Thermische Massendurchflussregler- & Massendurchflussmesser-Grundlagen: Definition, Aufbau und Vorteile
Seit über 20 Jahren ist Bürkert bereits zuverlässiger Experte im Bereich der thermischen Massendurchflussregler (MFC)/ -messer (MFM) für Gase. Doch was ist ein MFC/MFM? Und welche Vorteile bieten MFC/MFM für die Gas-Durchflussmessung/-regelung im Allgemeinen und Bürkert MFC/MFM im Speziellen? Erfahren Sie in diesem Artikel alles Wissenswerte zum Thema.
Was ist ein Massendurchflussregler (MFC) / Massendurchflussmesser (MFM)?
Ein Massendurchflussregler /-messer – oder Mass Flow Controller / Meter – ist ein kompaktes, geschlossenes System zur Regelung (MFC) bzw. Messung (MFM) von Gasmengen.
MFC / MFM: Aufbau & Funktion
Der Unterschied von Massendurchflussreglern und Massendurchflussmessern
Massendurchflussmesser bestehen aus Fluidik, Sensorik und Elektronik, um den Massendurchfluss von Gasen zu messen.
Massendurchflussregler sind identisch aufgebaut. Sie besitzen darüber hinaus ein Stellglied, um den Massendurchfluss nicht nur zu messen, sondern auch aktiv auf einen vorgegebenen Durchfluss-Soll-Wert zu regeln. Die Soll-Wert-Vorgabe geschieht dabei elektrisch über ein Normsignal, einen Feldbus oder Industrial Ethernet.
Der vom Sensor erfasste Ist-Wert wird im Regler mit dem Soll-Wert verglichen. Als Stellgröße wird vom Regler ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal an das Stellglied gegeben und entsprechend der festgestellten Regelabweichung variiert.
Thermische Durchflusssensoren
Die meisten Hersteller von MFC/MFM setzen auf thermische Durchflusssensorik, da diese hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit sowie schnelle Reaktionszeiten und große Messspannen bieten. Da sich zudem keine bewegten Teile im Medium befinden, sind thermische Sensoren nahezu verschleißfrei.
Das Messprinzip der thermischen Massendurchflussmessung
Wärme fließt immer in Richtung geringerer Temperatur. Besitzt also ein Körper eine höhere Temperatur als seine Umgebung, gibt er seine Wärmeenergie an eine vorbeiströmende Masse ab. Die thermische/kalorimetrische Messmethodik macht sich dieses Prinzip der Wärmeleitung und des Wärmetransports in Gasen zunutze.
Thermische Durchflusssensoren zur Bestimmung des Massenstroms von Gasen bestehen im Kern aus einem Heizelement sowie Temperaturfühlern. Das Heizelement erwärmt das durchströmende Gas, woraufhin die Temperaturfühler die abgeführte Wärmemenge detektieren. Die jeweils abgeführte Wärmemenge ist ein Maß für den vorliegenden Massenstrom des Gases.
Was ist Massenstrom?
Der Massenstrom definiert die Masse, also das Gewicht des strömenden Mediums (Gas), das in einer bestimmten Zeiteinheit das Gerät durchströmt.
Worin besteht der Unterschied zum Volumenstrom?
Im Unterschied zum Massenstrom definiert der Volumenstrom das Volumen des Gases, das in einer bestimmten Zeiteinheit das Gerät durchfließt. Misst man das Gasvolumen, so benötigt man aus Gründen der Vergleichbarkeit zusätzliche die Angaben zu Temperatur und Druck, da Gase kompressibel sind. Das bedeutet, dass sich ihre Dichte und damit ihr Volumen abhängig von Druck und Temperatur ändert.
Aufgrund der starken Druck- und Temperaturabhängigkeit von Gas-Volumina ist es daher für die präzise und zuverlässige Durchflussmessung von Gasen empfehlenswert, den Massendurchfluss – und nicht Volumendurchfluss – zu messen, da dieser unabhängig von Druck und Temperatur ist.
Verschiedene Arten von thermischen Durchflusssensoren
Thermische Sensoren werden wie folgt unterschieden:
- Direkte Sensoren: Sensorelement sitzt direkt im Gasstrom. Hierzu zählen beispielsweise die „Inline“- sowie „CMOS / MEMS“-Sensoren.
- Indirekte Sensoren: Sensorelement ist vom Medium getrennt. Hierzu zählen beispielsweise Kapillar-Sensoren.
Vor- und Nachteile von Inline- & CMOS- / MEMS-Sensoren (Direkte Sensoren)
Inline-Sensor Messprinzip CMOS-Sensor Messprinzip
Vorteile
✓ Schnelle Reaktionszeit
✓ Hohe Messgenauigkeit
✓ Langzeitstabilität der Durchflusskalibrierung
✓ Niedriger Druckabfall
✓ Unempfindlich gegenüber Verunreinigungen
Nachteile
- Nicht kompatibel mit aggressiven Gasen
- Gasumrechnung mittels Umrechnungsfaktor nur sehr eingeschränkt möglich
Vor- und Nachteile von Kapillar-Sensoren (Indirekte Sensoren)
Kapillar-Sensor Messprinzip
Vorteile
✓ Geeignet für aggressive Gase
✓ Gasumrechnung mittels Umrechnungsfaktoren weitestgehend möglich
Nachteile
- Langsamere Reaktionszeiten aufgrund der thermischen Barriere zwischen Sensor und Gas
- Genauigkeitsverlust bei Gasumrechnung
- Durchflusskalibrierung weniger langzeitstabil
- Höherer Druckabfall
- Dünne Kapillarröhrchen sind verschmutzungsanfällig
Einsatzgebiete von Massendurchflussreglern
Massendurchflussregler/ -messer sind längst ein fester Bestandteil moderner Prozessautomatisierung geworden. Die automatisierte und präzise Regelung oder Messung von Gasmengen spielt beispielsweise in der Metall- und Glasproduktion bzw. –verarbeitung eine entscheidende Rolle, in Form von Brennersteuerungen, Prozessgaszufuhr oder Atmosphärenregelung.
Bei Fermentationsprozessen werden dem Bioreaktor Gase mittels dem MFC zugeführt und auch in Abfüllanlagen oder Verpackungsmaschinen sorgen Massendurchflussregler für die nötige Schutzgasmenge.
Finden Sie den passenden Massendurchflussregler & Massendurchflussmesser für Ihre Applikation.