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)

Guus Witvoet
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Lassen Sie mich zunächst erklären, was demineralisiertes Wasser ist. Demineralisiertes Wasser, auch Demi-Wasser genannt, ist gereinigtes Wasser und wird häufig in Laboranwendungen für industrielle und wissenschaftliche Zwecke verwendet. Aber auch im Alltag begegnet man Anwendungen mit Demi-Wasser. Demi-Wasser kann beispielsweise zum Bügeln Ihrer Kleidung mit einem Dampfbügeleisen verwendet werden, um Kalkablagerungen in Ihrem Bügeleisen zu vermeiden. Aber auch in Autowaschanlagen wird es eingesetzt: Eine geringe Menge Demi-Wasser wird am Ende des Waschprogramms über das Auto gesprüht, um Tropfenrückstände auf Ihrem Autolack zu vermeiden. Am Ende dieses Blogs sind einige Beispiele für den Einsatz geeigneter Bronkhorst-Instrumente aufgeführt.

Demineralisiertes Wasser versus destilliertes Wasser

Demineralisiertes Wasser ist Wasser, das so gereinigt wurde, dass (die meisten) seiner Mineral- und Salzionen entfernt werden. Man denke zum Beispiel an Calcium, Chlorid, Sulfat, Magnesium und Natrium. Demineralisiertes Wasser wird auch als Demi-Wasser oder deionisiertes Wasser bezeichnet. Demineralisiertes Wasser unterscheidet sich im Allgemeinen von destilliertem Wasser. Destilliertes Wasser wird durch Kochen und erneutes Kondensieren gereinigt. Auf diese Weise werden Salzionen entfernt.

Der Hauptunterschied zwischen demineralisiertem Wasser und destilliertem Wasser besteht darin, dass destilliertes Wasser in der Regel weniger organische Verunreinigungen enthält; die Deionisierung entfernt keine ungeladenen Moleküle, Viren oder Bakterien. Demineralisiertes Wasser hat meist weniger Mineralionen; dies ist abhängig von der Art seiner Herstellung. Die Deionisation hat eine sauberere Produktion und hinterlässt weniger Kalk in den Anlagen, in denen sie eingesetzt wird. Ein wichtiger Punkt bei der Verwendung dieses demineralisierten Wassers ist das Material Ihrer Instrumente. Nicht jedes Material eignet sich als Rohrleitungsmaterial für Demi-Wasser; dies hängt auch von den verwendeten Temperaturen ab.

Wie wird Demi-Wasser hergestellt?

Demineralisiertes Wasser wird über drei Hauptwege produziert:

  • Über Ionenaustauschverfahren mit Ionenaustauscherharzen: Positive Ionen werden durch Wasserstoffionen und negative Ionen durch Hydroxidionen ersetzt.
  • Über die Elektro-Deionisation findet auch ein Ionenaustauschprozess statt: Ein elektrischer Strom wird durch die Harze geschickt, um sie regeneriert zu halten. Die unerwünschten Ionen bewegen sich von der Reaktionsoberfläche weg zu den Elektroden.
  • Über Membranfiltration: meist in mehreren Schritten

Um die richtige Qualität des Demi-Wassers zu erhalten, sind mehrere Stufen der Demineralisierung notwendig. Der Einsatz der Membranfiltration hat in diesem Fall den Vorteil, dass in der Regel keine Chemikalien zur Erzeugung des Demi-Wassers benötigt werden (außer vielleicht zur Reinigung); der Nachteil ist die Menge an (elektrischer) Energie, die durch den Prozess verbraucht wird. Beim Einsatz von Ionentauschern beeinflusst die Herstellungsartaußerdem den pH-Wert des Demi-Wassers.

Demineralisiertes Wasser - gängige Anwendungen

Demineralisiertes Wasser wird für industrielle und wissenschaftliche Zwecke verwendet. Sie können sich die folgenden Anwendungen vorstellen:

  • Laboranwendungen und Tests
  • Autowäsche
  • Waschwasser für die Computerchip-Herstellung
  • Automotive verwendet z.B. Blei-Säure-Batterien und Kühlsysteme
  • Kesselspeisung
  • Laserschneiden
  • Optimierung von Brennstoffzellen
  • Dampfbügeleisen und Dampferzeugeranwendungen
  • Pharmazeutische Produktion
  • Kosmetik
  • Feuerlöscher

Autowäsche

Gesundheitsrisiken durch demineralisiertes Wasser

Man könnte vermuten, dass demineralisiertes Wasser, das durch (Elektro-)Ionenaustausch, Destillation, Membranfiltration oder andere Produktionsverfahren vollständig von Mineralien befreit wird, als Trinkwasser verwendbar sei. Wie bei allen Dingen gibt es jedoch Vor- und Nachteile beim Trinken von demineralisiertem Wasser. Der Vorteil ist, dass die Mineralien, die für uns schlecht sind, entfernt wurden. Es gibt eine Menge Dokumentation über schlechte Einflüsse bestimmter Mineralien auf unseren Körper. Der große Nachteil des Trinkens von demineralisiertem Wasser ist jedoch, dass Demi-Wasser auch die guten Mineralien aus unserem Körper herausschwemmt und einen Mangel verursacht, so dass unser Körper nicht mehr richtig funktionieren kann. Außerdem wird der Wasserhaushalt unserer Zellen gestört und das kann durchaus gefährlich werden.

Zusammengefasst: Demi-Wasser sollte nicht als Trinkwasser verwendet werden, da es Mineralien entfernt, die für eine gute Gesundheit notwendig sind.

Einige Beispiele für Instrumente, die für Demi-Wasser verwendet werden können

  1. Coriolis Durchflussmesser, Serie mini CORI-FLOW

  2. Ultraschall-Durchflussmesser, Serie ES-FLOW

  3. Thermische Massendurchflussmesser, Baureihe LIQUI-FLOW

Durchflussmesser und Regler für Flüssigkeiten

Wouter Sparreboom
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In diesem Blog möchte ich über die Entwicklung eines MEMS-basierten Coriolis-Instrumentes berichten, dem derzeit kleinsten Massendurchflussmesser der Welt. MEMS ist die Abkürzung für Micro Electro Mechanical System. Dieses einzigartige Coriolis-Gerät ist ab sofort für Feldversuche verfügbar.

MEMS (Micro Electro Mechanical System) Technologie

Die MEMS-Technologie ähnelt der Halbleitertechnologie, wird aber bei Sensoren und mechanischen Miniaturbauteilen anstelle von elektronischen Chips eingesetzt. Bekannte Anwendungen der MEMS-Technologie sind Airbagsensoren, Tintenstrahlköpfe, Drucksensoren, Mikrophone, Kompasse, Beschleunigungssensoren, Gyroskope und Zeitbasis-Oszillatoren. Beispielsweise enthält ein Smartphone eine Vielzahl von MEMS-Komponenten. Thermische Strömungssensoren sind zum Beispiel in Klimaanlagen weit verbreitet.

Bild 1: Waferplatten

Bild 1: Waferplatten

MEMS-Chips werden aus Wafern hergestellt. Wafer sind extrem flache, kreisförmige Scheiben aus Silizium oder Glas. Ein typischer Wafer hat eine Dicke von 0,5 mm und einen Durchmesser von 6 Zoll. In der MEMS-Technologie werden nun funktionale Schichten auf den Waver aufgebracht und diese dann partiell entfernt, so dasseine Bauteil-Struktur auf der Oberfläche des Wafers entsteht. Die aufgetragenen Schichten können aus sehr hochwertigen und robusten Materialien bestehen. Siliziumnitrid ist ein Beispiel für ein solches Material, das durch LPCVD-Verfahren (Niederdruck-Chemische Gasphasenabscheidung) bei 800°C aufgebracht wird. Mit Hilfe der Fotolithographie werden die zu entfernenden Bereiche definiert. Bei der Photolithographie wird eine Schicht aus Photolack auf der Oberfläche des Wafers abgeschieden. Der Fotolack wird chemisch verändert, indem Licht auf seine Oberfläche fällt und selektiv in einer Entwicklungslösung entfernt.

Die Vorteile eines Coriolis-Sensors

Die meisten MEMS-Durchflusssensoren basieren auf einem thermischen Messprinzip. Es hat sich gezeigt, dass solche Sensoren in der Lage sind, den Flüssigkeitsstrom bis auf wenige Nanoliter pro Minute zu messen. Der Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie schnell und sehr stabil sind. Ein Nachteil ist allerdings, dass sie für jede spezifische Flüssigkeit kalibriert werden müssen. Ein für Wasser kalibrierter Sensor ist also nicht für andere Fluide einsetzbar. Ein Coriolis-Durchflusssensor, d.h. Durchflusssensoren mit einem schwingenden Rohr, in dem ein Massenstrom Corioliskräften ausgesetzt ist, haben dieses Problem nicht. Die Coriolis-Kräfte sind direkt proportional zum Massenstrom und unabhängig von Temperatur, Druck, Strömungsprofil und Fluideigenschaften. Coriolis-Durchflusssensoren messen den realen wahren Massendurchfluss.

Bild2: MEMS-Coriolis-Sensor

Bild 2: MEMS-Coriolissensor

Coriolis-Durchflussmesser werden meist zur Messung größerer und sehr großer Durchflussmengen (>1 Kilogramm pro Stunde) eingesetzt, da die relativ schwachen Coriolis-Kräfte bei kleinen Durchflüssen entsprechend schwerer zu erfassen sind. Um eine ausreichende Empfindlichkeit für die Messung von extrem niedrigen Durchflüssen unter 2 Gramm pro Stunde zu erreichen, müssen die Sensorgröße und die Rohrwandstärke auf ein Minimum reduziert werden. Dies ist bei der konventionellen Bearbeitung von Edelstahl nicht möglich.

Hier kommt die MEMS-Technologie ins Spiel. "Surface Channel Technology", ein Verfahren, das wir in enger Zusammenarbeit mit der Universität Twente entwickelt haben, ermöglicht die Herstellung von Rohren mit 1 Mikrometer dünnen Siliziumnitrid-Wänden. Durch die Wahl des Materials sind diese Rohre auch bei dieser extrem dünnen Wandstärke mechanisch stabil.

Das Arbeitsprinzip eines MEMS-basierten Coriolis-Massendurchflusssensors

In Bild 3 wird das Funktionsprinzip des MEMS-basierten Coriolis-Sensors erläutert. Der Sensor, der in das Demo-Modell eingebaut ist, basiert auf dieser Technologie. Das Instrument kann Gas- und Flüssigkeitsdurchsätze von 0,01 bis 2 Gramm pro Stunde messen und regeln.

Bild 3 Coriolis Messprinzip

Bild 3: Der Coriolissensor: Das Sensorrohr wird über Lorenzkräfte in Resonanz gebracht. Die Corioliskraft Fc ist das ERgebnis des Massenflusses Φm durch das Röhrchen.

Ein weiterer Vorteil der MEMS-Technologie ist, dass die Coriolis-Röhre im Inneren des Instruments so klein dimensioniert ist, dass die Resonanzfrequenz der Röhre im kHz-Bereich liegt. Dies führt zu einer geringeren Anfälligkeit für externe Vibrationen als bei herkömmlichen Coriolis-Instrumenten aus Edelstahl.

Demonstrationsmodelle Mikro-Coriolis-Technologie für Feldversuche Zurzeit bieten wir Demonstrationsmodelle der Mikro-Coriolis-Sensorik an. Die Testgeräte sind mit einer On-Board-Kommunikationsschnittstelle ausgestattet, die eine Integration in jede verfügbare Anwendung ermöglicht. Dieses Demonstrationsmodell heißt BL100 und ist mit und ohne Ventil für die Durchflussregelung erhältlich. Wir sehen Anwendungen für den BL100 in der Mikrofluidik, wie z.B. im Life-Science-Bereich, Lab on a Chip, medizinische Dosierung, chemische Mikroreaktoren, Katalysatortests und Reaktantendosierung, und Pumpenkalibrierung. Natürlich sind wir auch sehr neugierig auf Ihre Anwendungen.

Sie interessieren sich für ein Testgerät für Ihre Anwendung? Für weiter Informationen kontaktieren Sie uns bitte unter [email protected] um weitere Informationen oder eine Demonstrationseinheit dieses technologischen Durchbruchs in der Coriolis-Massendurchflussmessung und -Regelung zu erhalten.

Bild4: BL100 Demogerät

Bild 4: BL100;Testgerät MEMS-Coriolistechnologie für Feldversuche

Sneak preview next MEMS blog: Surface channel technology

Die “Surface Channel Technology”, die für die zur Herstellung des Micro-Coriolis-Sensorchips verwendet wird, erlaubt auch andere Sensortypen. Beispiele sind: Drucksensoren, Dichtesensoren, Viskositätssensoren und thermische Massendurchflusssensoren. Informieren Sie sich über aktuelle Neuigkeiten zum Thema MEMS-Technologie in unseren Blogs! Lesen Sie mehr über den Einsatz der MEMS-Technologie in Gaschromatographiegeräten in unserem November-Blog von Dion Oudejans.

Erwin Eekelder
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Die Nachfrage nach natürlichen und gesünderen Inhaltsstoffen (wie z.B. bei Süßigkeiten mit Vitaminen oder Mineralstoffen) steigt ständig. Deswegen entscheiden sich viele Hersteller von Schokolade und Süßwaren dafür, statt der bisher verwendeten künstlichen Aromen, Farbstoffe und Additive natürliche Zusatzstoffe einzusetzen. Natürliche Additive sind nicht nur teurer, häufig treten hier auch ändernde Fluideigenschaften (z.B. Dichte und Viskosität) auf, daher sind Rückverfolgbarkeit und ein exakter Prozess sehr wichtig.

Die gewünschte Flow-Lösung sollte detaillierte Prozessinformationen, effizientere Produktionslinien, eine bessere Produktkonsistenz und eine höhere Qualität des Gesamtprozesses liefern. Hierfür haben wir einen Ultraschall-Durchflussmesser für kleine Flüssigkeitsvolumenströme entwickelt, den ES-FLOW.

Der Süßwarenmarkt

Die Prognosen für den Süßwarenmarkt nennen Zahlen von 275 Milliarden Doller bis 2025, das ist also ein enormer Markt mit hohem Wachstumspotential. Aktuell ist Amerika die Nr. 1 im Süßwarenhandel, schaut man aber auf den Pro-Kopf-Verbrauch, haben die europäischen Länder die Nase vorne. Nach Daten aus 2016 (Euromonitor 2016) liegt der höchste Pro-Kopf-Verbrauch sogar bei uns in Deutschland.
Die Hersteller von Süßigkeiten lernen kontinuierlich vom Markt, um das tägliche Leben ihrer Kunden angenehmer zu gestalten. Eine nachhaltige Lieferkette, die Verbesserung des Wohlbefindens der Verbraucher und kontinuierliche Produktinnovationen sind erforderlich, um langfristig mit den Bedürfnisse dieses Marktes Schritt zu halten.

Schokoladenproduktion

Kontinuierliche Produktion

Gleichzeitig sind in den letzten Jahren Trends zu einem kontinuierlichen Produktionsprozess, Abfallvermeidung, kürzeren Stillstandszeiten und höherer Flexibilität nicht nur im Lebensmittelbereich, sondern auch in der chemischen Industrie zu beobachten.

Die Verwendung von Zusatzstoffen - Aromen und Farben - erfordert, dass kleine Durchflussmengen gemessen und kontrolliert werden. Hierfür gibt es nicht viele Lösungen. Heutzutage setzen viele Konditoren Dosierpumpen ein und setzen auf Verdrängung. Aber wie kann man sicher sein, dass das gewünschte Volumen tatsächlich dosiert wurde? War der Pumpenkopf vollständig mit Flüssigkeit gefüllt? Oder ist die Pumpe (teilweise) trocken gelaufen?

Dosierpumpen werden in der Regel für ein bestimmtes Fluid und einen bestimmten Durchfluss programmiert und kalibriert. Bei sich ändernden Prozessbedingungen oder Produktionsumstellungen muss die Pumpe immer wieder auf die aktuellen Parameter angepasst werden, was zu langen Stillstandszeiten führen kann. Der Ultraschall-Volumenstrommesser ES-FLOW ist hier eine echte Alternative. Er verfügt über einen integrierten PID-Regler, mit dem Pumpen und Ventile betrieben werden können. Dies ermöglicht dem Anwender den Aufbau eines kompletten automatisierten Regelkreises mit kurzen Reaktionszeiten. Eine Änderung der Parameter erfordert hier keine aufwändige Neuprogrammierung.

Durchflussmessung und -regelung in Echtzeit für Durchflüsse kleiner als 1500 ml/min oder sogar 200 ml/min? In enger Zusammenarbeit mit TNO (niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung) ist es uns gelungen, ein Gerät mit Ultraschallwellentechnologie für geringe Durchflüsse zu entwickeln. Diese Technologie wird in der Ultraschall-Durchflussmessgeräteserie ES-FLOW zur Messung und Regelung von Flüssigkeitsvolumenströmen zwischen 4 und 1500 ml/min unabhängig von Flüssigkeitsdichte, Temperatur und Viskosität mit einer Genauigkeit von 1% der Rate ± 1 ml/min eingesetzt.

Sie möchten genauer wissen, wie der ES-FLOW funktioniert?

Schauen Sie in unseren Blog-Beitrag: Bestimmung kleiner Volumenströme mit Ultraschallwellen – Der neue ES_FLOW

Keine Rekalibrierung

Viele Unternehmen haben wechselnde Prozessbedingungen und setzen häufig eine Vielzahl von Additiven und Lösungsmitteln ein. Der Ultraschall-Volumenstrommesser ES-FLOW ist flüssigkeitsunabhängig, so dass eine Nachkalibrierung nicht erforderlich ist. Auch nichtleitende Flüssigkeiten wie destilliertes und demineralisiertes Wasser oder Lösungsmittel können gemessen werden. Darüber hinaus ist der Sensor unempfindlich gegen Umgebungsvibrationen.

Hygienisches Design

Das Gerät ist nach hygienischen Standards mit einem selbstentleerbaren geraden Fühlerrohr, Oberflächenrauhigkeit ≤ 0,8 µm und ohne Totvolumen konzipiert. Dadurch können sich Partikel oder Bakterien nicht leicht anreichern und das Sensorrohr kontaminieren. Dadurch dauert der Reinigungsprozess nur wenige Minuten, was Stillstandszeiten minimiert.

Erfahren Sie mehr über das Messprinzip hinter dem Ultraschalldurchflussmesser für kleine Flüssigkeitsmengen:

Erfahren Sie mehr über unseren Pilotserien-Prozess für den ES-FLOW.

Marcel Katerberg
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Wenn es darum geht, Durchflussmengen im Bereich von 1 g/h und darunter genau zu messen und zu regeln, ist nicht nur ein guter Massendurchflussregler unerlässlich, sondern auch ein gut durchdachtes System und das Vorhandensein anderer wichtiger Komponenten. Wie in jedem System ist es nur so gut wie sein schwächstes Glied.

So steuern Sie kleine Durchflussmengen

Für die Regelung kleiner Durchflussmengen ist das schwächste Glied in der Regel nicht der Massendurchflusssensor. Ein Massendurchflussregler ist in der Lage, den Durchfluss an seiner Position im System genau zu messen und zu regeln. Es gibt jedoch keine absolute Sicherheit, dass dieser Durchfluss weiter vor oder hinter dem Durchflussregler genau ist. Wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wird der Prozess nicht mit der exakt gewünschten Durchflussmenge versorgt. Da der Durchfluss das relative Innenvolumen von Systemkomponenten wie Rohrleitungen, Filtern und Ventilen minimiert, scheint sich dieser zu erhöhen. Dies wirkt sich auf die Dynamik des Systems aus, da sich die Reaktionszeit verlangsamt, was zu einem Verlust der direkten Kontrolle führt. Wenn also ein Sollwert vorgegeben wird und davon ausgegangen wird, dass dieser den Prozess erreicht, kann es sein, dass die Erwartungen nicht erfüllt werden.

Zum Beispiel ist eine der beliebtesten und zugegebenermaßen kostengünstigsten Methoden, eine Strömung durch das System zu erzwingen, die Verwendung von Druckgas. Allerdings löst sich das Gas in der Flüssigkeit bis zu einem Sättigungsgrad, der proportional zum Gasdruck ist. Die gelösten Gase erscheinen allerdings wieder als Blasen stromabwärts in dem System, wenn der Druck sich verringert. Wenn eine Gasblase den Durchflussmesser oder das Ventil passiert oder in den Prozess eintritt, stört sie die Stabilität des Durchflusses.

In der Praxis ist es bei Prozessen mit geringem Durchfluss manchmal schwer zu verstehen, warum und wann das System korrekt funktioniert. Und so stellen sich viele Fragen. Stimmt die Reinheit der Medien? Sind die Prozesstemperaturen so, wie sie sein sollten? Ist die eingestellte Rate oder Dosierung korrekt? Ist der Druck stabil?

Herausforderungen bei der Handhabung sehr kleiner Durchflüsse

Bei den kleinsten Durchflussmengen ist es schwierig zu überprüfen, ob der in den Prozess eintretende Durchfluss zu irgendeinem Zeitpunkt den Erwartungen entspricht. Wie bereits erwähnt, kann es verschiedene Ursachen geben:

  • Gelöste Gase in der Flüssigkeit und unkontrollierte Gasblaseneinschlüsse und -freisetzung
  • Dynamische Effekte mehrerer Flüssigkeitsleitungen: z.B. in medizinischen Multiinfusionssystemen
  • Konformität des Systems: z.B. in Kunststoffschläuchen oder Kunststoffspritzen
  • Örtliche Erwärmung und Flüssigkeitsausdehnung verursacht durch das internen Volumen und Wärmeabgabe von Magnetventilen
  • Fluktuation der Fördermenge beim Einsatz von Pumpen

Der Einfluss gelöster Gase

Dieser Blog beschäftigt sich mit dem Einfluss von gelösten Gasen in der Flüssigkeit und den möglichen Gegenmaßnahmen. Wenn gelöste Gase in der Flüssigkeit einen Druckabfall durch das System erleiden, können sich schnell Gasblasen bilden. Die Blasen verursachen nicht nur eine Diskontinuität in der Strömung, sondern es passiert auch, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Gasblasen verändert. Wir haben eineganze Reihe von Experimenten durchgeführt, um die Phänomene zu untersuchen und mit bekannten Theorien zu vergleichen.

Bildbeschreibung

Bild 1: Schematische Darstellung des Aufbaus

Low-Flow-Experiment mit Coriolis-Massendurchflussmessgeräten

In Abbildung 1 ist ein Aufbau von zwei Bronkhorst Coriolis-Massendurchflussmessgeräten mit niedrigem Durchfluss (mini CORI-FLOW™ ML120) in Serie dargestellt. Das erste Instrument ist ein Massendurchflussmesser. Das zweite Instrument fungiert als Controller und steuert den Durchfluss mit einem präzisen, integrierten Proportional-Piezoventil, das vor dem Sensor positioniert ist.

Bildbeschreibung

Bild 2: Foto des verwendeten Coriolis-Durchflussmessers und des Coriolis-Durchflussreglers

In diesem speziellen Fall wird die Flüssigkeit mit Druckluft unter Druck gesetzt, um die Flüssigkeit durch das System zu fördern. Wenn die Druckluft mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, löst sie sich proportional zum Gasdruck in der Flüssigkeit auf. In diesem Experiment soll der Einfluss von gelöstem Gas in der Flüssigkeit und der Einsatz eines Entgasers als Gegenmaßnahme für Gasblasen untersucht werden.

Experiment ohne Entgaser (Degasser)

Bild 3 zeigt das Ergebnis des Versuchs, wenn der Aufbau einige Stunden ohne Entgaser gelaufen ist. Deutlich sichtbar ist die Wirkung von Gasblasen, die den Sensor des Durchflussreglers passieren. Dies zeigt sich auch in der Dichtemessung des zweiten Gerätes. Die Dichte sinkt jedes Mal, wenn Gasblasen das Gerät passieren. Die Dichte wird direkt mit dem Coriolis-Gerät gemessen. Ein Coriolis-Gerät ist in der Lage, die Dichte durch eine Änderung der Eigenfrequenz seines schwingenden Messrohres zu messen, wenn es mit Flüssigkeit durchströmt wird.

Bildbeschreibung

Bild 3: Messergebnisse ohne Entgaser (Degasser)

Erwartungsgemäß entstehen Gasblasen durch das Ventil im Massendurchflussregler, da dort der Druckabfall auftritt und das Gas wie in eine Mineralwasserflasche wieder ausperlt. Da sich dieses Ventil vor seinem Sensor (in Instrument 2) befindet, erkennt der Massendurchflussmesser die Gasblasen und der Massendurchflussregler reagiert darauf, indem er das Ventil steuert. Der physikalische Effekt der Gasblasenbildung tritt an jeder Stelle im System mit großem Druckabfall auf. In den meisten Fällen befindet sich diese Stelle direkt hinter dem Regelventil. Dieser Effekt ist unabhängig von der Messung, dem Prinzip oder der Art des Regelventils.

Ein weiteres bemerkenswertes Phänomen ist, dass es einen Unterschied zwischen den gemessenen Durchflüssen beider Geräte gibt. Es scheint, dass das erste Gerät (Massendurchflussmesser) einen geringeren Durchfluss von etwa 3% weniger aufweist als das zweite Gerät (Massendurchflussregler). Eine Erklärung dafür ist, dass eine erzeugte Blase hinter dem Regelventil den Volumenstrom ausdehnt und die Flüssigkeit nach vorne drückt. Da der Massendurchflussregler seinen Sollwert von 1 g/h beibehält, wird der Durchfluss "verlangsamt", um den korrekten Massendurchfluss aufrechtzuerhalten. Daher ist der Durchfluss durch den ersten Durchflussmesser um 3% geringer zwischen den Blasen.

Bildbeschreibung

Tabelle 1: mittlere Abweichung bei einem Sollwert von 1 g/h Massendurchfluss

Es gibt einen Unterschied im Volumenstrom vor und nach dem Auftreten der Gasblasen. Der durchschnittliche Massendurchfluss in den Geräten in beiden Experimenten liegt jedoch innerhalb der Spezifikation und damit gleich, wie in Tabelle 1 dargestellt. Diese Tabelle zeigt die durchschnittliche Abweichung von 1 g/h für jedes Instrument in beiden Experimenten über den gesamten Datensatz, wie in den Diagrammen dargestellt.

Der 3%-Fehler stimmt mit dem Henry'schen-Gesetz überein, das besagt, dass die Löslichkeit von Luft in Wasser 22 Milligramm pro Liter und bar beträgt. Teilt man diese Zahl durch die Dichte der Luft, so erklärt die Volumenausdehnung den Anstieg des Volumenstroms um 3% nach dem Auftreten der Gasblasen. So ist der Gesamtvolumenstrom aufgrund der Gasblasen um 3% höher und der Massenstrom sinkt bei einer Gasblase in 3% der Fälle auf nahezu Null. Dies erklärt, warum der durchschnittliche Massenstrom, einschließlich der Gasblasen, im Vergleich zu der Zeit, als das Gas gelöst wurde, gleich bleibt. Gegenmaßnahmen gegen Gasblasen Um das gelöste Gas zu entfernen, bevor Probleme auftreten, wird ein HPLC-Entgaser (High-Performance Liquid Chromatography Degasser) eingesetzt. Dieses Gerät verwendet einen durchlässigen Schlauch, um die Flüssigkeit zu entgasen. Der durchlässige Schlauch befindet sich in einer Vakuumkammer, in der das Vakuum durch eine kleine, integrierte Vakuumpumpe aufrechterhalten wird. Das Gerät extrahiert so die meisten der gelösten Gase in der verwendeten Flüssigkeit.

Da die Flüssigkeit gut entgast ist, ist sie außerdem in der Lage, die verbleibenden kleinen Bläschen, die im System zurückbleiben, leicht aufzulösen. Auf diese Weise wird das System vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, ohne dass irgendwelche Toträume mit Gas verbleiben. Da Gase kompressibel sind, macht ein richtig entgastes System das System steif und sehr reaktionsschnell. Ein solches System ist in der Lage, einen kontinuierlichen und stabilen Fluss in Richtung des Prozesses mit gutem Regelverhalten zu erzeugen.

Experiment mit Entgaser

Bild 4 zeigt das Messergebnis, bei dem der Entgaser vor die Coriolis-Massendurchflussmessgeräte gestellt wird. Deutlich erkennbar ist, dass das System mehrere Stunden ohne Tropfen oder Störungen des Massenflusses oder der Dichte laufen kann. Anscheinend sind keine Luftblasen im System vorhanden oder werden durch das Regelventil erzeugt. Die kleine Abweichung zwischen den Instrumenten liegt innerhalb der spezifizierten Genauigkeit von 0,2% des Messwertes ± 20 Milligramm/Stunde Nullpunktstabilität.

Bildbeschreibung

Bild 4: Messergebnisse mit Entgaser

Fazit

In vielen Anwendungen für kleine Flüssigkeitsdurchflüsse wird die Flüssigkeit mit einem Gas unter Druck gesetzt. Wenn Gas im Flüssigkeitsstrom mitgerissen wird, kann es als gelöstes Gas oder als Gasblasen auftreten. In beiden Fällen hat sie keinen signifikanten Einfluss auf den mittleren Massenstrom. Allerdings neigen Gasblasen dazu, die Stabilität der Strömung zu stören. Der Effekt kann mit einem schnellen und genauen Durchflussmesser überwacht werden. Dieser physikalische Effekt tritt in allen Systemen mit niedrigem Flüssigkeitsstrom auf, in denen gelöste Gase und Druckabfall nachgeschaltet sind, und ist unabhängig vom Messprinzip oder vom Typ des Regelventils.

Es wird empfohlen, einen Entgaser zu verwenden, um ein kontinuierliches, stabiles und reaktionsschnelles System gegen Ende des Prozesses zu erzeugen, insbesondere bei Messungen von Flüssigkeiten mit geringem Durchfluss. Eine ideale Lösung für diese Messungen mit geringem Durchfluss wäre ein Entgaser in Kombination mit einem Bronkhorst mini CORI-FLOW ML120 Massendurchflussmesser/-regler, wie er in diesem Experiment verwendet wird.

Da bei diesem Massendurchflussregler das Regelventil vor dem Sensor positioniert ist, ist der Sensor in der Lage, den aktuellen Durchfluss im System zu überwachen. Das Ergebnis ist eine optimale und direkte Prozesssteuerung. Der Durchflussregler kann für (Ultra-)Low-Flow-Anwendungen bis zu 1 g/h und weniger eingesetzt werden.

Diese (Ultra-)Low-Flow-Anwendungen finden sich im Halbleitermarkt, wie in unserer Broschüre "Low-Flow-Coriolis-Kompetenz" beschrieben.

Laden Sie die Applikationsgeschichte herunter, die den Einsatz von (Ultra-)Low-Flow-Messungen in der Mikrofluidik beschreibt.

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