Massaflowmeter gasmengsel met wisselende samenstelling

Home / Massaflowmeter voor een gasmengsel met wisselende samenstelling

Hoe meet je nauwkeurig als de samenstelling voortdurend wisselt?

Een massaflowmeter inzetten voor een gasmengsel waarvan de samenstelling continu verandert, is technisch veeleisend. De eerste gedachte is misschien een thermische doorstromingsmeter. Voor capillaire modellen zijn gascorrecties mogelijk met lineaire correctiefactoren (K-factoren), maar die zijn in de praktijk niet erg nauwkeurig: ze gaan uit van een lineair verband in de gasmassa, terwijl temperatuur en druk dit in werkelijkheid meerdimensionaal maken. Een tweede optie is een MEMS-thermische flowmeter waarbij voor elk gasmengsel een afzonderlijke correctiecurve wordt aangebracht, maar dat is kostbaar door het grote aantal kalibraties.

Als alternatief is een drukverschilmeter met een laminair flowelement een aantrekkelijke oplossing. De enige gasvariabele is dan de viscositeit. Door tegelijk de temperatuur en absolute druk nauwkeurig te meten, kan de viscositeit en dichtheid van het gas onder alle omstandigheden nauwkeurig worden berekend. Die waarden zijn allemaal terug te vinden in de uitgebreide gasdatabase van NIST (refprop).

⏱ ca. 7 minuten leestijd

Het probleem: een variërend gasmengsel heeft een variabele viscositeit

De Vögtlin d-flux is een laminaire differentiaaldruk-massaflowmeter. Het werkingsprincipe berust op het plaatsen van een Laminar Flow Element (LFE) in het gastraject: een structuur die turbulente instroom omzet naar laminaire stroming. De drukval over het LFE is, zoals beschreven door de wet van Hagen-Poiseuille, uitsluitend afhankelijk van de viscositeit van het gas. Een differentiaaldruksensor meet dat drukverschil; een absolute druksensor en een temperatuursensor meten de procesomstandigheden. De microprocessor berekent de werkelijke viscositeit en dichtheid en combineert die berekende variabelen tot een nauwkeurige gasmassadoorstroming.

Omdat viscositeit de enige gasafhankelijke variabele in de meetvergelijking is, berekent de d-flux intern voor elk geconfigureerd gas de viscositeitswaarde op basis van de actuele druk en temperatuur. Dat kan worden voorgesteld als een meerdimensionale tabel: voor een gegeven gas bepalen druk en temperatuur samen de viscositeitswaarde die in de flowberekening wordt gebruikt. Zo kan de massaflowmeter van gas wisselen zonder opnieuw te worden ingesteld en blijft de nauwkeurigheid behouden, mits het gas overeenkomt met het geprogrammeerde gas.

Bij een gasmengsel van CO₂ en lucht voegt de samenstelling een derde dimensie toe aan dat viscositeitsmodel. De viscositeit hangt dan niet alleen af van druk en temperatuur, maar ook van de actuele mengverhouding. Een mengsel van 20% CO₂ heeft een andere viscositeit dan een mengsel van 80% CO₂, en die waarden liggen ver genoeg uit elkaar om een significante meetfout te veroorzaken als de massaflowmeter voor de verkeerde mengverhouding is geconfigureerd.

Lucht heeft bij kamertemperatuur een dynamische viscositeit van circa 18,5 µPa·s. CO₂ ligt aanzienlijk lager: rond de 15,0 µPa·s, een verschil van bijna 20%. Bij een wisselende mengverhouding verschuift de effectieve viscositeit van het gasmengsel continu mee — en daarmee de uitkomst van de meetberekening als de meter op één vaste mengverhouding is ingesteld.

Gas / mengsel	Viscositeit (µPa·s, 20°C)	Relatief t.o.v. lucht
Lucht	18,5	Referentie
CO2	15,0	−19%
20% CO2 / 80% lucht	~17,8	−4%
50% CO2 / 50% lucht	~16,8	−9%
80% CO2 / 20% lucht	~15,7	−15%

Een massaflowmeter die is geconfigureerd op zuivere lucht en vervolgens een mengsel van 80% CO₂ en 20% lucht meet, introduceert een systematische fout. Dit is geen ruis maar een structurele verschuiving: de meter meet de juiste druk, temperatuur en differentiaaldruk, maar de berekening gaat uit van de verkeerde gassamenstelling. De gemeten waarde lijkt correct maar klopt niet.

Waarom een standaard massaflowmeter hier tekortschiet

De d-flux kan voor een stabiel gas of een stabiel gasmengsel met één geconfigureerd gasprofiel nauwkeurig meten, omdat de viscositeitswaarde intern wordt bepaald op basis van de gemeten druk en temperatuur. Dat werkt uitstekend zolang de gassamenstelling niet verandert.

Bij een continu wisselend CO₂/lucht-gasmengsel ontbreekt echter een derde dimensie in die berekening: de samenstelling zelf. De massaflowmeter weet op elk moment wat de druk en de temperatuur zijn, maar niet hoeveel procent CO₂ er op dat moment in het gas zit. De viscositeitswaarde die de meter gebruikt voor zijn berekening is daardoor altijd die van één vaste geconfigureerde mengverhouding — ook als de werkelijke mengverhouding op dat moment anders is.

Het resultaat is een systematische meetfout die evenredig is met het viscositeitsverschil tussen de geconfigureerde en de actuele mengverhouding. Die fout is niet zichtbaar in het meetsignaal zelf: de meter geeft een getal, maar dat getal klopt niet.

Als je de actuele samenstelling van het gasmengsel extern meet via een CO₂-percentagemeter en die informatie doorgeeft aan de d-flux, vul je de ontbrekende dimensie in. De massaflowmeter kan dan per bekende mengverhouding de juiste viscositeitswaarde gebruiken. Dat is precies wat het profielsysteem in combinatie met de PLC doet: de samenstelling wordt extern bepaald en de meter schakelt naar het profiel met de correcte viscositeitscurve voor die verhouding.

De oplossing: meerdere geprogrammeerde gassen en PLC-koppeling

De klant in deze case had een gasstroom waarbij het CO₂-gehalte continu wisselde als gevolg van zijn productieproces. De samenstelling was op elk moment variabel maar wel meetbaar: de klant beschikte over een CO₂-percentagemeter die het actuele CO₂-gehalte doorstuurde naar de PLC.

De oplossing benutte de mogelijkheid van de d-flux om meerdere geprogrammeerde gassen op te slaan. In plaats van één configuratie voor het hele gasmengsel werden meerdere mengverhoudingen afzonderlijk geprogrammeerd en als aparte profielen in de massaflowmeter opgeslagen — denk aan profielen zoals 20% CO₂/80% lucht, 30% CO₂/70% lucht, 40% CO₂/60% lucht, enzovoort in stappen van bijvoorbeeld 10 procentpunt.

De PLC ontving het actuele CO₂-gehalte van de percentagemeter, bepaalde op basis daarvan welk geprogrammeerd gasprofiel het dichtst bij de actuele mengverhouding lag en selecteerde dat profiel via Modbus of een ethernetprotocol in de d-flux. De massaflowmeter schakelde automatisch naar het bijpassende profiel en mat vervolgens de flow met de correcte configuratie voor die specifieke mengverhouding.

Elk profiel heeft bovendien een eigen totalizer, waardoor de gecumuleerde flow per mengverhouding afzonderlijk kan worden bijgehouden. Dit is nuttig voor massabalansberekeningen waarbij de hoeveelheid CO₂ en lucht apart moet worden verwerkt.

De stapgrootte bepaalt de resterende meetfout tussen twee gasprofielen. Bij stappen van 20 procentpunt bedraagt de maximale mengverhouding-afwijking 10 procentpunt ten opzichte van het dichtstbijzijnde profiel. Met stappen van 10 procentpunt daalt die afwijking naar 5 procentpunt. De d-flux biedt ruimte voor maximaal 15 geprogrammeerde gassen, wat bij een bereik van 0% tot 100% CO₂ stappen van circa 7 procentpunt mogelijk maakt.

Deze oplossing biedt niet alleen een uitstekende nauwkeurigheid, maar is ook economisch aantrekkelijk. De multiparameter d-flux geeft naast massaflow ook druk, temperatuur en een volumetotalizer mee. Configuratie verloopt eenvoudig via Bluetooth, en diagnoses zijn op dezelfde manier te stellen. Samen met de uitstekende langetermijnstabiliteit en het grote dynamische bereik resulteert dit in een lage Total Cost of Ownership.

Naast de uitvoering als massaflowmeter (MFM) is de d-flux ook leverbaar als massaflowregelaar (MFC) met een geïntegreerd proportioneel regelventiel. Neem voor meer informatie contact op met Inacom.

Praktische overwegingen bij implementatie

Stapgrootte van de profielen

Hoe meer geprogrammeerde gassen geconfigureerd zijn, hoe kleiner de maximale afwijking tussen de actuele mengverhouding en het geselecteerde profiel. Met 15 profielen verdeeld over een bereik van 0% tot 100% CO2 zijn stappen van circa 7 procentpunt haalbaar. In de meeste industriële toepassingen is een resterende afwijking van enkele procentpunten in de mengverhouding acceptabel: de bijdrage aan de totale meetonzekerheid blijft dan kleiner dan de basisnauwkeurigheid van de meter zelf.

Reactietijd van het systeem

De totale reactietijd van de signaalketen bestaat uit drie componenten: de responstijd van de CO2-analyser, de verwerkingstijd van de PLC en de schakeltijd van het d-flux profiel. De d-flux zelf reageert binnen 120 msec. Als de mengverhouding snel wisselt, binnen seconden, moet de CO2-analyser voldoende snel zijn om het juiste profiel tijdig te selecteren. Wisselt de mengverhouding langzaam, over minuten, dan stelt de reactietijd vrijwel geen eisen.

Programmering van de gassen

De gasprofielen worden door Vögtlin Instruments geprogrammeerd op de opgegeven mengverhoudingen. Dat betekent dat de gewenste mengverhoudingen bij bestelling worden opgegeven. Aanpassingen achteraf zijn mogelijk maar vereisen een herprogrammering. Het is daarom verstandig de meest voorkomende mengverhoudingen in het proces goed in kaart te brengen voordat de meter wordt besteld. Inacom denkt in de specificatiefase graag mee over de optimale profielindeling.

Droogheid van het gas

De d-flux is uitsluitend geschikt voor droge en schone gassen. Bevat de gasstroom vocht of deeltjes, dan is gasconditionering upstream van de meter noodzakelijk. Het is ander mogelijk dat het LFE verstopt raakt en dit beïnvloed druk waardoor metingen onnauwkeurig worden. CO2-rijke gasstromen zijn in sommige processen vochtig, denk aan fermentatieprocessen of verbrandingsgassen. In die gevallen is een Nafion-droger of condensaatvanger upstream een vereiste voordat het gas de d-flux bereikt.