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Was heißt eigentlich "nutzbarer Bereich" bei einem Massendurchflussregler?

Ist der "nutzbare" Bereich eines Massendurchflussreglers das gleiche wie der „Regelbereich“? Bevor wir diese Frage klären, ein kurzer Exkurs darüber, was ein Massendurchflussregler (MFC) ist und wo er eingesetzt wird.

MFCs kombinieren einen Durchflusssensor, ein Regelventil und eine integrierte Steuerelektronik in einem relativ kompakten, integrierten Gerät. Dieses Gerät kann die Durchflussrate einer bestimmten Flüssigkeit oder eines Gases automatisch messen und steuern und so exakt eine zuvor definierte Durchflussrate einhalten.

Massendurchflussregler kommen in einer Vielzahl unterschiedlicher Industrien und Anwendungsbereiche zum Einsatz. Dazu gehören unter anderem die Herstellung von Halbleiter-Chips, die Prozessforschung in der Chemie, die Glas- und Metallbeschichtung, die Herstellung von Solarzellen und Glasfasern, die Lebensmittelverarbeitung sowie biotechnologische Prozesse. 

Was also versteht man unter dem nutzbarem Bereich und für wen ist dieser Wert relevant? Lassen Sie mich mit einem Vergleich beginnen. Wenn Sie ein Auto kaufen, das eine Höchstgeschwindigkeit von 400 km/h erreicht, wie groß ist dann der nutzbare Bereich?

Die Antwort hängt von ganz unterschiedlichen Faktoren ab, zum Beispiel, ob Sie auf einer deutschen Autobahn oder im Stadtgebiet von New York City fahren. Aber wir sind uns wohl alle einig, dass die Fähigkeit, so schnell zu fahren und die Möglichkeit, diese Fähigkeit voll auszunutzen, zwei völlig verschiedene Dinge sind. Autofahrer in New York beschleunigen kaum einmal auf über 80 km/h, so dass der gesamte Bereich von 80 bis 400 km/h ungenutzt bleibt. Die mögliche Leistung bietet unter den gegebenen Umständen also keinen praktischen Nutzen.

Ganz ähnlich verhält es sich auch mit dem Regelbereich eines MFC. Ein großer Regelbereich klingt erst einmal gut, aber ob er sich wirklich nutzen lässt, ist eine andere Frage.

Denn dies hängt von der spezifischen Art der Anwendung ab. Die Anforderungen bei einer Anwendung in der Prozessforschung sind komplett andere als in der Getränkeindustrie oder bei der PVD-Beschichtung.

Das bringt uns zurück zu den MFCs und den Kriterien, die Einfluss auf den nutzbaren Bereich haben. Wenn vom nutzbaren Bereich die Rede ist, dann ist der Bereich von der maximalen messbaren Durchflussrate des Geräts (auch „Full Scale“ genannt, Abkürzung „F.S.“) bis zum Minimum gemeint. Insgesamt also der Bereich, in dem das Gerät aussagekräftige Ergebnisse für den Prozess liefert.

Das Minimum wird oft durch die Fähigkeit des Durchflusssensors begrenzt, ein sauberes, stabiles und möglichst genaues Signal zu liefern. In anderen Fällen ist die Fähigkeit des Steuerventils, eine stabile Durchflussregelung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Durchflüssen aufrechtzuerhalten, der limitierende Faktor. 

Die folgende Tabelle zeigt einige Genauigkeitsspezifikationen typischer MFCs sowie eines Durchflussmessers mit variablem Regelbereich zum Vergleich. Die Tabelle zeigt darüber hinaus mehrere Punkte über die verfügbare Reichweite des Gerätes und hebt Bereiche hervor, in denen das Gerät für einige Anwendungen eventuell nicht verwendbar ist.

Usable Range Turndown Ratio

Wenn der Fehler des Geräts bei einer bestimmten Durchflussrate 100% oder mehr beträgt, gilt das Gerät in diesem Bereich normalerweise als unbrauchbar. Beim Durchflussmessgerät für variable Bereiche liegt der Fehler in % der Rate bei über 10:1, wenn der Regelbereich 100 % der Rate überschreitet. Dieser Bereich wird rot hervorgehoben.

Genauso werden in den anderen Spalten die typischen MFC-Genauigkeitsspezifikationen dargestellt. Abhängig von der Genauigkeitsspezifikation kann der nutzbare Bereich bis zu 250:1 betragen, so wie bei der Brooks SLA-Serie.

Die Fähigkeit des Ventils, eine stabile Regelung bei niedrigen Durchflussraten bzw. breitem Regelbereich aufrechtzuerhalten, ist die nächste Überlegung. Ein Gerät kann nur so weit herunterregeln, wie es seine maximale Leckage-Rate am Ventil vorbei vorgibt. Da es sich um Regelventile und NICHT um Absperrventile handelt, hängt die Fähigkeit des Ventils, sehr niedrige Durchflussmengen zu regeln, davon ab, dass dieses Ventil fast so dicht wie ein Absperrventil ist.

Dies hängt von der Art des Steuerventils, dem Werkstoff, dem vollen Skalenbereich des Geräts ab, sowie von der Einstellung des Geräts für die Reaktionsgeschwindigkeit. Wenn Sie ein 100-sccm-Gerät (niedrige Durchflussmenge im Vollskalen-Bereich) mit einem 1000:1-Regelbereich haben, muss das Ventil auf weniger als 0,1 sccm "absperren". Wenn Sie ein Ventil mit einem großen Regelbereich, einem Elastomerventilsitz und einer vertretbaren (relativ trägen) Reaktionszeit haben, ist diese Art des "Abschaltens" / Regelbereichs machbar.

Bei anspruchsvolleren Anwendungen jedoch, bei denen der Ventilsitz aus Metall oder PTFE besteht, der Leitungsdruck hoch ist (reduzierter Regelbereich des Ventils) oder das dynamische Ansprechverhalten auf schnelle Reaktion abgestimmt ist, wird die Fähigkeit dieses Regelventils zum "Absperren" beeinträchtigt.

Auch wenn die Geräte-Spezifikationen laut Datenblatt einen breiten Regelbereich zulassen, sollten Sie die praktischen Grenzen dieses Ventils und seine Fähigkeit zum "Abschalten" deshalb genau studieren. 

Turndown Ratio Equation

Für wen ist nun der nutzbare Bereich relevant und interessant? Die meisten Nutzer von Durchflussmess- und -Regelgeräten achten auf den Regelbereich, vor allem aber auf den nutzbaren Bereich. In einigen Fällen können Sie die Anzahl der in einem System erforderlichen MFCs reduzieren (und damit Ihr Ersatzteil-Lager), wenn Sie einen größeren nutzbaren Bereich einsetzen.

Bei Dünnschicht-Abscheidungsanwendungen (Halbleiter-, Solarzellen, Glasfaser-, Metall- und Glasbeschichtung) beispielsweise kann es mehrere Schritte im Prozess geben, einige mit hohen und andere mit niedrigen Durchflussraten. Ein Gerät mit einem großen nutzbaren Bereich führt dazu, dass Sie weniger verschiedene MFCs benötigen, um das ganze Spektrum erforderlicher Durchflussmengen abzudecken. Bei diesen Anwendungen bestimmen Sie in der Regel den Sollwert, der die gewünschten Ergebnisse liefert und verlassen sich auf die Wiederholgenauigkeit des Geräts, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

In der chemischen und petrochemischen Forschung gilt: Je größer der nutzbare Bereich, desto mehr Flexibilität erhält der Anwender durch das Gerät. Aber bei diesen Anwendungen wird oft eine Massenbilanz über alle Zufuhren, Abgänge, Produkte und Abfälle erstellt. Die Genauigkeit spielt dabei eine sehr wichtige Rolle. Je wichtiger jedoch der Wunsch nach hoher Genauigkeit ist, umso engere Grenzen setzt dies für den nutzbaren Bereich.

Einige Prozesse in der Biotechnologie erfordern extrem niedrige Sauerstoff-Zuflussraten während des Starts. Diese Durchflussraten steigen jedoch schnell an. Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Dünnschichtanwendung braucht der Anwender möglicherweise weniger MFCs in der Sauerstoffzufuhr. Dazu müssen die MFCs gute, konsistente Ergebnisse mit geringem Signal-Rausch-Verhältnis und kurzen Reaktionszeiten liefern. 

Flow Meter Usable Range Turndown

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der nutzbare Bereich jedes Instruments sowohl von den praktischen Grenzen des Geräts als auch von den Anforderungen der Anwendung abhängen. Je höher die Anforderungen an die Genauigkeit, desto kleiner ist der nutzbare Bereich. Stellen Sie also sicher, dass Sie die Anwendungsanforderungen und die Grenzwerte des Gerätes unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen aufeinander abstimmen.

Möchten Sie weitere Informationen zu unserem SLA-Biotech-Paket mit verbesserter Ventilabsperrung, weitem Regelbereich, verbesserten Materialien, Zertifizierungen und Zulassungen? Oder haben Sie Fragen rund um Durchfluss- und Druckmessungs- sowie Steuerungsanwendungen? Dann stehen Ihnen die Experten von Brooks Instrument gerne beratend zur Seite.

Steve Kannengieszer
Direktor für Marketing

Steve ist Director of Marketing, Massendurchflussprodukte bei Brooks Instrument mit Verantwortung für Coriolis, thermischen Massenfluss und Druckprodukte.

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