James Walton
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Der englische Wasserwerksbetreiber Anglian Water Services reinigt Wasser nach höchstem Standard, liefert es an Millionen von Haushalten und überwacht es sorgfältig. Anglian Water Services stellt damit sicher, dass das Wasser in dieser Region Großbritanniens nicht zur Mangelware wird. Der Trinkwasserversorger hat ein Projekt zur Optimierung und weiteren Kontrolle bei der Dosierung von Phosphaten (als Korrosionsinhibitor) in der öffentlichen Wasserversorgung ins Leben gerufen.

Die Funktion von Orthophosphorsäure im öffentlichen Trinkwassernetz

Betreiber von Trinkwassernetzen fügen dem Trinkwasser häufig Phosphate als Korrosionsinhibitor hinzu, um das Auslaugen von Blei und Kupfer aus Rohren und Armaturen zu verhindern. Anorganische Phosphate (z.B. Phosphorsäure, Zinkphosphat und Natriumphosphat) werden dem Wasser zugesetzt, um Orthophosphat zu bilden. Anorganische Phosphate sind in der Regel extrem schlecht löslich und bilden so eine Schutzschicht aus unlöslichem mineralischem Material auf der Innenseite von Versorgungsleitungen und Hausinstallationen. Die Beschichtung dient als Auskleidung, die verhindert, dass sich durch Korrosion entstandene Ionen im Trinkwasser auflösen. Infolgedessen bleiben die Blei- und Kupferwerte im Wasser niedrig und entsprechen den Normen zum Schutz der öffentlichen Gesundheit.

Wie lief der bisherige Prozess?

Im ursprünglichen Prozess war ein Down-Stream-Analysator vorhanden, um die Konzentration der Orthophosphorsäure im Hauptstrom zu messen. Deren Dosierung erfolgte über eine Pumpe. Die Messergebnisse wurden gegen die erforderliche Konzentration geprüft und zur Anpassung der Pumpendrehzahl und damit des Orthophosphorsäuregehalts im Hauptstrom verwendet. Mit diesem Prozess kann Anglian Water Services die Grenzwerte der Kupfer- und Bleikonzentration im Wasser einhalten, die zum Schutz der öffentlichen Gesundheit als akzeptabel gelten. Dennoch hatte der Prozess Verbesserungspotential, das ich Ihnen hier vorstellen möchte.

Original Prozess Phosphorsäuredosierung

Abb.1: Das ursprüngliche Dosiersystem

Welche Einschränkungen ergeben sich aus der bisherigen Methode?

Der reaktive Rückkopplungsmechanismus zur Dosierung von Phosphaten war keine sehr gute Methode. Wir konnten nicht schnell genug auf den sich ändernden Hauptstrom reagieren, um die Dosis proportional zu reduzieren oder zu erhöhen. Es musste sichergestellt werden, dass auf ein Niveau dosiert wurde, das den gesetzlichen Anforderungen entspricht, unter Annahme des maximalen Durchflusses. Dazu kommt, dass eine Redundanz des Analysators erforderlich war. Damit wurde sichergestellt, dass es keine Unterbrechung bei der Messung des Orthophosphorsäuregehalts gibt. Hierdurch ergaben sich natürlich auch Mehrkosten.

Zielsetzung des Projektes

  • Reduzierung des Phosphatgehaltes.
  • Reduzierung der Kosten für die Einhaltung gesetzlicher Umweltstandards für das Unternehmen.
  • Entfernung des Down-Stream-Analysators und der entsprechenden redundanten Systeme.

Um diese Ziele zu erreichen wurden zwei verschiedene Sensortechnologien evaluiert; Differenzdruck- und Coriolis-Technologie.

Das Differenzdruckmessgerät war das kostengünstigste und erlaubte es uns, den Orthophosphorsäuredurchfluss als Volumen zu messen, es benötigt einen analogen Signaleingang, um die Dosis proportional zum Hauptstrom anzupassen.
Der Coriolis-Massendurchflussmesser verwendet eine direkte Massendurchflussmessung, die für diese Anwendung dem Volumenstrom vorzuziehen ist, weil sie genauer und wiederholbarer ist. Der Nachteil ist, dass es teurer ist. Auch hier kann ein analoger Signaleingang eingesetzt werden, um die Dosis proportional zum Hauptstrom anzupassen.

Coriolis Durchflussregler mit direktgesteuerter Pumpe

Abb.2: Coriolis Durchflussregler mit direktgesteuerter Pumpe

Die Entscheidung sollte aufGrundlage des Return on Investment erfolgen, also der Zeit, die benötigt wird, um ausreichende Einsparungen zu erzielen. Beim der Vorführung des Coriolis-Massendurchflussmessers zeigte sich aber ein entscheidender Vorteil, denn das Instrument lieferte auch die die Dichte der gemessenden Flüssigkeit als Ausgangssignal.

Warum ist das wichtig?

Handelsübliche Phosphorsäure hat eine Konzentration von etwa 80%, am Einsatzort haben sich allerdings Varianzen der tatsächlichen Konzentration gezeigt..

Zu diesem Zeitpunkt wussten wir bereits, dass entweder die Differenzdruck- oder die Coriolis-Technologie dabei helfen könnte, den Prozess der Dosierung und natürlich auch der Aufzeichnung der damit verbundenen Daten zu verbessern. Jetzt hatten wir die Möglichkeit, den nächsten Schritt zu gehen und einen bisher nicht verfügbaren, aber sehr wichtigen Parameter zusätzlich zu integrieren und damit das Dosisverhältnis deutlich zu verfeinern.

Der zusätzliche Dichteparameter, der mit dem Coriolis-Massendurchflussmesser verfügbar ist, ist hier entscheidend. Die Dosierung kann nun proportional zum Hauptstrom und zur Dichte/Qualität der verwendeten Phosphorsäure gesteuert werden.

Dosiersystem mit Coriolis-Durchflussmesser

Abb.3: Das neue Dosiersystem mit Coriolis-Massendurchflussmesser

Welche Vorteilekönnen wir mit dem Einsatz von Massedurchflussmessgeräten erreichen?

Bei den ersten fünf Installationen dieser Technologie in Betrieb wollten wir Folgendes erreichen:

  1. Stabile Konzentration der Orthophosphorsäure im öffentlichen Wassersystem.
  2. Einhaltung der Verpflichtungen der Wasserwirtschaft im Bereich der öffentlichen Gesundheit.
  3. Verringerung der Zugabe von Phosphorsäure in die Umwelt um ein erhebliches Maß.
  4. Doppelte Kostensenkung: durch den Wegfall der nachgeschalteten Analysatoren und den Verbrauch von Phosphorsäure.

Bei Anglian Water Services wird die „Love Every Drop“-Idee gelebt. „Love Every Drop“ ist eine Vision dafür, wie Anglian Water Services glaubt, dass ein modernes Versorgungsunternehmen geführt werden sollte. Diese Vision bedeutet, ein Land mit einem widerstandsfähigen Umfeld zu schaffen, das nachhaltiges Wachstum ermöglicht und den Druck des Klimawandels bewältigen kann. Schaffung einer Infrastruktur, die bezahlbar und zuverlässig ist und den Bedürfnissen von Kunden, Gemeinden und der Umwelt entspricht. Anglian Water Services möchte, dass unsere Mitarbeiter und unsere Gemeinschaften auch widerstandsfähig sind. Phosphorsäure ist mit dem Konzept der planetaren Grenzen nach Rockström et al. 2009 verbunden. Anglian Water Services konnte so den Verbrauch von Phosphorsäure in ihren Prozessen reduzieren, ohne die Qualität des Wassers zu beeinträchtigen. Dies passt zu der Art und Weise, wie sie ihr Geschäft führen.

Erfahren Sie mehr!

Ferdinand Luimes
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Ein Coriolis-Massendurchflussmesser ist ein sehr genaues Gerät und hat viele Vorteile gegenüber anderen Messgeräten. Jedes Messprinzip hat jedoch seine Herausforderungen, so auch das Coriolis-Prinzip. Die Coriolis-Instrumente eignen sich perfekt für Low-Flow-Anwendungen in der Schwerindustrie, jedoch müssen sie hier mit allen Arten von Vibrationen fertig werden. In diesem Blog möchte ich Ihnen von meinen Erfahrungen zu diesem Thema berichten.

Das Coriolis-Prinzip

Coriolis Massendurchflussmesser bieten viele Vorteile gegenüber anderen Messgeräten. In erster Linie messen Coriolis-Durchflussmessgeräte direkt den Massenstrom. Dies ist ein wichtiges Merkmal für die industrielle Anwendung, da hierdurch Ungenauigkeiten umgangen werden, die durch die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit zustande kommen. Neben diesem Vorteil sind Coriolis-Instrumente sehr genau, haben eine sehr gute Wiederholgenauigkeit, nutzen keine beweglichen mechanischen Teile, weisen einen hohen dynamischen Bereich auf und bieten noch viele weitere Vorteile.

Wenn Sie noch mehr über die Bedeutung der Massendurchflussmessung und die Relevanz der Coriolis-Technologie erfahren möchten, so können Sie dies in unserem früheren Blog nachlesen.

Beeinflussen Schwingungen die Messgenauigkeit eines Coriolis-Massendurchflussmessers?

In industriellen Anwendungen sind sehr häufig alle möglichen Arten von Schwingungen mit unterschiedlichen Amplituden anzutreffen. Ein Coriolis-Messgerät misst einen Massenstrom mit einem vibrierenden Sensorrohr, dessen Schwingung beim Durchströmen der Flüssigkeit absichtlich außer Phase gerät. Wie im Video [link] am Ende dieses Artikels erklärt.

Diese Messtechnik ist durchaus empfindlich gegenüber unerwünschten Vibrationen mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz der Sensorröhre. Diese hängt von der Sensorrohrkonstruktion ab und kann beispielsweise 360 Hz betragen, oder einer höheren harmonischen Frequenz entsprechen, wie im Bild unten dargestellt wird.

Bildbeschreibung [Abb. 1: Coriolis-Durchflussmesser reagieren nur auf Resonanz- oder harmonische Frequenzen empfindlich]

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser unerwünschten Vibrationen ist in einer industriellen Umgebung erhöht. Hersteller von Coriolis-Durchflussmessgeräten tun ihr Möglichstes, um den Einfluss von Vibrationen auf den Messwert durch gebräuchliche technische Lösungen zu reduzieren, wie zum Beispiel:

  • höhere Schwingungsfrequenzen
  • zwei Sensorröhren
  • verschiedene Sensorformen
  • Masseblöcke
  • passive und aktive Vibrationskompensation
  • Verrohrung mit Windungen

Es stimmt somit, Vibrationen können die Messgenauigkeit Ihres Coriolis-Durchflussmessers beeinflussen, jedoch nur, wenn die Schwingungen eine Frequenz nahe der Resonanzfrequenz aufweisen. Was kann man dagegen tun? Dies hängt von der Art der Vibration ab.

Welche Arten von Vibrationen existieren?

In einem Industriegebiet können Frequenzen erzeugt werden durch:

  • umweltrelevante Vibrationsquellen (zum Beispiel: LKWs, Schienenverkehr, Industrieaktivitäten)
  • Schwingungsquellen auf Gebäudebasis (mechanische und elektrische Anlagen, z. B. Klimaanlagen)
  • nutzungsabhängige Vibrationsquellen (installierte Geräte und Maschinen, z. B. Pumpen, Förderbänder).

Diese Vibrationen werden durch ein Material wie den Boden, die Luft, durch Rohre oder durch die Flüssigkeit selbst übertragen. Wenn diese Vibrationen die Coriolis-Frequenz stören, könnte die Messung des Durchflusses in gewissem Maße falsch abweichen.

Um die Auswirkungen von Vibrationen zu minimieren, ist es nützlich, die Quellen zu identifizieren. Manchmal ist es möglich, den Durchflussmesser nur ein kleines Stück zu versetzen, ihn zu drehen (Coriolis-Durchflussmesser sind in den meisten Fällen weniger empfindlich gegen Vibrationen, wenn der Zähler um 90 Grad gedreht wird), einen großen Masseblock, flexible Rohre oder U-Biege-Metallrohre zu verwenden sowie alternativ auf Federungen zurückzugreifen.

Wie können Sie die Leistung eines Coriolis-Durchflussmessers überprüfen?

Ein gut funktionierender Durchflussmesser und -regler liefert das beste Prozessergebnis. Daher ist es ratsam, einen Coriolis-Durchflussmesser in seiner Anwendung zu testen, wenn Sie starke industrielle Vibrationen erwarten, bevor Sie ihm voll vertrauen. Seien Sie vorsichtig beim Filtern des Messsignals. In einigen Fällen ist dies sinnvoll (z. B. wenn eine schnelle Reaktion nicht erforderlich ist), aber wenn Sie die Leistung eines Durchflussmessers testen möchten, kann die Filterung Ihre Beurteilung beeinträchtigen.

Bildbeschreibung [Picture 2: Coriolis-Durchflussmesser im Einsatz]

Wenn der Coriolis-Durchflussmesser unter bestimmten Umständen nicht so funktioniert, wie er sollte, sieht der Bediener eine Verschiebung in der Prozessleistung - zum Beispiel in einer Anwendung, die Farbe zu einem Reinigungsmittel dosiert, kann es durch falsche Dosierung zu unterschiedlichen Produktfarben kommen / oder zu unerwartetem Messsignalverhalten. In diesen Fällen ist es sinnvoll, das rohe Messsignal (ohne Filter!) zu überprüfen, da es einen guten Einblick in die Leistung des Durchflussmessers gibt. Fragen Sie Ihren Lieferanten des Durchflussmessers, wie Sie die gesamte Signalfilterung ausschalten können.

Standards in Bezug auf Vibrationen

Bemerkenswerterweise ist der Einfluss von externen Schwingungen für Coriolis-Durchflussmesser in keiner Norm definiert. Es gibt mehrere Normen bezüglich Vibrationen, aber keine nimmt Bezug auf die Messgenauigkeit im Zusammenhang mit Vibrationen. Zwei nützliche Standards sind jedoch:

  • IEC60068-2, Umweltprüfungen für elektronische Geräte in Bezug auf Sicherheit
  • MIL STD 810, Umwelttechnische Überlegungen zu Schock, Transport und Verwendung

Als Anwender von Coriolis-Durchflussmessgeräten ist es wichtig, Ihre Anwendung zu verstehen, insbesondere hinsichtlich potentieller externer Vibrationsquellen. Als Coriolisspezialisten mit geringem Durchfluss arbeiten wir mit erfahrenen Partnern wie der Universität Twente und TNO (einer niederländischen Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung) zusammen, um ein verbessertes Verständnis dieses Themas zu erlangen.

Mit hauseigenen Testständen sind wir in der Lage spezielle Vibrationstests durchführen. Zusammen mit den Erfahrungen, die wir aus Kundenanwendungen und kundenspezifischen Lösungen gewonnen haben, streben wir stets danach, unsere Coriolis-Durchflussmessgeräte immer weiter zu verbessern, um unseren Kunden die bestmögliche Leistung zu bieten.

Sehen Sie sich unser Video zum Coriolis-Prinzip an.

Erfahren Sie mehr über das Coriolis-Messprinzip.

Lesen Sie mehr über die Bedeutung der Massendurchflussmessung und die Relevanz der Coriolis-Technologie in unserem früheren Blog.

Informieren Sie sich hier über unsere Erfolgsgeschichte mit Coriolis Mass Flow Controllern zur Odorierung von Erdgases.

Stefan Kuhlich
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Nichts ist so wichtig wie die Luft, die wir atmen. Neben den aktuell im Fokus stehenden klima- und umwelt-relevanten Gasen Kohlendioxid und Stickoxid, stellt Kohlenmonoxid (CO) ebenfalls ein Risiko dar, nicht nur weil CO giftig, sondern auch entscheidend an der Bildung bodennahen Ozons beteiligt ist. CO entsteht, wenn ein Verbrennungsprozess „nicht sauber“, d.h. mit zu wenig Sauerstoff stattfindet. Hauptquelle für die CO–Belastung der Luft ist der Kraftfahrzeugverkehr. Wissenschaft, Forschung, Entwicklung und Politik versuchen durch Aufklärung, Innovationen und Regulierung Emissionen zu reduzieren. Dies äußert sich in schärferen Abgas-Grenzwerten, die einerseits optimierte Verbrennungs-Technologien, andererseits differenziertere Prüfmethoden erfordern. In diesem Zusammenhang möchte ich Ihnen heute einen kundenspezifisch für die AG „Verkehrsemissionen“ der PTB –Braunschweig angefertigten, OIML R99-1&2 konformen Teststand für die Konformitätsbewertung von Abgas-Analysatoren vorstellen, den wir in enger Kooperation mit dem staatlichen Endanwender gebaut haben und mit dessen Hilfe die erforderliche Baumusterprüfung der am Markt befindlichen Abgasmessgeräte umgesetzt wird.

Komplexe Aufgabenstellung – Integrierte Lösung

Die Aufgabenstellung bestand darin, ein Test-Modul zu konstruieren, durch welches man definierte Prüfsituationen für die Abgasmessgeräte (Prüflinge) realisieren kann.

  • 30 vorgemischte und kalibrierte Prüf-Gasgemische mit unterschiedlich definierten Massenströmen und gleichbleibendem Druck zum selbstfördernden Prüfling leiten. Dies haben wir mit einer Kombination von nur einem Massenstromregler mit einem Druckregler realisieren können!
  • Erfassen der zeitlichen Reaktionsfähigkeit des Prüflings
  • Erkennung von Leckagen
  • Detektieren von Gas-Unterversorgung des Prüflings
  • Protokollieren der Zwischen- und Gesamtergebnisse

HMI – Steuern, Messen und Regeln mit K(n)öpfchen

Die Steuerung und Teil-Automatisierung der Anlage erfolgt über eine von Bronkhorst entwickelte und auf die PTB speziell angepasste Benutzeroberfläche. Hierbei werden auf der Programm-Oberfläche (HMI) die unterschiedlichen Testsequenzen ausgewählt und angezeigt. Schaltflächen erlauben eine ergonomische Bedienung der Anlage. Soll und Ist-Werte der jeweiligen Sequenzen werden in einem Anlagenfließschema angezeigt. Editierbare Textfelder ermöglichen neben automatisch generierten Logs (Datum, Zeit, Aktionen, Werte, Alarme,…) händische Vermerke, die in den Test-Berichten mit Zeitstempel archiviert werden. Die Open-Source Software erlaubt eine nachträgliche Modifikation/Erweiterung von Programm-Modulen durch den Benutzer. Zum Monitoring der Anlage gehören sowohl interne Messgrößen, wie Eingangs- und Ausgangsdrücke aus dem Prüfling, Prozesstemperatur, Massenströme, als auch Umgebungsdaten wie Luftdruck, Temperatur und relative Feuchte, die in der Steuerung der Anlage mit den Prozessdaten abgeglichen werden. Bildbeschreibung

Von den bewährten Bronkhorst-Produkten kamen Massendurchflussregler der Serien Mini-Cori, El-Flow-Prestige, El-Press Druckregler und Automatik-Ventile zum Einsatz. In unsere Planung wurden hochwertige Fremdkomponenten mit einbezogen. Alle Mess- und Regel-Komponenten sind in einem Bus-System integriert und kommunizieren kontinuierlich mit dem Steuerungs-PC.

(K)NOW HOW – Der Weg ist das Ziel:

Aufgrund der Komplexität der Aufgabenstellung haben wir gemeinsam mit dem Kunden ein differenziertes Lastenheft inklusive Fliessbildern und Prozessbeschreibungen erstellt. Die wesentlichen Meilensteine des eigentlichen Projekts waren: Bildbeschreibung Eine transparente Kommunikation innerhalb des Teams führte dazu, dass der erste reale Kontakt des Anwenders mit dem Teststand, nämlich die Werksabnahme bei Bronkhorst in Ruurlo, kein „Entdecken“ sondern bereits ein „Wieder-Erkennen“ der schon virtuell bekannten Anlage war. Der Nutzer war praktisch sofort in der Lage, die Testläufe eigenständig zu übernehmen. Haben wir Ihr Interesse an komplexen Flow-Lösungen geweckt? - Nehmen Sie einfach mit uns Kontakt auf.

Wir freuen uns auf Sie!

Hier erfahren Sie mehr über unsere Produkte und Lösungen.

Roland Snijder
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Diese Woche haben wir einen Gast-Blog von Dr. Roland Snijder, Medizinphysiker im Haaglanden Medisch Centrum (NL). Im Rahmen seiner Promotion arbeitete Roland als Forscher im Multi-Infusionsprojekt an der Abteilung für Medizintechnik und klinische Physik des University Medical Center Utrecht (UMC Utrecht). Der Forschungsschwerpunkt lag auf der Untersuchung der physikalischen Ursachen von Dosierfehlern in Multi-Infusionssystemen. In dieser Studie wurden die Strömungseigenschaften von Multi-Infusionsanlagen mit Bronkhorst Coriolis Durchflussmessgeräten untersucht. Heute erzählt uns Roland mehr über seine Forschung.

Was ist eine Infusion?

Die meisten Patienten, die im Krankenhaus behandelt werden, bekommen in irgendeiner Form Medikamente (Pharmazeutika) verabreicht. Vor allem in der Intensivmedizin benötigt eine große Anzahl von Patienten eine intravenöse Therapie. Intravenöse Therapie bedeutet, dass eine Lösung von Medikamenten direkt in die Venen verabreicht wird. Der Prozess der Verabreichung von Medikamenten direkt in die Venen wird Infusion genannt und erfolgt über einen Gefäßzugang (z.B. einen Katheter), der direkt in eine Vene eingeführt wird.

Der richtige Durchfluss ist lebenswichtig

Patienten in der Intensivmedizin, insbesondere Kinder und Säuglinge, leiden oftmals an Erkrankungen, die die intravenöse Verabreichung von sehr potenten und kurz wirksamen Medikamenten erfordert. Diese Arzneimittel benötigen in der Regel eine sehr genaue Verabreichung, bei der Abweichungen in der Durchfluss- und damit Dosiermenge leicht zu Dosierfehlern führen können. Deswegen kommen hier häufig Infusions- oder Spritzenpumpen zum Einsatz.

Darüber hinaus ist der vaskuläre Zugang zum Patienten typischerweise eingeschränkt, so dass viele Infusionspumpen über einen Katheter mitverwaltet werden müssen (Multi-Infusion), was den gesamten pharmazeutischen Verabreichungsprozess komplex und schwer vorhersehbar macht. Da Dosierungsfehler in der klinischen Praxis weit verbreitet sind, war klar, dass mehr Forschung erforderlich war. Viele der Ergebnisse dieser Forschung finden sich in der Dissertation: “Physical Causes of Dosing Errors in Patients Receiving Multi-Infusion Therapy”.

Multi-Infusionspumpen

Abb. 1: Multi-Infusionspumpen in der klinischen Anwendung

Durchfluss-Messung mit Coriolis-Instrumenten

Wir haben eine große Anzahl von Messungen durchgeführt, um mehr über die Strömungseigenschaften von Multi-Infusionsanlagen zu erfahren. Diese Messungen wurden mit Bronkhorst Coriolis Durchflussmessern (Serie mini CORI-FLOW) durchgeführt. Mit diesen Durchflussmessgeräten konnten wir die Durchflussmenge von Infusionspumpen sehr genau, präzise und unabhängig von der Dichte der zu messenden Lösung bestimmen (obwohl die meisten Lösungen ähnlich wie Wasser waren).

Die Durchflussmesser wurden auch wegen der Eignung für sehr niedrige Durchflussraten gewählt, die kleinsten Durchflussmengen dieser Infusionspumpen können 0,1 ml/h betragen. Letztendlich ist es natürlich die Dosisleistung oder der Massenstrom des dem Patienten verabreichten Arzneimittels, die wichtig ist.

Um dies zu messen, verwendeten wir einen absorptionsspektrophotometrischen Aufbau, der es uns ermöglichte, die Konzentration einer Substanz in einer Lösung, d.h. einer pharmazeutischen Substanz oder pharmazeutischen Analogon, zu messen. Um die Dichte (z.B. µg/l) in einen Massenstrom (z.B. µg/h) umzuwandeln, muss auch der kumulative Durchfluss (z.B. ml/h) des Infusionsaufbaus gemessen werden.

Coriolis-Durchflussmesser

Massendurchflussmesser mini CORI-FLOW

Zuerst haben wir dafür eine Präzisionswaage verwendet, aber später im Forschungsprojekt haben wir den mini CORI-FLOW Durchflussmesser eingesetzt. Die Daten der Präzisionswaage waren deutlich verrauscht, während der Durchflussmesser sehr saubere Daten lieferte, was unsere Messungen erheblich verbesserte.

Ein Punkt, der jedoch zu beachten ist, ist, dass Durchflussmesser einen Druckabfall erzeugen, der zu einem intrinsischen Strömungswiderstand führt. Die Auswirkungen und der Bezug des Messaufbaus auf eine klinische Situation werden in der Dissertation ausführlich erläutert.

Die Forschung kam zu dem Schluss, dass eine Vielzahl von Infusionskomponenten einen bestimmten, meist signifikanten Einfluss hatten. Was besonders wichtig ist: das medizinische Personal ist sich des Vorhandenseins und damit der Auswirkungen auf die Infusionstherapie meist nicht bewusst. Als Fazit der Studie wird dringend empfohlen, sich das medizinische Personal entsprechend über die zugrunde liegenden Mechanismen dieser Effekte geschult wird. Die Coriolis-Durchflussmesser von Bronkhorst erwiesen sich als sehr geeignet, um Einblicke in die verschiedenen Mechanismen des Versagens des Infusionspumpensystems zu gewinnen.

Lesen Sie hier weiter: R.A. Snijder - Physical causes of dosing errors in patients receiving multi-infusion therapy (ISBN: 978-94-028-0382-2)

Der Autor:

Dr. Roland A. Snijder (1985) ist Medizinphysiker im Haaglanden Medisch Centrum (NL). Er hat seinen Master-Abschluss in Biomedizinischer Technik an der Universität Groningen mit einem Spezialisierungslehrplan im Bereich der Medizinphysik (medizinische Instrumentierung und Bildgebung) erworben. In seiner Masterarbeit am Universitätsklinikum Groningen untersuchte er die Auswirkungen des Einsatzes der Computertomographie (CT) zur Lungenkrebsvorsorge. Nach Abschluss seiner Masterarbeit im Jahr 2012 hat Roland an der Abteilung für Medizintechnik und klinische Physik des University Medical Center Utrecht (UMC Utrecht) gemacht.

Dr. Roland A. Snijder

Möchten Sie mehr über die Kalibrierung von Infusionspumpen erfahren? Lesen Sie den Blog von Marcel Katerberg, der die Kalibrierungstechniken zur Verbesserung der Leistung der Infusionspumpe erklärt.

(Bei diesem Blog handelt es sich um eine Übersetzung aus dem Englischen Original-Blog von R.A. Snijder)

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!

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!