2008-10-30 aufbau u funktion mfc lfc - awt-online.org · 29/01/09 aufbau und funktion von mfc für...
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Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten
Bremen | 4.11.2008 | Sitzung AWT-FA20
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 2
Agenda
� Aufbau eines Mass Flow Controller
� Sensortechnik für Gasdurchflussmessung
� Proportionalventiltechnik
� Kalibrierung von MFCs
� Messprinzipien für einen Liquid Flow Controller
� Aufbau eines Liquid Flow Controllers
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 3
Mass Flow ControllerAufbau
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 4
Mass Flow ControllerAufbau
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 5
� Flügelrad oder Turbine?
� Magnetisch Induktiv?
� Ultraschall?
� Coriolis?
� Vortex?
� Schwebekörper?
� Δp?
� Thermisch/ Anemometer:
� Sehr gute Genauigkeit, messen direkt den Massenstrom, Messspanne 1:50 oder besser, keine Ein- und Auslaufstrecken bei eingebauter Strömungskond.
� Kosten: im Schnitt teurer als Schwebekörper, aber günstiger als Coriolis, Vortex
GasdurchflussmessungMessprinzipien
CORIOLIS:• liefert direkt den Massenstrom• benötigt keine Ein- und Auslaufstrecken• auch mit Flüssigkeiten möglich• aufwändiges Messverfahren
VORTEX:• liefert einen Volumenstrom• besitzt eine sehr lineare Kennlinie• für verschmutzte Medien geeignet• benötigt Ein- und Auslaufstrecken
SCHWEBEKÖRPER:• misst einen Mix aus Massen- und
Volumenstrom• für Gas und auch Flüssigkeiten geeignet• geringer Druckverlust• Messspanne 1:10• müssen unter Eichbedingungen betrieben
werden für genaue Ergebnisse • meist kostengünstig
Differendruck:• liefert einen Volumenstrom• Messspanne 1:10• benötigt keine Ein- und Auslaufstrecken• auch mit Flüssigkeiten möglich• eher einfaches Messverfahren• schnellstes Messverfahren
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 6
Gase sind kompressibel: Dichte ρ = ρ (p,T)
Zustandsgleichung idealer Gase: (p1 * V1) / T1 = (p2 * V2) / T2
Beispiel:
Volumenstrom
Temperatur
Druck
Dichte
Massenstrom
1 m3/h
20 °C1 barg
1,205 kg/m3
1,205 kg/h
0,172 m3/h
80 °C7 barg
7,001 kg/m3
1,205 kg/h
0,167 m3/h
20 °C6 barg
7,23 kg/m3
1,205 kg/h
Kompressor
Zähler 2 Zähler 3Zähler 1
Ver-
braucherAnsaugluft
lange Rohrleitung
GasdurchflussmessungMassenmessung vs. Volumenmessung
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GasdurchflussmessungMassenmessung vs. Volumenmessung
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Definition Typ. Einheiten Bemerkungen
Durchströmendes Gasvolumenpro Zeiteinheit l/min
Historisch die gebräuchlichste Durchflussmessgröße
Durchströmende Gasmengepro Zeiteinheit kg/h, g/s
Für die meisten Anwendungenrelevante Messgröße
Normvolumenstrom
QN=m/ρN
Durchströmende Gasmengepro Zeiteinheit,umgerechnet in deren Volumenim Normzustand (T=0°C/ 273Kund p=1013 mbar/ 760 Torr) lN/min, mN
3/h
Kompromiss zwischen historischerund relevanter Messgröße-> gasartspezifischer Massenstrom
Standardvolumenstrom
QS=m/ρS
Durchströmende Gasmengepro Zeiteinheit,umgerechnet in deren Volumenim Standardzustand (T=20°C/293K und p=1013 mbar/ 760 Torr)
lS/min, slpm,
mS3/h, sccm
gasartspezifischer Massenstrom,bezogen auf andere Referenzbed.
Messgröße
Volumenstrom Q(Betriebsdurchfluss)
Massenstrom m
GasdurchflussmessungMassenmessung vs. Volumenmessung
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� Standard, Index S: 20°C, 1bar (slpm, sccm)
� Normal, Index N: 0°C, 1bar (lN/min, mlN/min)
� Wichtige Daten für die Auslegung:
� Medium
� Max. Durchfluss
� Referenzbedingungen
� Betriebs-Eingangsdruck
� Max. Ausgangsdruck
� Max. Eingangsdruck
� Mediumstemperatur
� Kommuikation
GasdurchflussmessungReferenzbedingungen
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Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung
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Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 12
PID
I.
m RT RS
RK
R2 R1
IS
Konstant Temperatur Anemometer (CTA) - ein Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung
� Die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizwiderstand RS und dem Temperatursensor RT wirdvom PID-Regler konstant gehalten
� Da RT im Vergleich zu RS sehr hochohmig ist, entspricht der Strom IS ungefähr dem Strom I� RS wird stets soweit aufgeheizt, dass er auf einer bestimmten Übertemperatur zur Fluidtemperatur
(RT) gehalten wird� Strömt Gas an RS vorbei wird Wärme abgeführt und der erforderliche Heizstrom, um die
Übertemperatur von RS zu RT konstant zu halten, ist ein Maß für den durch den Kanal strömenden Gasstrom und stellt die primäre Messgröße dar
Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 13
[[[[ ]]]]I R l T T D cS S F F F p F2 2⋅⋅⋅⋅ ==== ⋅⋅⋅⋅ −−−− ⋅⋅⋅⋅ ++++ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅( ) ( v)λλλλ ππππ λλλλ ρρρρ
Eigenschaften Sonde:l LängeD KanaldurchmesserRS elektr. WiderstandTS Temperatur von RS
Fluideigenschaften:ρF Dichtecp spez. WärmekapazitätλF WärmeleitfähigkeitTF Fluidtemperaturv Strömungsgeschwindigkeit
Durchfluss-Messprinzip Anemometer, Inline, abgeführte Heizleistung (RS)
• Die Formel beschreibt die Berechnung der elektrischen Leistung, die in Heizleistung umgewandelt wird, Pel=I2*RS
• Die Formel zeigt, dass die erforderliche Heizleistung im wesentlichen von der spez. Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit und der Strömungsgeschwindigkeitdes Gases abhängt
Mass Flow ControllerThermische Massendurchflussmessung
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Mass Flow ControllerKonventionelle Sensortechnik für thermische Massendurchflussmessung
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R R1 2
IBr
Laminar Flow Element
Sensorröhrchen
p2
p1
Vorfilter
Gasstrom
Laminar Flow Element
Kapillare
Haupt-
strom
Mass Flow ControllerKonventionelle Sensortechnik für thermische Massendurchflussmessung
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 16
Mass Flow ControllerKonventionelle Sensortechnik für thermische Massendurchflussmessung
• Heizwiderstand in der Mitte• Unterschiedliche Temperaturmessungen
davor und dahinter• Abstände sehr wichtig• Art der Wicklung zu beachten• Temperatureinfluss von außen
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 17
ON / OFF Magnetventil Proportional-Magnetventil
Hauptunterschied
Flachstopfen
oder
Schubkonus
Sitz-
Anströmung
Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise
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ON/OFF Proportional
Schub-konus
Anker (Kern)
Anker
Stopfen Stopfen
Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise
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Magnetic /SpringForce
Stroke0%100%
I
mag. forcenecessaryto keep valve open
Fmag > Fspring :valve opens withoutincreasing current
I
I
magnetic force changeswith stroke of
plunger(current is constant)
I
Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 20
Stroke0%100%
I
Magnetic /SpringForce
Fmag > Fspring :valve starts to open
I
magnetic force changes
with current, notwith the stroke
I
I
Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 21
� Frequenz f=1/T� T Periodendauer� t1/T Tastverhältnis
Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Funktionsweise
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P1 P2
Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Auslegung
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 23
Kennlinie / Ventilautorität
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Hub / Ansteuersignal
Durc
hfluß
[rel
. E
inhei
ten]
0,99
0,96
0,80
0,50
0,20
0,04
0,01
Ventil-
autorität
Control Characteristic
Flow
Rate
Stroke
Kennlinie / Ventilautorität
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Hub / Ansteuersignal
Durc
hfluß
[rel
. E
inhei
ten]
0,99
0,96
0,80
0,50
0,20
0,04
0,01
Ventil-
autorität
Control Characteristic
Flow
Rate
Stroke
Mass Flow ControllerProportionalventiltechnik: Auslegung
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 24
Mass Flow Controller
� 1996: Erste MFC für die industrielle Automation (digitale Elektronik, 4-20mA, 24VDC)
� 1999: Feldbustechnik verfügbar, zunächst Profibus-DP
� 2001: Neue Sensortechnologie auf Chip-Basis
� 2003: Neue, leistungsfähigere Mikroprozessortechnik -> erstmals Kommunikationssoftware verfügbar-> erstmals Firmware-Update möglich
Entwicklungsschritte in den letzten 10 Jahren
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 25
• Sollwert (analog)• Binäreingang 1-3
Istwert (analog)
Serielle Schnittstelle (RS-232)
Spannungsvers. 24V DC
PWM-Signal (Ventilansteuerung)Sensorsignal
LED-Display 1-4
Binärausgang 1 und 2 (NC oder NO)
Mass Flow Controller(MFC)
Feldbus (Profibus-DP oder DeviceNet)
EINGANG AUSGANG
Digitale Kommunikation I/O
Mass Flow ControllerElektrische Schnittstellen
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 26
Heizer TemperatursensorenHalbleitersensor
Gas Flow
Neueste SensortechnologieMass Flow Controller
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 27
Mass Flow ControllerKommunikationssoftware
� Firmware-Update� Rekalibrierung� Dynamisches Lesen� Reglereinstellung� Feldbuseinstellung� Programmierung von Binärsignalen� Diagnosedaten� etc.
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 28
� Druckabhängigkeit des Nullpunktes
� Eigenkonvektion, Einbaulage
� Einfluss des Strömungskanaldurchmessers auf die Signalauflösung
� Selbstoptimierung
� Schwebekörpermessung
Mass Flow ControllerSonstiges
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 29
Kennlinie MFC Typ 8626
Einbaulage: MA 39
2500275030003250350037504000425045004750500052505500575060006250650067507000725075007750800082508500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Durchfluss TSI [lN/min]
A/D-Wert
Überdruck: 1bar Überdruck: 6bar Überdruck: 10bar
Parameter:
Gehäuse: MP10Medium: LuftTemperatur: 22°C
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Sensor-signal [mV]
Durchfluss Q(dimensionslos)
0 10 100 1000
max
. Sig
nalb
erei
ch
1200
Q=v*A
A größer: v kleiner, d.h. Q messbar
A kleiner: v größer, d.h. größerer Signal-bereich
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Selbstoptimierung
� Anpassen der Sensorkennlinie
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35
t (s)
w,x
(%
)
w (% )
x (% )
y2 (% )
� Ermittlung der Streckenparameter (Ventilkennlinie)
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 33
� Eichbedingung: ρE (Gas mit Normdichte), pE (Eichdruck), TE (Eichtemperatur)
� Betriebsbedingung: ρB (Gas mit Normdichte), pB (Eichdruck), TB (Eichtemperatur)
� Umrechnung des tatsächlichen Durchflusses bei Betriebsbedingung zu Eichbedingung:
� Betriebsgas mit höherer Dichte als Eichgas: Schwebekörper zeigt zuviel an (QB<QE)
� Betriebsdruck höher als Eichdruck (Gas und Temperatur gleich):Schwebekörper zeigt zu wenig an (QB>QE)
� Betriebstemperatur höher als Eichtemperatur (Gas und Druck gleich):Schwebekörper zeigt zuviel an (QB<QE)
� Beispiele: pE=1bara, pB=2bara � ∆Q=-41%
TE=20°C, TB=40°C � ∆Q=+3,3%
Schwebekörpermessung
E
B
E
E
B
B
EB Q
T
T
p
pQ ⋅
⋅⋅=
ρ
ρ
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Aufgaben
� Möglichst eindeutiger Rückschluss von eigentlicher, lokaler Sensor-Messgröße auf integrale Regelgröße Durchfluss, unabhängig von Einströmbedingungen in der Applikation
� Rückführung auf möglichst genaue Durchflussnormale � Kalibrierung der elektrischen Ein- und Ausgänge� Speicherung der relevanten Daten im EEPROM� Dokumentation (internes sowie gerätebegleitendes Protokoll)
Randbedingungen
� Wenn möglich mit dem Betriebsgas (Ausnahmen: N2, O2, Ammoniak, Gemische) � Möglichst nahe an den Betriebsbedingungen (Druckverhältnisse, Einbaulage)
KalibrierungMass Flow Controller
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Kalibrierkette
� Super-Standard: Rückführbar auf DKD (PTB) oder NIST, jährliche Überprüfung
� Arbeitsnormale in den Prüfständen: Regelmäßige Überprüfung an Superstandard, mehrmalig pro Jahr
� DKD ist Unterzeichner einer weltweiten Anerkennung von landesüblichen Standards
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 36
Liquid Flow ControllerFlüssigkeiten mit Endwerten im Bereich von l/h
� Aufbau ähnlich eines MFC
� Prinzipiell geeignete Messprinzipien: Thermisch, Differenzdruck, Ultraschall, Vortex, Coriolis
� Ventiltechnik wie bei MFC
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 37
� Flügelrad oder Turbine?
� Magnetisch Induktiv?
� Ultraschall?
� Coriolis?
� Vortex?
� Schwebekörper?
� Thermisch?
� Differenzdruck?
� Differenzdruck und thermische Messung:
� Sehr gute Genauigkeit
� Kosten: im Schnitt teurer als Schwebekörper, aber sehr viel günstiger als Coriolis
� Sehr gute chemische Beständigkeit
� Keine bewegten Teile
Liquid Flow ControllerMessprinzipien
CORIOLIS:• liefert direkt den Massenstrom• benötigt keine Ein- und Auslaufstrecken• auch mit Flüssigkeiten möglich• aufwändiges Messverfahren
VORTEX:• liefert einen Volumenstrom• besitzt eine sehr lineare Kennlinie• für verschmutzte Medien geeignet• benötigt Ein- und Auslaufstrecken• bisher >DN10, Signalschwierigkeiten bei
kleinen Durchflüssen• schwingungsanfällig
SCHWEBEKÖRPER:• misst einen Mix aus Massen- und
Volumenstrom• für Gas und auch Flüssigkeiten geeignet• geringer Druckverlust• Messspanne 1:10• müssen unter Eichbedingungen betrieben
werden für genaue Ergebnisse • meist kostengünstig
ULTRASCHALL:• fast keine Toträume• schnelle Messung• lineare Kennlinie• aufwändiges zu kalibrieren
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 38
Ausgangssignal nicht linear
Toträume
Relativ hoher Druckabfall
Messung von Absolutdrücken nötig
Umrechnung zwischen den Medien einfach möglich
Schnelle Messung
Keine beweglichen Teile im Strömungskanal
Differenzdruck (Blende)
Toträume
Eingeschränkter Druckbereich, durch Sensor festgelegt
Umrechnung zwischen den Medien einfach möglich
Lineares Ausgangssignal
Geringer Druckabfall
Keine beweglichen Teile im Strömungskanal
Differenzdruck (Laminar Flow Element)
Langsame Messung
Keine Umrechnung zwischen Medien möglich (Kalibrierung mit dem Betriebsmedium nötig)
Mediumstrennung
Geeignet für sehr geringe Durchflüsse
Keine beweglichen Teile im Strömungskanal
Thermisch
NachteileVorteilePrinzip
Liquid Flow ControllerMessprinzipien
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 39
Liquid Flow ControllerDifferenzdruck-Messprinzip
Q k
pp
V==== ⋅⋅⋅⋅
∆∆∆∆∆∆∆∆ 0
0
ρρρρρρρρ
Aufbau und Funktion von MFC für Gase und LFC für Flüssigkeiten29/01/09 AWT-Vortrag FA20/ Seite 40
Liquid Flow ControllerAufbau
Danke!Thomas Sattler | Segment Management
Bürkert Fluid Control Systems | Christian-Bürkert-Straße 13-17 | 74653 Ingelfingen/Germany | info@de.buerkert.com | www.buerkert.com
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