Verbesserung der Genauigkeit von Flüssigkeitssensoren für präzise industrielle Prozessmessungen

Starten Sie Ihr Auto, füllen Sie ein Glas Wasser aus dem Wasserhahn oder mischen Sie Speiseöl in Ihren Brownie-Teig, und schon verwenden Sie eine Flüssigkeit, die sorgfältig extrahiert, verarbeitet und auf Qualität geprüft wurde. Die erstaunliche Voraussicht und Technologie, die erforderlich ist, um solche Flüssigkeiten für Verbraucher nutzbar zu machen, ist oft nicht sichtbar, erfordert jedoch eine präzise Messung und Überwachung.

Wie erkennt man bei der Verarbeitung pharmazeutischer Produkte, ob eine Flüssigkeit von hoher Qualität ist? Wenn Sie mit Rohöl arbeiten, woher wissen Sie dann, wie viel Sie fördern? Wenn Sie Wasser transportieren, woher wissen Sie dann die Durchflussrate?

Fragen wie diese, die sich auf das Vertrauen und die Geschäftsergebnisse von Wasser-, Lebensmittel-, Biowissenschafts- sowie Öl- und Gasunternehmen auswirken, werden von den Herstellern von Durchflussmessern beantwortet, die in Rohrleitungen und anderen Geräten installiert sind. Bei Endress+Hauser arbeiten Produktentwicklungsteams an der Entwicklung und Wartung präziser Sensoren für eine Vielzahl von Substanzen, die unterschiedliche Messmethoden erfordern.

Messung der Corioliskräfte

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 Rohrleitung eingebauten Gerät, das aus einem oder mehreren oszillierenden Messrohren besteht.

Das Rohr wird erregt, bevor Flüssigkeit in das Gerät gelangt. Wenn eine ruhende Flüssigkeit das Gerät füllt, schwingt das Rohr gleichmäßig. Sobald die Flüssigkeit durch das Schwingrohr zu fließen beginnt, übt die Flüssigkeit eine Kraft auf dessen Wände aus. Die Schwingung des Messrohres wird von den Fluidteilchen 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 den Einlass- und Auslassabschnitten entgegengesetzte Richtungen hat, wirken die induzierten Kräfte so, dass sie das Rohr asymmetrisch verbiegen, was zu einer Phasenverschiebung oder Zeitverzögerung entlang des Rohrs führt.

Verschiedene Abschnitte des Rohrs beginnen mit einer Zeitverzögerung oder Phasenverschiebung zu schwingen, die durch die Drehkomponente in der Rohrbewegung verursacht wird. Diese Phasenverschiebung und die neue Schwingungsfrequenz des Rohrs sind eine Funktion des Massendurchflusses in den Rohren bzw. der Dichte der Flüssigkeit. Daher können die Signale des Messgeräts so interpretiert werden, dass sie den Massen- oder Volumendurchfluss messen und sicherstellen, dass die gewünschte Flüssigkeitsmenge transportiert wird.

Ebenso führt eine Erhöhung der Flüssigkeitsviskosität zu einer stärkeren Dämpfung der Schwingungen. Die Schwingfrequenz ist hauptsächlich ein direktes Maß für die Flüssigkeitsdichte. Beispielsweise sind Schwingungen bei einer Substanz wie Öl (geringere Dichte und höhere Viskosität) schneller, aber stärker gedämpft als bei einer Flüssigkeit wie Wasser (höhere Dichte und niedrigere Viskosität). Die Messung der Frequenz und Dämpfung von Schwingungen ermöglicht die Bestimmung von Dichte und Viskosität sowie die Überwachung der Prozessqualität bezogen auf den Flüssigkeitsfluss. Die gleichen physikalischen Effekte gelten für ein Objekt, beispielsweise einen Ausleger, der in einer sich bewegenden Flüssigkeit schwingt.

Viskoakustisches Beispiel

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

Dr. Vivek Kumar, leitender Experte für numerische Simulation bei Endress+Hauser Flow, der Niederlassung von Endress+Hauser, die diese Durchflussmesser herstellt (Abbildung 1), arbeitet an der Verbesserung der Sensorleistung. Seine Modellierungsarbeit hat seinem Team geholfen, die akustischen, strukturellen und Fluidströmungseffekte in ihren Durchflussmessern auf einer tieferen Ebene zu verstehen. Das Verständnis, wie sich die Fluid-Struktur-Interaktion und die Vibroakustik auf die Leistung eines Sensors auswirken, ermöglichte es ihnen, verschiedene Designanpassungen vorzunehmen, um die Leistung und Qualität des Messgeräts zu verbessern.

Das Team begann seine 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, die die Änderung der Rohrschwingungsfrequenz für verschiedene Flüssigkeitsviskositäten und die daraus resultierende mechanische Verschiebung zeigen (links). Ein visuelles Beispiel der Rohrverformung aufgrund der oszillierenden Bewegung (rechts). (Bild:COMSOL)

Mit der Software COMSOL Multiphysics® analysierten sie die Auswirkungen der Flüssigkeitsviskosität auf die Schwingfrequenz des Rohrs. Abbildung 2 zeigt ihre Simulationsergebnisse zur Vorhersage der Frequenz sowie der Verschiebung des Rohrs für Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität. Mit der Fähigkeit, die physikalischen Effekte, die eine Verschiebung des Frequenzausgangs des Messgeräts verursachen, zu simulieren und besser zu verstehen, ist das Team in der Lage, diese Effekte zu nutzen, um die Leistung des Messgeräts zu verbessern. In diesem Fall wird die Variation der Rohrdämpfung genutzt, um die Auswirkungen der Viskosität auf den gemessenen Dichtefehler zu kompensieren.

„Wir wollten verstehen, wie sich unterschiedliche Flüssigkeiten auf die Sensorleistung auswirken“, sagte Kumar. „Mithilfe der Simulation konnten wir verschiedene Fälle analysieren und letztendlich unser Gerätedesign optimieren, um unseren Kunden dabei zu helfen, Materialeigenschaften für die Flüssigkeiten zu charakterisieren, die sie verwenden oder extrahieren.“

Beispiel im Mikromaßstab

Abbildung 3. MEMS-Coriolis-Chip zur Dichte- und Viskositätsmessung. Links ist der komplette Sensor zu sehen, der von einer Zange gehalten wird. Rechts ist das Chip-Layout im Inneren des Geräts dargestellt. (Bild:COMSOL) Abbildung 4. Zwei Eigenmoden des oszillierenden Mikrokanals. Die Farbe kennzeichnet die relativen Verschiebungsniveaus verschiedener Bereiche des Kanals. (Bild:COMSOL)

TrueDyne Sensors AG, eine Tochtergesellschaft von Endress+Hauser Flow, entwickelt MEMS-Geräte nach 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 wichtig zu wissen, welcher Oszillatortyp für bestimmte Fälle die beste Empfindlichkeit bietet.

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

Abbildung 5. Thermische Ergebnisse, die die Temperatur im MEMS-Coriolis-Chip in 2D (oben) und 3D (unten) zeigen. (Bild:COMSOL) Abbildung 6. Ein bei Endress+Hauser entworfener magnetisch-induktiver Durchflussmesser Promag W 400 ohne Ein- oder Auslaufstrecke (0 x DN). Die Elektroden sind im Rohrinneren sichtbar. Eine Polyurethan-Auskleidung sorgt für die elektrische Isolierung zwischen Rohr und Flüssigkeit. (Bild:COMSOL)

Eine besondere Herausforderung bei einem so kleinen Gerät besteht darin, dass die Hochspannung, die zur Ansteuerung der Anregungen verwendet wird, bei einem Stromausfall zu einer Erwärmung des Geräts führen kann. Angesichts dieses Sicherheitsrisikos führten sie eine thermische Analyse durch (Abbildung 5), um festzustellen, wo im Chip Wärme abgeführt wurde und ob die Flüssigkeit zu heiß werden würde. Es wurde bestätigt, dass die Temperatur den Grenzwert nicht überschritt, da die Vakuumkammer den Strömungskanal umgab und die Wärmeübertragung zwischen den Elektroden und der Flüssigkeit minimierte.

Optimierung elektromagnetischer Durchflussmesser

Eine andere Art von Durchflussmessern sind elektromagnetische Durchflussmesser, die sich die Lorentzkraft zunutze machen. Die Lorentzkraft wirkt auf geladene Teilchen, die sich durch ein Magnetfeld bewegen (Abbildung 6). Bei diesen Durchflussmessern sind die Partikel die Ionen einer leitenden Flüssigkeit, die Bewegung kommt von der Flüssigkeit, die durch das Rohr fließt, und das Magnetfeld wird von einer Reihe von Spulen erzeugt, die sich über und unter dem Rohr befinden. Das Ergebnis ist ein elektromagnetisches Potential über dem Rohr, das mit einem Elektrodenpaar gemessen werden kann. Das Signal liegt typischerweise nur in der Größenordnung von einigen hundert mV pro m/s; Bei richtiger Auslegung ist das gemessene Potenzial proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und unabhängig von der Leitfähigkeit.

Die Simulation elektromagnetischer Durchflussmesser erfordert eine Multiphysik-Modellierungssoftware, um das von den Spulen erzeugte Magnetfeld und die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung im Rohr zu berechnen und diese zur Berechnung des elektrischen Potenzials zu kombinieren (Abbildung 7). Elektromagnetische Durchflussmesser werden typischerweise mit einer Messgenauigkeit von wenigen Bruchteilen eines Prozents spezifiziert, daher müssen die Simulationen äußerst genau sein. Bei Endress+Hauser Flow nutzten die Simulationsexperten Dr. Simon Mariager und Dr. Simon Triebenbacher solche Simulationen, um eine der Haupteinschränkungen elektromagnetischer Durchflussmesser zu beseitigen:die Empfindlichkeit gegenüber dem Strömungsprofil.

Abbildung 7. Ein Multiphysikmodell eines elektromagnetischen Geräts. Der Spulenstrom wird als rote Pfeile dargestellt und die Stromlinien zeigen die magnetische Feldstärke im Inneren des Durchflussmessers. Das farbenfrohe Scheibendiagramm zeigt die Geschwindigkeitsgröße am Einlass des Durchflussmessers. Dieses inhomogene Strömungsprofil wurde durch einen vorgeschalteten 90-Grad-Bogen erzeugt (nicht dargestellt). Die halbe Scheibe in der Mitte zeigt die viel homogenere Gewichtsfunktion des 0 x DN-Volldurchgangssensors, was auf ein Design hinweist, das vom Strömungsprofil und den damit verbundenen Störungen unabhängig ist. (Bild:COMSOL)

Während herkömmliche elektromagnetische Durchflussmesser überraschend robust sind, führen Änderungen im Strömungsprofil – beispielsweise nach einer Biegung in der Rohrleitung – durchaus zu Messfehlern. Aus diesem Grund empfehlen die Hersteller, dass diese Durchflussmesser vor dem Sensor eine bestimmte Einlauflänge an geradem Rohr haben (typischerweise das Zehnfache des Nenndurchmessers). Dieses empfohlene Design kann jedoch die Installation elektromagnetischer Durchflussmesser zu einem anspruchsvollen Prozess machen, da sie für Rohrgrößen von einigen Millimetern bis zu mehreren Metern erhältlich sind. Die Einlauflänge zu eliminieren, war das Ziel eines aktuellen Entwicklungsprojekts bei Endress+Hauser Flow. Die Aufgabe bestand darin, die Gewichtsfunktion des Durchflussmessers zu optimieren. Theoretisch erfordert dies, dass die Krümmung der Gewichtsfunktion überall Null ist, aber das ist mit realen Geometrien mathematisch nicht möglich.

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

Bedürfnisse des Unternehmens und der Kunden bedienen

Für das Simulationsteam von Endress+Hauser waren die Funktionalitäten der Software COMSOL Multiphysics® hilfreich bei der täglichen Forschungs- und Entwicklungsarbeit zur Optimierung und Entwicklung von Durchflussmessgeräten. Die Multiphysik-Analysen liefern ihnen Einblicke, die den gesamten Zeit- und Arbeitsaufwand für Tests und Prototyping reduzieren und es ihnen ermöglichen, Sensoren höchster Qualität herzustellen.

Dr. Christof Huber, Chefexperte für fortschrittliche Sensortechnologie bei Endress+Hauser Flow, fühlt sich inspiriert, wenn er sieht, wie seine Modelle zu Änderungen am Gerätedesign führen, die das Erlebnis der Kunden von Endress+Hauser verbessern. „Diese Tools werden verwendet, um die Probleme der Kunden zu lösen; wir sehen, dass dies in der Praxis funktioniert, unsere Innovation in der Praxis; wir sehen den Nutzen, den Grund, warum wir das tun“, sagte Huber.

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