Tekst: Ton Bol | Fotografie: Foodnote
Tekst: Ton Bol | Fotografie: Foodnote
Het meten van laag-debiet gasflows in laboratoria en pilotplants kan alleen goed met VA-meters en massaflowcontrollers. Daarbij overklassen massaflowcontrollers de goedkopere en eenvoudige VA-meters op punten als nauwkeurigheid, meetonzekerheid en automatiseringsmogelijkheden.
Vloeistof- en gasstromen in chemische en fysische processen worden gemeten met flowmeters. Dat geldt voor de grote industriële fabrieken én voor metingen op laboratorium- en pilotschaal. Er zijn negen flowmeettechnieken die 99% van de flowapplicaties dekken. Honderden fabrikanten gebruiken die technieken. Het gevolg is een groot assortiment flowmeters voor een onbeperkt aantal applicaties.
Voor het meten van vloeistofstromen in laboratoria zijn diverse oplossingen voorhanden. Voor laag-debiet gasapplicaties blijven er uiteindelijk maar twee meettechnieken over: Variable Area (VA) en thermisch. Een mogelijk derde concept, nog in ontwikkeling, is verschildrukmeting over een laminair flowelement. De prestaties daarvan zijn vergelijkbaar met thermisch.
De standaard VA-meter bestaat uit een rechtopstaande, conische buis, waarvan de onderzijde smaller is dan de bovenzijde, met een vlotter erin. VA-meters worden ook wel vado-meters (van variabele doorlaat) of vlottermeters genoemd. De flowrichting is van onder naar boven. De vlotter wordt door zijn massa omlaag getrokken, het stromend medium drukt hem juist naar boven. Hoe hoger de vlotter komt, des te groter is het doorstroomde oppervlakte in de meetbuis. De vlotter zoekt dus het evenwicht tussen de zwaartekracht en de stuwende kracht van het medium. Dit op zich eenvoudige instrument is beschikbaar in diverse uitvoeringen. De VA-meters voor de laboratoriumtoepassingen zijn vrijwel altijd voorzien van een glazen meetbuisje en een rond balletje als vlotter. Gebruikers lezen de schaal visueel uit, er is geen meetsignaal beschikbaar. Om de flow te kunnen regelen is een naaldventieltje optioneel.
De VA-meter is een simpel instrument en daardoor zeer betaalbaar. Keerzijde is de moordende concurrentie in deze markt, waardoor de meeste fabrikanten verzuimen dit type flowmeter te kalibreren, uitzonderingen daargelaten. Fabrikanten vertrouwen op de vormvastheid van de glazen meetbuis door een gecontroleerd productieproces. Daarmee is de meter echter niet gekalibreerd. Dit is niet de enige zwakte in de betrouwbaarheid, ook op de grootte, het gewicht en rondheid van het balletje zijn toleranties van toepassing. Dit kan leiden tot meetfouten in de orde van grootte van 5% FS (Full Scale) en dat is fors. Bovendien vallen de meetfouten in de praktijk nog groter uit, omdat gas samendrukbaar is en ook de temperatuur een rol speelt. De meting wordt geoptimaliseerd door een drukreduceerventiel te plaatsen op de gasfles (of andere gasbron). Met het regelventieltje aan de uitlaatzijde van de VA-meter wordt de druk in de meetbuis constant gehouden.
“Wie een VA-meter aanschaft, moet bedacht zijn op meetonzekerheden”Ton Bol, flowspecialist
Het meten van verschillende gassen vraagt om aanpassing van de schaalverdelingen. Bij die schaalaanpassing horen ook de effecten van de procesdruk en temperatuur meegenomen te worden, en ook in welke floweenheid gemeten gaat worden. In de realiteit worden die aanpassingen gebaseerd op formules en berekeningen, niet op basis van kalibraties. Zelfs bij het gebruik van zo’n eenvoudig meetinstrument is een fout dus zo gemaakt. Wie een VA-meter aanschaft moet bedacht zijn op meetonzekerheden, vooraf keuzes maken en die ook gebruiken bij de toepassing van dit type flowmeter. Er kan niet klakkeloos uitgegaan worden van het meetresultaat als naar een nieuwe meter wordt gegrepen. Ondanks die minpunten is dit type flowmeter voor sommige applicaties prima acceptabel.
De tweede meettechniek voor gasflowmetingen in labs en proefopstellingen is thermisch. Thermische flowmeters werken simpelweg volgens het principe van een warme sensor die wordt afgekoeld door een stromend gas, waarbij de gasmoleculen de kinetische energie afvoeren. Moleculen zijn massa, en die massaflow wordt gemeten door de instrumenten. De uitlezing is in massa-eenheden of gestandaardiseerde volume-eenheden. Daardoor is het meetresultaat eenduidig, waarbij de invloed van druk en temperatuur vrijwel nihil is op de meetprestatie. De nauwkeurigheidsspecificatie is 1% FS, of zelfs beter.
Thermische flowmeters zijn er in meerdere vormen. Voor grotere leidingen wordt doorgaans de Constant Temperature Anemometry (CTA)-techniek toegepast. Die werkt met twee sensoren. Eén sensor meet de temperatuur van het gas, de andere wordt opgewarmd tot een constant temperatuurverschil ten opzichte van de gastemperatuur. De hoeveelheid energie die nodig is om het temperatuurverschil in stand te houden is representatief voor de gasmassaflow.
Voor lagere debieten – vanaf minder dan 1 normaal milliliter per minuut tot enkele honderden normaal liter per minuut gas – wordt de bypass techniek toegepast. Er is een vaste verhouding tussen de gasmassa en gestandaardiseerde volume-eenheden. ‘Normaal’ refereert aan volume bij 0 °C en 1 atmosfeer. Bypass flowmeters (zie kader ‘Bypass Meetprincipe’) heten ook wel scientific flowmeters. Voorzien van een regelklepje om de gastoevoer te regelen wordt deze massaflowmeter (MFM) een massaflowcontroller. In de praktijk worden beide types generaliserend MFC’s genoemd.
MFC’s zoals de Mass-View van Bronkhorst en de compact van Vögtlin Instruments, zouden met enige fantasie ook ‘elektronische VA-meters’ genoemd kunnen worden. De uitlezing is visueel. Deze instrumenten worden gevoed door een externe energiebron of een ingebouwde batterij. Het optionele regelventiel is handbediend. Ten opzichte van de mechanische instrumenten bieden MFC’s een oplossing met veel lagere meetonzekerheden en duidelijke meeteenheden. Door variaties in bijvoorbeeld de procesdruk kan de ‘elektronische VA-meter’ misschien wel een andere meetwaarde tonen – omdat het regelklepje handbediend is en niet automatisch bijregelt – maar die waarde is wel juist en eenduidig qua meeteenheden. Daar zijn het massaflowmeters voor. Dat is bij een mechanische VA-meter niet mogelijk. Daarvan is de schaal slechts geldig voor een bepaalde druk en temperatuur.
“Ultiem zijn MFC’s die zelfstandig de flow regelen naar de ingestelde waarden”Ton Bol, flowspecialist
MFC’s bieden nog veel meer voordelen, zoals nauwkeurigheid, lineariteit, en een betere verhouding tussen volle schaal en minimaal bruikbare meetwaarden, dus een grotere turndown. Verder zijn er meer vrijheden voor verticale of horizontale montage en passen er meerdere gascurves in het elektronisch geheugen. Dit alles maakt de overstap van een VA-meter naar een thermische flowmeter tot een wereld van verschil.
Ultiem zijn MFC’s die een setpoint krijgen en vervolgens zelfstandig de flow regelen naar de ingestelde waarde. Bijvoorbeeld de 100-serie van Sierra Instruments of de smart-series van Vögtlin Instruments. Beide productlijnen kunnen uitgevoerd worden met een regelventiel. Het ventieltje wordt zo ver geopend dat de gemeten waarde overeenkomt met de gewenste waarde. Als bijvoorbeeld de voordruk lager wordt, zal de MFC de regelklep automatisch wat verder open sturen. Stijgt de voordruk weer, dan zal het ventieltje wat meer gaan knijpen. Het setpoint wordt aangeboden via het geïntegreerde display, of via analoge en seriële signalen. Diverse communicatieprotocollen, waaronder Modbus, Profibus en Industrieel Ethernet, zijn beschikbaar voor registratie en verdere automatisering.
Kortom, MFC’s zijn slimme instrumenten voor nauwkeurige flowmetingen en -regelingen, en bieden veel toegevoegde waarde in vergelijking met VA-meters. ●
In deze functionele layout is de flow van links naar rechts. Elke MFC is gebouwd voor een bepaalde toepassing met een bepaald gas, meetbereik, en procesdruk en -temperatuur. Op basis daarvan wordt een flowconditioner gekozen voor plaatsing in de bypass. Deze flowconditioner creëert ook een drukval, waardoor een gedeelte van het gas door een sensor gestuurd wordt. De sensor omvat een dun silicaplaatje met daarop opgedampt twee temperatuurgevoelige weerstanden, met daartussen een verwarmingselement. Bij 0-flow is de temperatuurverdeling symmetrisch, bij flow wordt die asymmetrisch. De weerstandswaarden veranderen, en dat is een maat voor de massaflow die de sensor passeert.
De MFC’s zijn zo gebouwd en gekalibreerd dat de flow in de sensor representatief is voor de totale flow door het instrument. De uitlezing is in massa- of gestandaardiseerde volume-eenheden.
Redenen om te kiezen voor massaflowcontrollers (MFC’s) boven Variable Area (VA)-meters voor gasflowapplicaties in laboratoria of proefopstellingen:
• Beduidend hogere nauwkeurigheden
• Minder meetonzekerheden
• Veel grotere turndown
• Meeteenheden zijn duidelijk
• Druk- en temperatuureffecten zijn nihil
• Meetsignalen zijn inzetbaar voor registratie en automatisering
• Geschikt voor validatie van processen
VA-meters zijn eenvoudig en prijstechnisch best interessant. Gebruikers moeten zich echter bewust zijn van de onzekerheden die uiteindelijk kunnen leiden tot meetfouten in de orde van tientallen procenten. MFC’s overklassen VA-meters op elk gebied. Enkele toonaangevende leveranciers van MFC’s:
www.voegtlin.com
www.bronkhorst.com
www.sierrainstruments.com
