität und die Leistung von Flüssigkeitssystemen erfordern umfassende Kenntnisse der Eigenschaften von Flüssigkeiten und Systemkomponenten unter vielen verschiedenen Bedingungen. Jede Komponente, die in einem Flüssigkeitssystem zum Einsatz kommt, kann das Verhalten einer Flüssigkeit beeinflussen oder mit anderen Komponenten interagieren, insbesondere bei niedrigen Durchflüssen.

Lösungen für eine optimale Leistung

Das Sortiment von Bronkhorst bietet mit den auf thermischen Messprinzipien basierenden μ-FLOW und LIQUI-FLOW Massendurchflussmessern und -reglern sowie den Coriolis-basierten Mini CORI-FLOW ML120 und Mini CORI-FLOW M12 Geräten Lösungen, die insbesondere für Anwendungen mit (extrem) geringen Durchflüssen geeignet sind. Ein Massendurchflussmesser beinhaltet einen Sensor, der nur die Durchflussmenge des Mediums misst, während ein Massendurchflussregler zusätzlich zu diesem Sensor ein Regelventil enthält, um die Durchflussmenge des Mediums zu regeln. Hier erfahren Sie mehr zur „Massendurchflussreglertheorie“.

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Durchflussregler werden üblicherweise eingesetzt, um einen stabilen Durchfluss zu garantieren. Allerdings ist für eine optimale Leistung wesentlich mehr als nur ein ausgezeichneter Durchflussregler nötig. Unter anderem müssen Sie sich davon überzeugen, dass das System keine Lecks aufweist, und Leitungen verwenden, die für kleine Durchflussmengen geeignet sind. Ferner dürfen Sie in Druckluftbehältern kein Gas verwenden, das sich in Flüssigkeit auflöst, oder versuchen, das Gas zu entfernen. Im nächsten Teil der Blogreihe befassen wir uns genauer mit diesen und anderen Themen und geben praktische Tipps zur Auswahl des richtigen Geräts für geringe Durchflüsse.

Stay tuned!

Handhabung von niedrigen Durchflüssen - Eine Blogreihe in fünf Teilen Teil 2 - Tipps zur Auswahl des richtigen Durchflussmessers

Lynn Woerts
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Das neue Jahr ist mittlerweile schon ein paar Tage alt, und so langsam kristallisieren sich die Pläne und Ziele für dieses Jahr heraus. Bei dieser Gelegenheit wollen wir einen kurzen Rückblick auf das vergangene Jahr werfen. Welche Ziele haben wir zum Beispiel erreicht? Was war Ihrer Meinung nach der beste, hilfreichste, spannendste oder interessanteste Blog? Wir können Ihnen jetzt schon mitteilen, dass wir in diesem Jahr noch mehr Wissen über alles teilen wollen, was mit niedrigen Durchflüssen, Massendurchflüssen und Durchflussmessern zu tun hat. Die Statistiken für 2019 haben uns einen guten Überblick verschafft, sodass wir die fünf meistgelesenen Blogs ermitteln konnten. Dabei handelt es sich um die folgenden Blogs:

  1. Wie man Vibrationen bei der Nutzung von Coriolis-Massendurchflussmessern beherrschen kann
  2. Referenzbedingungen in der Durchflussmessung – warum eigentlich?
  3. Der neue EL-FLOW Prestige PI: Echtzeit-Druck- und Temperaturkompensation für optimale Durchflussregelung
  4. Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Durchflusstechnik - Was ist das eigentlich?
  5. Regelventile – die am häufigsten verwendeten Stellorgane in der Durchflussregelung

Die fünf meistgelesenen Blogs des letzten Jahres

1. Wie man Vibrationen bei der Nutzung von Coriolis-Massendurchflussmessern beherrschen kann

Coriolis-Massendurchflussmesser sind für ihre Genauigkeit bekannt und bieten sehr viele Vorteile; daher steht dieser Blog nicht umsonst an erster Stelle. In der Industrie treten Vibrationen regelmäßig in verschiedenen Stärken auf. Die Frage lautet nun, ob diese Vibrationen auch die Messgenauigkeit eines Coriolis-Massendurchflussmessers beeinflussen. Ferdinand Luimes, Produktmanager bei Liquid Flow Technologies, berichtet über die Vor- und Nachteile dieser Durchflussmesser und gibt Tipps für den Umgang mit diesen Instrumenten.

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2. Referenzbedingungen in der Durchflussmessung – warum eigentlich?

Beim Messen von Durchflüssen werden Referenzbedingungen verwendet, die wiederum in Norm- und Standardbedingungen unterteilt werden können. Ferner wird zwischen europäischen und amerikanischen Bedingungen unterschieden. Das erscheint überaus kompliziert, aber Chris King, Geschäftsführer von Bronkhorst USA, erläutert in diesem Blog sehr genau, welche Unterschiede es gibt und warum diese Referenzbedingungen wichtig sind.

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3. Der neue EL-FLOW Prestige PI: Echtzeit-Druck- und Temperaturkompensation für optimale Durchflussregelung

2018 belegte dieser Blog noch den Spitzenplatz; der Umstand, dass er immer noch zu den fünf meistgelesenen Einträgen zählt, weist darauf hin, wie aktuell dieses Thema immer noch ist. Es gibt durchaus verschiedene Faktoren, die die Messgenauigkeit und Regelstabilität eines Durchflussreglers beeinflussen können. Vincent Hengeveld, Produktmanager bei Gasflow, erklärt die theoretischen Grundlagen von Druck- und Temperaturausgleich in Echtzeit.

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4. Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Durchflusstechnik

Die Wahl des richtigen Durchflussmessers ist sehr wichtig für den Erfolg der Anwendung. Im Wesentlichen zeichnen Durchflussmesser sich durch zwei wichtige Eigenschaften aus: Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Chris King erklärt in diesem spannenden Blog, was diese beiden Parameter bedeuten und warum sie von entscheidender Bedeutung sind.

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5. Regelventile – die am häufigsten verwendeten Stellorgane in der Durchflussregelung

Letzter Eintrag in der Liste ist ein Blog über das Regelventil, das vielleicht das am häufigsten verwendete Teil eines Durchflussmessers ist. Durch die Variation der Durchgangsgröße im Regelventil kann der Durchfluss geregelt werden. Wissen Sie, welches Ventil am besten zu Ihrem Durchflussmesser passt? Stefan von Kann, leitender Ingenieur für angewandte Physik, erklärt, worauf Sie in erster Linie achten sollten.

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Gastblogger 2019

Besonderer Dank gebührt unseren Gastbloggern für ihre interessanten Forschungsbeiträge und Geschichten. Wir sind stolz darauf, dass Sie 2019 einen Beitrag zu unserer Website leisten wollten!

  • Roland Snijder, Medizinphysiker im Haaglanden Medisch Centrum (NL), ist als Forscher im Multi-Infusionsprojekt an der Abteilung für Medizintechnik und klinische Physik des University Medical Center Utrecht (UMC Utrecht) beteiligt. In seinem Gastblog befasst er sich mit den physikalischen Ursachen von Dosierfehlern in Multi-Infusionsanlagen.

  • Jean-François Lamonier (Universität Lille) ist ein Experte im Bereich der Katalysatoren für die Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC) aus Abgasen. Lesen Sie den Blog, um zu erfahren, wie Durchflussmesser in diesem Bereich eingesetzt werden.

  • Jornt Spit, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe Radius an der Thomas More University of Applied Sciences in Belgien, befasst sich vor allem mit Biochemie und Biotechnologie und arbeitet an der Entwicklung einer erneuerbaren Biomasse. Lesen Sie seinen Blog über kontrollierte CO2-Zufuhr in der Algenzucht und CO2 als wertvolle alternative Kohlenstoffquelle.

  • Professorin Michaela Aufderheide (Cultex Technology GmbH) arbeitet seit mehr als 30 Jahren im Bereich der zell-basierten Alternativmethoden mit Forschungsschwerpunkt Inhalationstoxikologie. Die zunehmende Luftverschmutzung der Umwelt und des Arbeitsplatzes verlangen nach neuen Prüfmethoden. Lesen Sie Ihren Blog: „Die E-Zigarette - Fluch oder Segen?

Lust auf mehr inspirierende Blogs? [Alle Blogs](Alle Blogs s) sind auch auf unserer Website zu finden

Im Namen des gesamten Bronkhorst-Teams wünsche ich Ihnen ein gesundes, gutes und innovationsreiches 2020!

**PS: Gibt es Themen, zu denen Sie 2020 einen Blog lesen möchten?

Vincent Hengeveld
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Stabile und reproduzierbare Durchflüsse sind die Basis eines erfolgreichen Produktionsprozesses. Dieser Gasdurchfluss ist messbar und kontrollierbar mittels eines thermischen Massendurchflussreglers. Als Produktmanager bei Bronkhorst High-Tech sehe ich immer wieder, wie unterschiedliche äußere Faktoren die Messgenauigkeit und die Stabilität der Regelung durch die Massendurchflussregler beeinflussen können (MFCs).

wichtige Einflussgrößen sind:

  • Temperaturschwankungen
  • Schwankungen im Leitungsdruck

Diese Schwankungen können entstehen aufgrund eines stetig sinkenden Druckes in einer Gasversorgung (Druckgasflasche) oder aufgrund gegenseitiger Beeinflussung mehrerer Durchflussregler oder anderer Stellglieder in einem System. Um diese Einflüsse zu kompensieren hat Bronkhorst den neuen EL-FLOW Prestige PI (PI = Pressure Insensitive) entwickelt.

Cross-Talk bei Massendurchflussreglern

Was ist Cross-Talk? Unter Crosstalk versteht man die gegenseitige Beeinflussung (Interferenz) von Instrumenten. Solche Interferenzen entstehen typischerweise, wenn z.B. mehrere Durchflussregler nahe beieinander in derselben Leitung positioniert oder auf derselben Schiene installiert sind. Der Leitungsdruck in so einem Set-up wird von den verschiedenen Komponenten wie Durchflussmessern und Durchflussreglern beeinflusst. Wird der Sollwert eines Massendurchflussreglers geändert, so ändert sich auch der Fließdruck, weil nun entweder mehr oder weniger Gas fließt. Da Durchflussmesser und – regler auf einen bestimmten Druck kalibriert sind, weicht der reale Durchfluss vom angezeigten ein wenig ab. Je nachdem, wie groß die Druckschwankung ausfällt, können auch die Abweichungen beliebig groß ausfallen.

Statische und dynamische Druckkompensation

Unter Statischer Druckkompensation verstehen wir eine Kompensationsmethode für langsame Änderungen im Druck, z.B. dem langsam abfallenden Druck einer Druckgasflasche. Wir kombinieren eine Druckmessung mit einem Konversionsalgorithmus on-board direkt im Massendurchflussregler. Das ermöglicht eine Echtzeitberechnung der tatsächlichen Fluideigenschaften. Bei der thermischen Massendurchflussmessung bzw. -regelung werden Dichte, Viskosität, Wärmeleitung und Wärmekapazität zur Kalkulation des Massenstromes genutzt. Diese Eigenschaften verändern sich unter dem Einfluss von Druck und Temperatur. Die Berücksichtigung der tatsächlichen Temperaturen und Drücke führen zu einer noch akkurateren Messung des Durchflusses und einer stabileren Regelung.

Unter Dynamischer Druckkompensation verstehen wir eine Kompensationsmethode für schnelle Änderungen im Druck. Diese Druckänderungen treten z.B. auf, wenn ein Durchflussregler mit höherem Durchfluss auf derselben Versorgungsleitung seinen Sollwert ändert. Dies erzeugt starke Fluktuationen im Fließdruck. Dieser unerwünschte Effekt, auch bekannt als Cross-Talk, kann einen Prozess immens stören. Sobald der im EL-FLOW Prestige PI integrierte Drucksensor diese schnellen Druckänderungen erkennt, wird die Ventilregelung entsprechend justiert und der Durchfluss stabililisiert.

Dynamische Druckkompensation

Bild 1: Dynamische Kompensation, unempfindlich für Druckänderungen

Stabile Durchflussregelung mit integrierter Konversion

Der neue EL-FLOW Prestige PI kombiniert die bereits etablierte Temperaturkompensation mit einer neuartigen Druckkompensation. Darüberhinaus ermöglicht der integrierte Algorithmus den gemessenen Durchfluss in ein anderes Fluid oder auf andere Prozessbedingungen umzurechnen, die in der integrierten Datenbank hinterlegt sind (Multi-Fluid Multi-Range-Funktion: mit 100 Gasen und daraus erzeugbaren Gemischen). Die tatsächlich gemessene Temperatur und der reale Druck werden in diesem Konversionsmodell genutzt, um die unter Prozessbedingungen auftretenden Schwankungen zu kompensieren. Dies führt zu einer noch verlässlicheren Konversion und Stabilität in der Regelung.

Ihre Vorteile als Anwender:

  1. Optimierte und konstante Prozessbedingungen, aufgrund der verbesserter und akkurater Durchflussmessung und -regelung resultieren in deutlichen Verbesserungen der Prozessstabilität.

  2. Enfache Installation: es ist nicht mehr erforderlich, die genauen Prozessanforderungen, für die das Instrument gebaut wurde, exakt einzuhalten. Eine genaue Abstimmung des Prozessaufbaus entfällt damit.

  3. Verzicht auf Hilfskomponenten: Der zur Verfügung stehende Leitungsdruck ist für die Genauigkeit und Regelungsstabilität des Instruments weniger wichtig. Es kann auf zusätzliche Regelkomponenten verzichtet werden, die bisher z.B. die Druckstabilität gewährleistet haben. Dadurch lassen sich Kosten wie z.B. für einen Druckregler einsparen.

Setup druckkompensation

Bild 2: Herkömmliches Setup mit Druckregler und Durchflussregler, sowie der neue EL-FLOW Prestige PI. Der Prestige PI ist in der Lage, Druckschwankungen auszugleichen und sorgt so für einen konstanten Durchfluss.

EL-FLOW Prestige PI

Dieser Blog ist entstanden in Kooperation mit Zeton, NL.

Rob ten Haaft
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Es mag Sie überraschen, aber schon seit dem Mittelalter interessieren sich die Menschen für den Geruch des Atems. Damals muss es eine ziemliche Herausforderung gewesen sein, aber schon im Mittelalter wurden Krankheiten wie Diabetes (verbunden mit einem süßen Acetongeruch) und Leberversagen (verbunden mit einem fischähnlichen Geruch) den Geruch der ausgeatmeten Luft diagnostiziert. Ich werde nicht auf die Behandlungsmöglichkeiten in diesem Zeitalter eingehen; sagen wir einfach, dass sich seitdem vieles verbessert hat. Beispielsweise verwenden wir heute Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) zur Messung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), die die Nase des Arztes ersetzten.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts zeigten Forschungsstudien, dass Hunde in der Lage sind, Krebs durch Geruch zu erkennen. Die Hunde sind darauf trainiert, verschiedene Arten von Krebs im ausgeatmeten Atem der menschlichen Patienten zu erkennen. Vergleich: Der Geruch von einem Milliliter Blut, verdünnt in 20 olympischen Schwimmbädern, kann vom Hund noch erkannt werden. Es wurde der Schluss gezogen, dass Hunde wahrscheinlich zwischen Atemproben unterscheiden, die auf einem bestimmten Atemgeruch beruhen, aber es ist noch nicht bekannt, welchen Geruch oder welche Mischung von Verbindungen Hunde erkennen. Die Erkennung von Krebs durch trainierte Hunde scheint das Ei des Columbus zu sein, aber es erfordert viel Training der Hunde und es ist noch nicht bekannt, warum nicht alle Fälle von Krebs erkannt werden.

Flüchtige organische Verbindungen (VOC)

Aus diesem Grund haben die Forscher begonnen, Analysatoren zu entwickeln, die diese Aufgabe übernehmen können. In den letzten Jahren wurde entdeckt, dass flüchtige organische Verbindungen (sogenannte Volatile Organic Compounds, VOC) bei der Diagnose von Krankheiten des Menschen unverwechselbare Biomarker sein können. Flüchtigkeit ist die Tendenz einer Substanz zu verdampfen, daher sind flüchtige organische Verbindungen organische Verbindungen, die bei Raumtemperatur leicht verdampfen oder sublimieren.

Der ausgeatmete menschliche Atem enthält einige tausend flüchtige organische Verbindungen und die Zusammensetzung der enthaltenen VOCs wird in der Atembiopsie verwendet, um als Biomarker für Krankheiten wie Lungenkrebs oder Lactoseintoleranz zu dienen.

Ein immer beliebteres Analyseverfahren zur Messung von VOCs ist die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS). Diese Technik ist ideal für die Analyse in medizinischen Anwendungen, weil sie schnell, feuchtigkeitsunempfindlich und hochempfindlich ist und bei Umgebungsdruck arbeitet. Dadurch eignet sich die Technik sehr gut für den Einsatz in tragbaren Geräten oder mobilen Untersuchungszentren.

Die Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS)

Das Funktionsprinzip des Ionenmobilitätsspektrometers basiert auf der Drift oder Flugzeit von Ionen, die im Reaktantenteil gebildet werden. Die Ionen wandern, unterstützt durch ein elektrisches Feld, durch das Driftrohr, wo sie auf ein Driftgas (N2 oder Luft) treffen. Die Form und die Ladungszahl des Ions erleichtern oder erschweren das Durchströmen des Driftgases, was zu einer Trennung der Ionen in der Probe führt und nach dem Nachweis ein IMS-Spektrum ergibt, wie in Abbildung 1 dargestellt.

IMS-Aufbau

Bild 1: Ionenmobilitätsspektrometer mit Spektrum

Massendurchflussregler

Bronkhorst hat das Wissen und die Erfahrung, um die richtigen Produkte zu liefern. Unsere Produkte entsprechen den Spezifikationen, die für die Kontrolle der Gase in der Ionenmobilitätsspektrometrie wichtig sind, wie zum Beispiel: Sauberkeit, Kleine Instrumentengröße, schnelle Reaktion, gute Zuverlässigkeit, geringe Leistungsaufnahme und niedrige Betriebskosten. Unsere auf MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) basierenden Geräte, wie die thermischen Durchflussmesser IQ+FLOW, eignen sich hervorragend für die Ionenmobilitätsspektrometrie.

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Bild 2: IQ+FLOW Thermischer Durchflussmesser

Interessiert an der MEMS-Technologie für Gaschromatographiegeräte? Lesen Sie unseren Blog über MEMS-Technologie in der Gaschromatographie.

Wenn Sie mehr über Massenspektrometrie (MS) und wie Massendurchflussregler und Verdampfung für Elektrospray-Ionenquellen verwendet werden, schauen Sie in unseren [Blog über Massenspektrometrie und Massendurchfluss]( https://www.bronkhorst-nord.de/blog-de/post/massenspektrometrie-und-massendurchflussregelung-eine-nahere-betrachtung).

auch interessant: IQ+ Gasdurchflussmesser und Druckregler für eine Gaschromatographie-Anwendung

Sie möchten mehr wissen? Kontaktieren Sie uns!

Chris King
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Auf den ersten Blick ist es absolut sinnvoll, einen Massendurchfluss auch in einer Masseneinheit anzugegeben, z.B. in Gramm/ Stunde oder Milligramm/Minute etc. Allerdings sind die meisten Anwender gewohnt, in Volumina zu denken.

Nehmen wir mal ein Beispiel:

Wir stellen uns vor, wir haben einen Zylinder mit einem Volumen von einem Liter, der mit einem beweglichen Kolben von vernachlässigbarem Gewicht verschlossen ist. Dieser Zylinder enthält Luft bei Umgebungsdruck, also etwa 1 bar(a). Das Gewicht dieser Volumens Luft bei 0°C ist 1,293 g. Dies ist also die Masse der Luft.

Wenn wir nun den Kolben abwärts bis zur Hälfte der Zylinderhöhe bewegen, ist das Volumen nur noch ½ Liter, der Druck in diesem Volumen hat sich auf 2 bar(a) verdoppelt. Die Masse allerdings ist immer noch 1,293 g, denn es ist weder Masse entfernt worden noch ist welche dazu gekommen. Wenn wir uns nun dieses Beispiel anschauen, ist auch verständlich, warum Massendurchfluss eigentlich auch in einer Masseneinheit dargestellt werden sollte. Allerdings können wir uns z.B. 14 g Stickstoff nur schwer vorstellen und zu anderen Massen in Beziehung setzen. Wenn ich 14 g Stickstoff in einen roten Ballon fülle und 1 g Wasserstoff in einen völlig identischen blauen Ballon fülle und sie nebeneinander halte, sind dann beide Ballons gleich groß? Hier muss wohl jeder von uns erst mal kurz überlegen.

Es ist aber kein Problem, eine Masse auf ein Volumen umzurechnen, allerdings muss man die Rahmenbedingungen (Druck, Temperatur) dabei festlegen. Zur Umrechnung eines Massenflusses in einen Volumenfluss (bzw. eine Masse in ein Volumen) wird die Dichte des Mediums benötigt. Es müssen also definierte Bedingungen (Druck und Temperatur) gewählt werden, um eine Masse mittels der Dichte auf ein Volumen umzurechnen. Damit ergibt sich dann ein bestimmtes Volumen. Ändert sich die Randbedingung, ändert sich auch das Ergebnis.

Zum Verglich haben wir hier einige typische Referenzbedingungen

Dichtetabelle Luft

Die in der Tabelle genannten Bedingungen sind international anerkannte Referenzbedingungen. Man muss hier zwischen Norm- und Standardbedingungen nach europäischer oder US-amerikanischer Nomenklatur unterscheiden.

Referenz: Norm-Bedingungnen, Europa:

Nach der „europäischen“ Definition ist das Normalvolumen (oder Normvolumen) auf eine Temperatur von 0°C und einen Druck von 1013 mbar(a) (entspr. 1 atm) bezogen. Es wird mit einem tiefgestellten n gekennzeichnet: z.B. mln/min oder n/h Die direkte thermische Massendurchflussmethode basiert bei Bronkhorst immer auf diesen Referenzkonditionen, sofern der Kunde keine andere Normierung benötigt.

Beispielrechnung zur Umrechnung auf Norm-Bedingungen:

Der Massendurchfluss beträgt 100 g/h Luft

  • Dichte Luft (@ 0°C) = 1.293 kg/m3
  • X ln/m Luft = 100 g/h / (60 Minuten x 1.293 kg/m3)
  • Flow = 1.29 ln/min Luft

Referenz: Standard-Bedingungnen, Europa:

Nach der „europäischen“ Definition ist das Standardvolumen auf eine Temperatur von 20°C und einen Druck von 1013 mbar(a) (entspr. 1 atm) bezogen. Es wird mit einem tiefgestellten s gekennzeichnet: z.B. mls/min oder m³s/h.

Beispielrechnung zur Umrechnung auf Standard-Bedingungen:

Der Massendurchfluss beträgt 100 g/h Luft

  • Dichte Luft (@ 20°C) = 1.205 kg/m3
  • X ls/m Luft = 100 g/h / (60 Minuten x 1.205 kg/m3)
  • Flow = 1.38 ls/min Luft

Referenz: Standard-Bedingungnen, USA:

In der US-amerikanischen Referenzierung wird ebenfalls auf die dort definierten Standard-Bedingungen umgerechnet, die lauten 101,325 kPa (14,6959 psia = 1013 mbar(a) = 1 atm) und 0°C (32°F). Das Präfix ist ebenfalls s, allerdings nicht tief gestellt, sondern vorgestellt vor das jeweilige Volumen: z.B. sccm (standard cubic centimeters per minute), slm (standard liter per minute), scfh (standard cubic foot per hour). Dies entspricht wiederum den europäischen Norm-Bedingungen.

Hier muss der Anwender unbedingt beachten, auf welches System sich der Durchfluss bezieht.

Warum?

Die amerikanische und die europäische Definitionen der Standard-Bedingungen sind nicht identisch!!

Durch die Unterschiede der Bezugsgrößen ergibt sich eine Differenz von etwa 7 %!!

häufig verwendete Einheiten

Lesen Sie mehr über die theoretischen Grundlagen von Massendurchflussmessungen

Stefan von Kann
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Ein Regelventil dient dazu, einen Durchfluss durch Änderung des Durchmessers einer Öffnung (Düse) zu regulieren, indem ein Stellsignal – z.B. durch einen integrierten PID-Controller in einem Durchflussmesser- angelegt wird. Das Regelventil ist das bei weitem am häufigsten verwendete Zubehör in der Durchflussregelung.

Regelventile können als integraler Teil von Massendurchflussreglern und Druckreglern oder als separates Bauteil in Kombination mit einem Durchfluss- oder Druckmessgerät geliefert werden. Zusammen mit einer Rückkopplungsschleife vom Massendurchflussregler oder Druckregler steuert das Ventil die Durchflussmenge, die durchläuft, um auf einen vorgegebenen Durchfluss- oder Drucksollwert zu gelangen.

Je nach Anwendung ist meistens sofort klar, ob Ihr Massendurchflussregler eine Absperrventil mit Auf/Zu-Funktion oder ein Regelventil benötigt oder ob ein normal geöffnetes oder normal geschlossenes Ventil benötigt wird. Innerhalb der Gruppe der Regelventile gibt es eine Reihe von verschiedenen Ventilen, die jeweils ihre eigenen Parameterbereiche, Vor- und Nachteile haben.

In unserem aktuellen Blog möchte ich einige Ventile vorstellen, die für hohe absolute Drücke oder Differenzdrücke geeignet sind und solche, die für große Durchflüsse bei sehr kleinen Differenzdrücken zum Einsatz kommen.

Das Direktregelventil

Dieses Ventil besteht aus einer Düse, das den Durchfluss reguliert und einer Dichtfläche, die die Größe der Düsenöffnung reguliert. Damit ergibt sich eine direkte Regelung des Durchflusses, der je nach Öffnungsgrad den Durchfluss durch das Ventil begrenzt. Ein Direktregelventil ist relativ schnell, kostengünstig und benötigt wenig Energie, um einen Durchfluss zu regeln. Der Nachteil ist allerdings, dass solche Ventile nur für begrenzte Druck- und Durchflussbereiche geeignet ist.

  • Vorteil: ein solches Ventil reagiert schnell, ist kostengünstig und benötigt nur wenig energie, um den durchfluss zu kontrollieren.
  • Der Nachteil ist, dass es Limitierungen im druckbereich und im durchflussbereich geben kann.

Nehmen wir mal ein elektromagnetisches Ventil als Beispiel:

Bei einem Ventil wird die zum Öffnen des Ventils benötigte Kraft (F) durch den Düsendurchmesser (d) und die Druckdifferenz (Δp) über das Ventil bestimmt (*F ~ Δp ¼ d2**). Wenn entweder die Druckdifferenz oder der Öffnungsdurchmesser höher wird, öffnet sich das Direktsteuerventil aufgrund dieser Kraft nicht ausreichend. Das sind z.B. > 15 N für einen 200 bar Differenzdruck über eine 1 mm Öffnung, die Kraft so groß, dass das Ventil zugedrückt wird.

Ein elektromagnetisches Ventil bringt etwa 5 N auf den Ventilstempel. Es ist natürlich eine Möglichkeit, eine stärkere Spule zu verwenden, damit mehr Kraft aufgebracht werden kann, allerdings wird dann auch mehr Energie benötigt. Massendurchflussregler haben häufig nur sehr begrenzte Spannungsversorgung, hinzu kommt außerdem, dass sich die Spule damit auch viel stärker erwärmt und dies kann die Messung und damit das Regelverhalten beeinflussen. Daraus resultiert ein begrenzter Durchflussbereich, der proportional zum Druck ist und quadratisch vom Düsendurchmesser abhängt.

Summa summarum sind diese Ventile auf Grund dieser Restriktionen nicht geeignet für hohe Durchflüsse, hohe Absolut- und Differenzdrücke. Das Direktregelventil ist geeignet für Durchflüsse von 1 mln/min bis etwa 50 ln/min.

Welche Alternativen gibt es?

1) Re-Design des Ventils für höhere Drücke 2) Wir benutzen ein 2-stufiges Ventil (indirektes Regelventil) 3) Wir benutzen ein druckkompensiertes Ventil, um große Durchflüsse bei kleinen Druckdifferenzen zu erreichen.

1) Direktregelventil für hohe Drücke

Die einfachste Lösung, um mit höheren Drücken fertig zu werden, ist eine Neugestaltung des direkten Regelventils. Da die Öffnungsgröße begrenzt ist, kann sie für relativ kleine Ströme (bis zu 20ln / min) verwendet werden. Um die größeren Druckunterschiede, bis zu 200 bar Differenzdruck (bar d) zu bewältigen, müssen der Ventil- und Massendurchflussreglerkörper robuster sein. Die meisten Ventile können nicht mit einem Druckstoß von 200 bar d umgehen; entweder kann das Dichtungsmaterial zerreißen, oder mechanische Teile können die plötzlichen Kraftpausen, die bei 200 bar d möglich sind, nicht bewältigen. Die Abmessungen dieses Ventils sind nur wenig größer als die eines Standardventils, das gilt auch für den gesamten Massendurchflussregler in Kompaktbauweise. Auf der anderen Seite sind sehr geringe Durchflüsse allerdings häufig begrenzt auf Grund von Leckage durch das Ventil bei hohen Druckdifferenzen.

2) Indirektes Regelventil, 2-stufiges Regelventil

Für höhere Drücke und höhere Durchflüsse bis zu 200ln/min müssen andere Ventile zum Einsatz kommen. Mit den so genannten indirekten Regelventilen (s. Bild 1) können höhere Durchflüsse und höhere Absolut- und Differenzialdrücke realisiert werden.

Bild 1: indirektes Regelventil

Ein indirektes Regelventil oder 2-stufiges Regelventil besteht aus:

einem Direktregelventil als Pilotventil (A) wie bereits oben beschrieben, das auch keine zusätzliche Stromversorgung benötigt einem zusätzlichen Ventil im Körper mit einer Druckkompensation (B), die für die Aufrechterhaltung ein konstanten Druckdifferenz (P1-P2) von nur wenigen bar über das Pilotventil (A). Damit ist es möglich, dass sich Eingangs- und Ausgangsdruck ändern, ohne dass es das Regelverhalten des Ventiles beeinflusst. Die Kraft über die Druckkompensation hält das Ventil geschlossen, nur wenn das Ventil selbst öffnet, wird die Druckkraft soweit reduziert, dass das eigentliche Regelventil öffnet und den Durchfluss regelt.

Das indirekte Regelventil besteht also aus zwei Ventilen in Serie (A+B) und sowohl der Druckabfall als auch die Düsengröße bestimmen den resultierenden Durchfluss.

Die Nachteile eines solchen Ventils sind seine Größe und seine relativ hohen Kosten. Außerdem ist eine gewisse minimale Druckdifferenz zwischen Vordruck und Nachdruck notwendig, um den druckkompensierenden Teil zu schließen. Die Düsengröße selbst ist ebenfalls limitiert, so dass zum Beispiel für einen Durchfluss von 200 ln/min ein Vordruck von > 150 bar a notwendig ist. Um diese Durchflüsse zu realisieren wird ein anderer Ventil-Typ benötigt, z.B. ein druckkompensiertes Ventil wie ein Faltenbalgventil.

3) Druckkompensierte Ventile

Es ist möglich, größere Düsenquerschnitte einzusetzen, um mit einem Direktregelventil höhere Durchflüsse zu regeln. Um dies zu erreichen muss die Druckkraft im Ventil reduziert werden. Das ist zum Beispiel mit einem druckkompensierten Faltenbalgventil passieren, bei dem die effektive Düsengröße für die Druckkraft signifikant reduziert ist (s. Bild 2). Mit dem Balgenventil können Durchflüsse von mehreren hundert Litern pro Minute mit einer minimalen Druckdifferenz geregelt werden. Allerdings ist hier der der Vordruck aufgrund der Bauart eingeschränkt und ein solches Ventil ist deutlich größer und kostenintensiver als ein normales direktgesteuertes Rregelventil.

Bild 2: druckkompensiertes Ventil

Fazit: In Abhängigkeit vom Druck und vom Durchfluss haben Sie diese Möglichkeiten:

  • Ein direktgesteuertes Hochdruckventil (bis 200 bar a und 20 ln/min), oder
  • ein indirektes druckkompensiertes Ventil (bis 700 bar a und 200 ln/min)
  • für hohe Durchflüsse bei geringem Druck ist ein druckkompensiertes Balgenventil die beste Lösung.

Bild 3: Übersicht Ventile

Erfahren Sie mehr über unsere Regelventile, die wir in unseren Durchflussreglern und Druckreglern einsetzen!