Flüssigkeitssensor-Genauigkeit optimieren für präzise industrielle Prozessmessung

Starten Sie Ihr Auto, füllen Sie ein Glas Wasser aus der Leitung oder mischen Sie Speiseöl in Ihren Brownie-Teig – Sie nutzen eine Flüssigkeit, die sorgfältig extrahiert, verarbeitet und auf Qualität geprüft wurde. Der enorme Voraufwand und die Technologie, die nötig sind, um solche Flüssigkeiten für Verbraucher nutzbar zu machen, sind oft unsichtbar, erfordern jedoch präzise Messung und Überwachung.

Bei der Verarbeitung pharmazeutischer Produkte: Wie erkennen Sie, ob eine Flüssigkeit hohe Qualität hat? Bei Rohöl: Wie wissen Sie, wie viel Sie fördern? Beim Wassertransport: Wie kennen Sie die Durchflussrate?

Fragen wie diese, die Vertrauen und Bilanzen von Wasser-, Lebensmittel-, Life-Sciences- und Öl- und Gasunternehmen beeinflussen, werden von Herstellern von Durchflussmessern beantwortet, die in Pipelines und anderen Anlagen installiert sind. Bei Endress+Hauser arbeiten Produktentwicklungsteams daran, präzise Sensoren für eine Vielzahl von Substanzen zu entwickeln und zu warten, die unterschiedliche Messmethoden erfordern.

Messung von Corioliskräften

Um die Eigenschaften einer in einem Rohr fließenden Flüssigkeit zu bestimmen, messen bei Endress+Hauser entwickelte Sensoren die Auswirkungen der Corioliskraft in einem in die Pipeline eingesetzten Gerät, bestehend aus einem oder mehreren oszillierenden Messrohren.

Das Rohr wird vor dem Eintritt der Flüssigkeit angeregt. Wenn eine ruhende Flüssigkeit das Gerät füllt, oszilliert das Rohr gleichmäßig. Sobald die Flüssigkeit durch das oszillierende Rohr zu fließen beginnt, übt die Flüssigkeit eine Kraft auf dessen Wände aus. Die Oszillation des Messrohrs wird von den Flüssigkeitsteilchen als Rotation um eine Achse wahrgenommen. Da sich Flüssigkeitsteilchen in einem bewegten Bezugssystem bewegen, erfahren sie eine Trägheitskraft, die senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung und zur Rotationsachse wirkt – die Corioliskraft. Da die Strömungsgeschwindigkeit relativ zur Rotationsachse in Ein- und Auslaufbereichen entgegengesetzte Richtungen hat, wirken die induzierten Kräfte so, dass sie das Rohr asymmetrisch ablenken, was einen Phasenversatz oder Zeitverzug entlang des Rohrs verursacht.

Verschiedene Abschnitte des Rohrs beginnen mit einem Zeitverzug oder Phasenversatz zu oszillieren, verursacht durch die Drallkomponente in der Bewegung des Rohrs. Dieser Phasenversatz und die neue Oszillationsfrequenz des Rohrs sind Funktionen der Massendurchflussrate in den Rohren bzw. der Dichte der Flüssigkeit. Daher können die Signale des Messgeräts interpretiert werden, um Massen- oder Volumendurchfluss zu messen und sicherzustellen, dass die gewünschte Flüssigkeitsmenge transportiert wird.

Ebenso führt eine Erhöhung der Flüssigkeitsviskosität zu einer Erhöhung der Dämpfung der Oszillationen. Die Oszillationsfrequenz ist hauptsächlich ein direktes Maß für die Flüssigkeitsdichte. Zum Beispiel werden Oszillationen bei einer Substanz wie Öl (geringere Dichte, höhere Viskosität) schneller, aber stärker gedämpft sein als bei einer Flüssigkeit wie Wasser (höhere Dichte, geringere Viskosität). Die Messung von Frequenz und Dämpfung der Oszillationen ermöglicht die Bestimmung von Dichte und Viskosität sowie die Überwachung der Prozessqualität im Zusammenhang mit dem Flüssigkeitsstrom. Dieselbe physikalischen Effekte würden auch für ein Objekt gelten, wie einen Ausleger, der in einer bewegten Flüssigkeit oszilliert.

Viskoakustisches Beispiel

Abbildung 1. Coriolis-Durchflussmesser, entworfen bei Endress+Hauser. (Bild: COMSOL)

Dr. Vivek Kumar, Senior Expert für numerische Simulation bei Endress+Hauser Flow, dem Zweig von Endress+Hauser, der diese Durchflussmesser fertigt (Abbildung 1), arbeitet an der Verbesserung der Sensorleistung. Seine Modellierungsarbeit hat seinem Team geholfen, die akustischen, strukturellen und strömungsmechanischen Effekte in ihren Durchflussmessern tiefgehend zu verstehen. Das Verständnis, wie Fluid-Struktur-Wechselwirkung und Vibroakustik die Leistung eines Sensors beeinflussen, ermöglichte es ihnen, verschiedene Designanpassungen vorzunehmen, um Leistung und Qualität des Messgeräts zu verbessern.

Das Team begann ihre numerische Analyse mit einem viskoakustischen Modell, um die komplexe viskose Dämpfung zu verstehen, die auftritt, wenn eine viskose Flüssigkeit durch das oszillierende Rohr fließt.

Abbildung 2. Simulationsergebnisse: Änderung der Rohrooszillationsfrequenz für verschiedene Flüssigkeitsviskositäten und resultierende mechanische Verschiebung (links). Visuelles Beispiel der Rohrverformung durch die oszillierende Bewegung (rechts). (Bild: COMSOL)

Mithilfe der COMSOL Multiphysics® Software analysierten sie die Auswirkungen der Flüssigkeitsviskosität auf die Oszillationsfrequenz des Rohrs. Abbildung 2 zeigt ihre Simulationsergebnisse, die die Frequenz sowie die Verschiebung des Rohrs für Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskositäten vorhersagen. Mit der Fähigkeit, zu simulieren und die physikalischen Effekte besser zu verstehen, die eine Verschiebung der Frequenzausgabe des Messgeräts verursachen, kann das Team diese Effekte nutzen, um die Leistung des Messgeräts zu verbessern. In diesem Fall wird die Variation der Rohrdämpfung genutzt, um Viskositätseffekte auf den gemessenen Dichtefehler zu kompensieren.

„Wir wollten verstehen, wie verschiedene Flüssigkeiten die Sensorleistung beeinflussen“, sagte Kumar. „Mithilfe von Simulation konnten wir verschiedene Fälle analysieren und letztlich unser Gerätedesign optimieren, um unseren Kunden zu helfen, Materialeigenschaften der von ihnen verwendeten oder geförderten Flüssigkeiten zu charakterisieren.“

Mikromaßstab-Beispiel: MEMS Coriolis Chip

Abbildung 3. MEMS Coriolis Chip für Dichte- und Viskositätsmessung. Links der komplette Sensor in einer Zange. Rechts das Chip-Layout im Gerät. (Bild: COMSOL)

Abbildung 4. Zwei Eigenmoden des oszillierenden Mikrokanals. Farbe bezeichnet die relativen Verschiebungspegel verschiedener Bereiche des Kanals. (Bild: COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, eine Tochtergesellschaft von Endress+Hauser Flow, entwickelt MEMS-Geräte basierend auf einem ähnlichen Konzept. Sie entwerfen und testen oszillierende Sensoren zur Messung thermophysikalischer Flüssigkeitseigenschaften für viele verschiedene Anwendungen. Das Team entwickelt Sensoren für spezifische Kundenlösungen, daher ist es essenziell, dass sie wissen, welcher Oszillatortyp die beste Empfindlichkeit für einzigartige Fälle bietet.

Der MEMS Coriolis Chip (Abbildung 3) nutzt einen freistehenden, vibrierenden Mikrokanal, der nach demselben Prinzip wie der größere Coriolis-Durchflusssensor funktioniert. Wie bei Coriolis-Simulationen muss eine Schwingungsanalyse am Mikrokanal durchgeführt werden, um fundamentale Eigenmoden und die Oszillationsraten der verschiedenen Enden des Strömungskanals zu bestimmen (Abbildung 4). Dieser spezielle Sensor wird zur Bewertung von Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten wie Inertgasen, Flüssiggas (LPG), Kohlenwasserstoffkraftstoffen oder Kühlschmierstoffen eingesetzt. Aufgrund seiner Abmessungen eignet sich der Sensor für die Messung sehr kleiner Flüssigkeitsmengen.

Abbildung 5. Thermische Ergebnisse: Temperatur im MEMS Coriolis Chip in 2D (oben) und 3D (unten). (Bild: COMSOL)

Abbildung 6. Ein Promag W 400 elektromagnetischer Durchflussmesser ohne Ein- oder Auslaufstrecke (0 × DN), entworfen bei Endress+Hauser. Die Elektroden sind im Rohr sichtbar. Eine Polyurethan-Auskleidung bietet elektrische Isolation zwischen Rohr und Flüssigkeit. (Bild: COMSOL)

Eine spezifische Herausforderung bei einem so kleinen Gerät ist, dass die hohe Spannung, die zur Anregung der Oszillationen verwendet wird, das Gerät bei elektrischem Versagen aufheizen könnte. Angesichts dieses Sicherheitsrisikos führten sie eine thermische Analyse (Abbildung 5) durch, um zu bestimmen, wo Wärme im Chip abgeleitet wird und ob die Flüssigkeit zu heiß wird. Es wurde bestätigt, dass die Temperaturobergrenze nicht überschritten wurde, dank der Vakuumkammer um den Strömungskanal, die den Wärmeübergang zwischen Elektroden und Flüssigkeit minimierte.

Optimierung elektromagnetischer Durchflussmesser

Ein weiterer Durchflussmessertyp ist der elektromagnetische Durchflussmesser, der die Lorentzkraft nutzt. Die Lorentzkraft wirkt auf geladene Teilchen, die sich durch ein Magnetfeld bewegen (Abbildung 6). Bei diesen Durchflussmessern sind die Teilchen die Ionen einer leitfähigen Flüssigkeit, die Bewegung kommt vom Flüssigkeitsstrom durch das Rohr, und das Magnetfeld wird von einer Spulenanordnung oberhalb und unterhalb des Rohrs bereitgestellt. Das Ergebnis ist ein elektromagnetisches Potenzial über das Rohr, das mit einem Paar Elektroden gemessen werden kann. Das Signal liegt typischerweise nur in der Größenordnung einiger hundert mV pro m/s; wenn das Design stimmt, ist das gemessene Potenzial proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und unabhängig von der Leitfähigkeit.

Die Simulation elektromagnetischer Durchflussmesser erfordert Multiphysik-Modellierungssoftware, um das von den Spulen erzeugte Magnetfeld und die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung im Rohr zu berechnen und sie zu kombinieren, um das elektrische Potenzial zu berechnen (Abbildung 7). Elektromagnetische Durchflussmesser werden typischerweise mit einer Messgenauigkeit von wenigen Bruchteilen eines Prozents spezifiziert, daher müssen die Simulationen extrem präzise sein. Bei Endress+Hauser Flow nutzten Simulations-Experten Dr. Simon Mariager und Dr. Simon Triebenbacher solche Simulationen, um eine der Hauptbeschränkungen elektromagnetischer Durchflussmesser zu beseitigen: die Empfindlichkeit gegenüber dem Strömungsprofil.

Abbildung 7. Ein Multiphysik-Modell eines elektromagnetischen Geräts. Der Spulenstrom wird als rote Pfeile gezeigt und die Stromlinien zeigen die Magnetfeldstärke im Durchflussmesser. Der farbige Querschnitt zeigt die Geschwindigkeitsgröße am Einlauf des Durchflussmessers. Dieses inhomogene Strömungsprofil wurde durch einen upstream 90-Grad-Bogen erzeugt (nicht gezeigt). Der halbe Querschnitt in der Mitte zeigt die viel homogenere Gewichts-Funktion des 0 × DN Vollquerschnitt-Sensors, was ein Design anzeigt, das unabhängig vom Strömungsprofil und damit verbundenen Störungen ist. (Bild: COMSOL)

Während konventionelle elektromagnetische Durchflussmesser überraschend robust sind, führen Änderungen im Strömungsprofil – etwa nach einem Bogen in der Pipeline – zu Messfehlern. Aus diesem Grund empfehlen Hersteller, dass diese Durchflussmesser eine gewisse Einlauflänge geraden Rohrs (typischerweise 10-mal den Nenn-Durchmesser) vor dem Sensor haben. Dieses empfohlene Design kann die Installation elektromagnetischer Durchflussmesser jedoch zu einem herausfordernden Prozess machen, da sie für Rohrgrößen von wenigen Millimetern bis mehreren Metern erhältlich sind. Die Eliminierung der Einlauflänge war das Ziel eines kürzlichen Entwicklungsprojekts bei Endress+Hauser Flow. Die Aufgabe bestand darin, die Gewichts-Funktion des Durchflussmessers zu optimieren. Theoretisch erfordert dies, dass der Rotationsoperator der Gewichts-Funktion überall null ist, was mit realen Geometrien mathematisch nicht möglich ist.

Stattdessen wurden zusätzliche Messelektroden verwendet, um die notwendigen Freiheitsgrade bereitzustellen. Damit musste das Team noch bestimmen, wie viele Elektroden erforderlich sind und wo sie platziert werden sollten. Sie nutzten Simulationen der Rohrströmung nach Strömungsstörungen wie Bögen und Ventilen, um die Leistung elektromagnetischer Durchflussmesser in verschiedenen realen Anwendungen vorherzusagen und ihr Design so weit zu optimieren, dass der neue Durchflussmesser praktisch unabhängig vom Strömungsprofil wurde.

Unternehmens- und Kundenbedürfnisse bedienen

Für das Endress+Hauser-Simulationsteam waren die Funktionen der COMSOL Multiphysics® Software in ihrer täglichen F&E-Arbeit hilfreich, um Durchflussmessgeräte zu optimieren und zu entwickeln. Die Multiphysik-Analysen geben ihnen Einblicke, die die Gesamtzeit und den Aufwand für Tests und Prototyping reduzieren und es ihnen ermöglichen, Sensoren höchster Qualität zu produzieren.

Dr. Christof Huber, Principal Expert für fortschrittliche Sensortechnologie bei Endress+Hauser Flow, fühlt sich inspiriert, wenn er sieht, wie seine Modelle zu Designänderungen führen, die die Erfahrung von Endress+Hauser-Kunden verbessern. „Diese Werkzeuge werden genutzt, um Kundenprobleme zu lösen; wir sehen dies in der Praxis, unsere Innovation in der Anwendung; wir sehen die Rendite, den Grund, warum wir das tun“, sagte Huber.

Dieser Artikel wurde von Rachel Keatley für COMSOL (Burlington, MA) verfasst. Weitere Informationen hier.