Die Bedeutung der Durchflussmessung mit Durchflussrichtung
Die Bedeutung der Durchflussmessung mit Durchflussrichtung
Einleitung
Der VPFlowScope®- Druck luftdurchflussmesser basiert auf einem einzigartigen Messprinzip. Damit lässt sich nicht nur die Durchflussmenge, sondern auch die Durchflussrichtung messen. Warum ist das wichtig? In diesem Artikel stellen wir zwei Beispiele vor, in denen die bidirektionale Durchflussmessung entscheidend ist, um zu den richtigen Schlussfolgerungen zu gelangen. Im ersten Beispiel beschreiben wir den Fall einer Elektronikfertigungsanlage, die über ein großes, miteinander verbundenes Ringnetzwerk mit zwei Kompressorräumen verfügt, die sich in verschiedenen Gebäuden befinden. Die beiden Kompressorräume sind etwa 150 Meter voneinander entfernt. Im zweiten Beispiel wird die Auswirkung der Durchflussmessung vor einem lokalen Empfangstank beschrieben.
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Thermabridge™-Technologie
Der weltweit erste thermische Massendurchflusssensor auf Siliziumbasis (nichtSilikon!) wurde vor 40 Jahren, im Jahr 1974, von Anton van Putten, einem der Gründer VPInstruments, erfunden. Sein einzigartiges Design kann als Vorlage für viele thermische Massendurchflusssensoren angesehen werden, die in der Automobilindustrie, in HLK-Anlagen und in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen. Der ursprüngliche Thermabridge™-Sensor kombiniert die Messung der Durchflussrichtung mit der thermischen Massendurchflussmessung über einen gesamten Bereich von 0 bis 150 mn/sec. Dies ermöglicht die Durchflussmessung in komplexen Ringnetzen, in denen andere Durchflussmesser sehr unzuverlässige Messergebnisse liefern würden. Wer hätte gedacht, dass seine Erfindung für die genaue Messung von Druckluft einmal so wichtig werden würde?
Fall 1. Zwei Kompressorräume
Bei einem großen Hersteller von Elektronikkomponenten wird Druckluft im gesamten Produktionsprozess eingesetzt: in Spritzgussmaschinen (Handhabung und Verpackung der Produkte), beim Bestücken und Platzieren von Bauteilen sowie beim Beschichten und Galvanisieren von Metallteilen. Es wurde ein Energiemanagementprogramm initiiert, um den Gesamtenergieverbrauch des Werks zu senken. Druckluft war einer der Versorgungsleistungen besonderer Aufmerksamkeit bedurften. Die Kompressoren im Werk waren ziemlich alt (> 10 Jahre) und es gab aus Effizienzsicht Verbesserungspotenzial. Um den richtigen Kompressor auszuwählen, musste das Bedarfsprofil der Fabrik gemessen werden. Das Unternehmen erkannte jedoch, dass eine permanente Überwachung der Schlüssel zu langfristigen Einsparungen ist. Anstatt also eine Wirtschaftsprüfungsgesellschaft mit einer einmaligen Prüfung zu beauftragen, entschied man sich für VPInstruments eine permanente Überwachungslösung VPInstruments implementieren. Diese könnte später auch auf andere Versorgungsleistungen ausgeweitet werden.
In Phase 1 des Projekts haben wir vier Durchflussmesser installiert, um uns ein klares Bild vom durchschnittlichen Bedarf zu verschaffen. Nach einigen Monaten stießen wir jedoch auf eine interessante Situation, in der herkömmliche, nur in eine Richtung messende Luftdurchflussmesser unbrauchbare Ergebnisse lieferten. In diesem speziellen Fall führte ein Rückfluss in Richtung der Auffangbehälter zu falschen Messwerten, was erhebliche Messfehler zur Folge hatte.
Systembeschreibung
Die folgende Abbildung zeigt einen vereinfachten Aufbau des Druckluftsystems. Das Druckluftsystem bestand aus zwei Kompressorräumen (A und B). Von diesen beiden getrennten Kompressorräumen wird ein Druckluft-Ringnetz gespeist. Die Kompressorräume werden über ein druckgesteuertes Regelsystem gesteuert.
Im Kompressorraum B sind zwei Durchflussmesser in einem Ringnetzwerk installiert, um die von einem Kompressor in das Netzwerk geförderte Luft zu messen. Zwischen diesem Kompressor und dem Netzwerk befindet sich ein großer Sammelbehälter (5 m3) installiert ist.
In Raum A befanden sich drei Schraubenkompressoren von Atlas Copco (ZR3A, ZR3A, ZR145). Die Maschinen wurden für den täglichen Grundlastbetrieb eingesetzt. Jeder Kompressor ist mit einem Trommeltrockner ausgestattet, der die Kompressionswärme nutzt. Zwischen den Rohrleitungen und den Kompressoren sind zwei große Druckbehälter installiert, 5 m3 jeweils. Von den Sammelbehältern führen zwei separate Leitungen Luft zu den Produktionsprozessen.
Eine Rohrleitung ist mit einem anderen Gebäude verbunden, in dem sich der Kompressorraum B befindet. Die Entfernung zwischen den beiden Kompressorräumen beträgt etwa 150 Meter.
Rückstrom oder nicht?
Nachdem wir uns die Konfiguration des Kompressorraums B genauer angesehen hatten, kamen wir zu dem Schluss, dass es bei ausgeschaltetem Kompressor zu einem Rückstrom kommen muss. Die folgenden Bilder veranschaulichen diesen Effekt im Detail.
Kompressor in Raum B ausgeschaltet: Verhalten des Druckbehälters
Während der Entlade- und Stillstandszeiten zeigten die beiden Durchflussmesser für einen Einwegstrom einen Verbrauch an, obwohl man eigentlich einen Durchfluss von Null erwarten würde. Der große Vorratsbehälter wird von den anderen Kompressoren (aus Raum A) befüllt, wenn der lokale Luftbedarf im Ringnetz gering ist, und er speist Luft in das Netz ein, wenn der lokale Bedarf hoch ist. Sie können sehen, dass die
Der Auffangbehälter als großer Ballon, der mit dem Netzwerk interagiert.
Kompressor in Raum B eingeschaltet – Situation „zunehmender Verkehr“
Wenn der Kompressor unter Last läuft, wird Druckluft in das Ringnetz eingespeist. An der T-Verzweigung mischt sich der Luftstrom mit dem bestehenden „Verkehr“, je nachdem, wie der Verbrauch in den Ringleitungen ausgeglichen ist. Ist der Verbrauch gut ausgeglichen, kann er vollkommen symmetrisch sein (50 % links, 50 % rechts), doch wenn der Verbrauch auf einer Seite deutlich höher ist, verteilt sich der Luftstrom anders. Auch ein pulsierender Bedarf kann die Strömungsverteilung für kurze Zeit verändern.
Die vom Kompressor kommende Luft vermischt sich mit der Luft, die bereits durch das Ringnetz strömte. Dies kann zu einem zu hohen oder zu niedrigen Messwert führen, je nach tatsächlichem Bedarf und der daraus resultierenden Strömungsrichtung.
Unidirektional versus bidirektional
Ein unidirektionaler Durchflussmesser kann nicht erkennen, aus welcher Richtung die Luft strömt. Dies führt zu erheblichen Messfehlern. Dies gilt für die meisten thermischen Massendurchflussmesser, die auf thermischer Dispersion, Anemometrie bei konstanter Temperatur und ähnlichen Verfahren basieren. Weitere Beispiele für unidirektionale Durchflussmesser sind Wirbelzähler und Turbinenzähler, wenn sie über einen Standard-Impulsgeber ausgelesen werden (der eigentliche Zähler am Turbinenzähler dreht sich dann rückwärts). Venturi-Messgeräte sind ebenfalls unidirektional. Das Differenzdrucksignal wird nicht negativ, wenn sich die Durchflussrichtung umkehrt. Blendenmessgeräte können zwar auch Rückfluss messen, sind jedoch aufgrund ihres permanenten Druckverlusts für Druckluft nicht besonders geeignet.
Durch Aktivieren der bidirektionalen Messfunktion des VPFlowScope wird eine Änderung der Strömungsrichtung sofort sichtbar. Nun wird die Rückströmung in den Diagrammen als negative Werte dargestellt. Werfen wir einen Blick auf einige reale Daten: In den folgenden Grafiken zoomen wir auf einen bestimmten Zeitraum der Messungen im Kompressorraum B. Die Originaldaten der bidirektionalen Durchflussmesser wurden so aufbereitet, dass der Unterschied zwischen bidirektionalem und unidirektionalem Durchfluss sichtbar wird.
Am Ende dieses Zeitraums ist der Effekt sehr deutlich zu erkennen: Der Kompressor schaltet sich ab. In der linken Grafik, in der sich die beiden bidirektionalen Durchflussmesser gegenseitig aufheben, beträgt der resultierende Durchfluss nahezu Null. In der rechten Grafik hebt sich der Durchfluss nicht auf, was zu einem Störsignal von fast 13 m³/min führt.
Reicht eine unidirektionale Verbindung aus?
Man könnte sagen: Warum korreliert man dies nicht mit den Daten zum Ein- und Ausschalten des Kompressors? Wenn sich der Kompressor im ausgeschalteten oder im „Unload“-Zustand befindet, weiß man, dass der Durchfluss gleich Null ist, sodass man dies ausgleichen kann. Wir halten dies jedoch nicht für die beste Lösung des Rückstromproblems, da es andere (tatsächliche) Ursachen für den Rückstrom geben könnte, die unbemerkt blieben. Zum Beispiel ein undichtes Rückschlagventil, eine undichte Dichtung oder ein Abblaseventil. In diesem speziellen Fall fanden wir eine undichte Kompressordichtung. Dieses Leck hätte jährlich 1.314 Euro kosten können, und die Reparatur kostete nur 500 Euro. Ein weiteres Leck wurde in einem Trockner gefunden. Auch dieses Leck befindet sich stromaufwärts des Durchflussmessers, sodass es unbemerkt bleiben würde, wenn der Durchflussmesser unidirektional ist. Einsparungen: 2.102 Euro pro Jahr. Behebt durch den Austausch eines Schlauchs für 100 Euro.
Fall 2. Dezentrale Empfänger
In manchen Fällen wird ein dezentraler Pufferspeicher eingesetzt, um die Spitzenlast im Netz „abzufedern“. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Maschine ein stark schwankendes Verbrauchsverhalten aufweist. Eine häufig gestellte Frage lautet: Wo soll der Durchflussmesser platziert werden, und was zeigt er an, wenn die Maschine ausgeschaltet ist? Dieser Teil des Artikels basiert auf einem älteren Audit in einer Kartoffelverarbeitungsanlage, bei dem wir einen standardmäßigen thermischen Massendurchflussmesser ohne bidirektionale Empfindlichkeit verwendet haben. Das Bild unten zeigt den Aufbau.
Versuchsaufbau: Der Durchflussmesser am Verbrauchsort wurde zwischen dem Vorratsbehälter und den Ringleitungen installiert. Warum? Weil stromabwärts des Absperrventils nicht genügend gerader Leitungslänge vorhanden war.
Der Prüfer rief uns nach ein paar Tagen an, um die Ergebnisse zu besprechen. Der Durchflussmesser zeigte einen erheblichen Verbrauch an, während die Maschine vom Netz getrennt war. Der Auffangbehälter diente lediglich als lokaler Puffer für Maschinen, die weiter in der Leitung nachgeschaltet waren. Er wurde entsprechend dem Verbrauch der nachgeschalteten Maschinen befüllt und entleert, was zu erheblichen Messwerten am thermischen Massendurchflussmesser führte. In diesem Fall wurde das Problem schließlich gelöst, indem die Daten während der Zeit, in der die Maschine ausgeschaltet war, ignoriert wurden. In anderen Fällen gibt es jedoch möglicherweise keine Möglichkeit, lokale Aktionen oder Ereignisse mit den Daten in Zusammenhang zu bringen. In solchen Fällen kann die Betrachtung der Daten eines unidirektionalen Durchflussmessgeräts zu falschen Schlussfolgerungen führen.
Weitere Probleme, die Sie mit bidirektionalen Sensoren feststellen können:
Bidirektionale Durchflussmesser können in vielen Druckluftsystemen wichtige Probleme aufdecken. In diesem Artikel haben wir zwei Fälle beschrieben, in denen bidirektionale Sensoren entscheidend sind, um die richtigen Schlussfolgerungen zu ziehen.
Weitere Beispiele, bei denen Sie Probleme aufzeigen können:
Undichte Rückschlagventile direkt hinter dem Kompressor oder undichte Kondensatabläufe. Der bidirektionale Durchflussmesser zeigt Ihnen an, wann dies geschieht.
- Undichte Abflüsse im Ölabscheider oder unter dem Nasssammeltank
- Das Rückschlagventil schließt nicht vollständig
- Das Entlüftungsventil schließt nicht vollständig
- Schwingungen im Rohrleitungsnetz werden als Verbrauch gewertet, anstatt als Durchfluss nahe Null
Zusammenführung der Ergebnisse mithilfe virtueller Kanäle
In der zentralen VPVision können die Daten von zwei (oder mehr) Durchflussmessern mithilfe eines virtuellen Kanals zu einem Signal zusammengefasst werden. Der Kanal addiert bzw. subtrahiert alle Messwerte entsprechend ihrer Durchflussrichtung. Die daraus resultierenden Werte können in Echtzeit-Diagrammen und Berichten verwendet werden.
Schlussfolgerungen
• Für die Durchflussmessung in Ringnetzen sind bidirektionale Durchflussmesser entscheidend für korrekte Ergebnisse.
• Nur bidirektionale Durchflussmesser liefern korrekte Daten, wenn sie zwischen den Auffangbehältern und dem Druckluftnetz installiert werden.
• Unidirektionale Durchflussmesser zeigen bei Rückfluss einen positiven Durchfluss an, was zu falschen Schlussfolgerungen über das Systemverhalten führen kann.
• Mit moderner Energieüberwachungssoftware lassen sich bidirektionale Durchflussmesser in einem virtuellen Kanal zusammenfassen.
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