Alicats Technologie

Alicats Prinzip der Massendurchflussmessung 

Alicat-Massendurchflussinstrumente arbeiten nach dem Prinzip der laminaren Durchflussmessung auf Differenzdruckbasis. Unser Durchflussmesser und unsere Durchflussregler sind Multiparameter-Instrumente (multivariate Instrumente), die auch die Druck- und Temperaturdaten anzeigen, mit denen wir sowohl Volumen- als auch Massendurchflussraten bestimmen.

Poiseuille-Gleichung für die Messung der laminaren Strömung

Eine Methode zur Durchflussmessung in einer intern kompensierten laminaren (ICL) Einheit basiert auf der Physik der Poiseuille-Gleichung. Zunächst wird eine interne Einschränkung erstellt. Diese Einschränkung ist als Laminar Flow Element (LFE) bekannt. Das LFE zwingt die Gasmoleküle, sich auf parallelen Wegen entlang der Länge des Durchgangs zu bewegen, wodurch Strömungsturbulenzen nahezu beseitigt werden. ((Lesen Sie hier mehr über laminare Strömung.). Der Differenzdruckabfall wird im laminaren Bereich gemessen.

Die Poiseuille-Gleichung quantifiziert die Beziehung zwischen Druckabfall und laminar Volumenstrom als:

Q = (P.1-P2) πr4/ 8ηL

Wo:

Q = Volumenstrom
P.1 = Statischer Druck am Einlass
P.2 = Statischer Druck am Auslass
r = Hydraulikradius der Drossel
η = absolute Viskosität der Flüssigkeit
L = Länge der Einschränkung

Da π, r und L für ein gegebenes LFE konstant sind, kann die Gleichung wie folgt umgeschrieben werden:

Q = K (ΔP) / η

In dieser Gleichung ist K ein konstanter Faktor, der durch die Geometrie der Beschränkung bestimmt wird. Es zeigt die lineare Beziehung zwischen Volumenstrom (Q), Differenzdruck (ΔP) und absoluter Viskosität (η) in einer einfacheren Form.

Änderungen der Gastemperatur beeinflussen die absolute Viskosität des Gases. Dies erfordert eine Temperaturmessung, um den Wert von η zu bestimmen. Bei den meisten Geräten auf Differenzdruckbasis erfolgt dies durch manuelles Referenzieren von Diagrammen, die die Viskositätseigenschaften des Gases bei bestimmten Temperaturen angeben. In einem Alicat wird diese Referenz kontinuierlich unter Verwendung eines diskreten Temperatursensors und eines Mikroprozessors durchgeführt.

Massendurchflussmessung

Zu diesem Zeitpunkt wurde nur der Volumenstrom bestimmt. Damit ein Laminar-Flow-Gerät die Bereichsbeschränkungen von Thermo-Flow-Instrumenten berücksichtigt, müssen zusätzliche Messungen durchgeführt werden, um den tatsächlichen Massendurchsatz des Gases zu bestimmen. Die Beziehung zwischen Volumenstrom und Massenstrom ist:

Masse = Volumen * Dichtekorrekturfaktor

Ideale Gasgesetze zeigen uns, dass die Dichte eines Gases von seiner Temperatur und seinem absoluten Druck beeinflusst wird. Unter Verwendung idealer Gasgesetze ist der Einfluss der Temperatur auf die Dichte (bei konstantem Druck):

ρein/ ρs = T.s/ T.ein

Wo:

ρein = Dichte bei Strömungsbedingungen
T.ein = Absolute Temperatur (° K) bei Strömungsbedingungen in Kelvin
ρs = Dichte bei Standardbedingungen (STP)
T.s = Absolute Temperatur (° K) bei Standardbedingungen (STP) in Kelvin
(° K = ° C +273,15)

In ähnlicher Weise ist die Wirkung des absoluten Drucks auf die Dichte (bei konstanter Temperatur):

ρein/ ρs = P.ein/ P.s

Wo:

ρein = Dichte bei Strömungsbedingungen
P.ein = Absoluter Druck bei Durchflussbedingungen
ρs = Dichte bei Standardbedingungen (STP)
P.s = Absolutdruck bei Standardbedingungen (STP)

Um den Massenstrom (M) zu bestimmen, müssen daher zwei Korrekturfaktoren auf den Volumenstrom (Q) angewendet werden: die Auswirkungen von Temperatur und absolutem Druck auf die Dichte. Zusammen kann die Umwandlung in einen Massenstrom wie folgt geschrieben werden:

M = Q (T.s/ T.ein) (P.ein/ P.s)

In einem Alicat-Massendurchflussmesser ist ein diskreter Absolutdrucksensor im laminaren Bereich des Durchflussstroms angeordnet. Diese Informationen werden an den Mikroprozessor gesendet und mit den Daten des diskreten absoluten Temperatursensors kombiniert, um die entsprechenden Berechnungen zur Bestimmung des Massenstroms durchzuführen.

Standardtemperatur und -druck (STP)

Die Durchführung der Massenflussberechnungen erfordert die Bezugnahme auf einen Satz von Standardtemperatur- und -druckbedingungen (STP), wie durch die Variablen angegeben T.s und P.s. STP wird normalerweise unter Meeresspiegelbedingungen definiert, es gibt jedoch keinen einzigen Standard für diese Konvention. Beispiele für gängige STP-Referenzbedingungen sind:

0 ° C und 1013 mbar
25 ° C und 14,696 psia
0 ° C und 760 Torr oder mmHg

Es ist wichtig anzumerken, dass, obwohl die typischen Masseneinheiten in Gramm oder Kilogramm pro Zeiteinheit ausgedrückt werden (oft als „echter Massenstrom“ bezeichnet), es Standard geworden ist, dass der Massenstrom als standardisierter Volumenstrom ausgedrückt wird. Beispiele sind slm / slpm (Standardliter pro Minute), sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) und scfh (Standardkubikfuß pro Stunde). Durch Kenntnis der STP-Einstellung des Geräts und der Dichte eines bestimmten Gases bei diesem STP ist es möglich, die Durchflussrate in Gramm pro Minute, Kilogramm pro Stunde usw. zu bestimmen, wie das folgende Beispiel zeigt.

Gegeben:

Gas = Helium
M = 250 SCCM
STP = 25 ° C und 14,696 PSIA
Gasdichte = 0,166 Gramm pro Liter

Echter Massenstrom = M * Gasdichte bei STP
Echter Massenfluss = (250 SCCM) (1 Liter pro 1000 CC) (0,1636 Gramm pro Liter)
Echter Massenfluss = 0,0409 Gramm Helium pro Minute

Alicat-Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler, die seit dem Frühjahr 2016 hergestellt werden, können Massendurchflussraten als echte Massendurchflussraten anzeigen. Wählen Sie einfach die gewünschte Einheit aus und Ihr Alicat führt alle Berechnungen durch.

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