Wie man Vibrationen bei der Nutzung von Coriolis-Massendurchflussmessern beherrschen kann

Die Coriolis-Instrumente eignen sich perfekt für Low-Flow-Anwendungen in der Schwerindustrie, jedoch müssen sie hier mit allen Arten von Vibrationen fertig werden. In diesem Blog möchte ich Ihnen von meinen Erfahrungen zu diesem Thema berichten.

Ferdinand Luimes
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Ein Coriolis-Massendurchflussmesser ist ein sehr genaues Gerät und hat viele Vorteile gegenüber anderen Messgeräten. Jedes Messprinzip hat jedoch seine Herausforderungen, so auch das Coriolis-Prinzip. Die Coriolis-Instrumente eignen sich perfekt für Low-Flow-Anwendungen in der Schwerindustrie, jedoch müssen sie hier mit allen Arten von Vibrationen fertig werden. In diesem Blog möchte ich Ihnen von meinen Erfahrungen zu diesem Thema berichten.

Das Coriolis-Prinzip

Coriolis Massendurchflussmesser bieten viele Vorteile gegenüber anderen Messgeräten. In erster Linie messen Coriolis-Durchflussmessgeräte direkt den Massenstrom. Dies ist ein wichtiges Merkmal für die industrielle Anwendung, da hierdurch Ungenauigkeiten umgangen werden, die durch die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit zustande kommen. Neben diesem Vorteil sind Coriolis-Instrumente sehr genau, haben eine sehr gute Wiederholgenauigkeit, nutzen keine beweglichen mechanischen Teile, weisen einen hohen dynamischen Bereich auf und bieten noch viele weitere Vorteile.

Beeinflussen Schwingungen die Messgenauigkeit eines Coriolis-Massendurchflussmessers?

In industriellen Anwendungen sind sehr häufig alle möglichen Arten von Schwingungen mit unterschiedlichen Amplituden anzutreffen. Ein Coriolis-Messgerät misst einen Massenstrom mit einem vibrierenden Sensorrohr, dessen Schwingung beim Durchströmen der Flüssigkeit absichtlich außer Phase gerät. Wie im Video am Ende dieses Artikels erklärt.

Diese Messtechnik ist durchaus empfindlich gegenüber unerwünschten Vibrationen mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz der Sensorröhre. Diese hängt von der Sensorrohrkonstruktion ab und kann beispielsweise 360 Hz betragen, oder einer höheren harmonischen Frequenz entsprechen, wie im Bild unten dargestellt wird.

Abb. 1: Coriolis-Durchflussmesser reagieren nur auf Resonanz- oder harmonische Frequenzen empfindlich Abb. 1: Coriolis-Durchflussmesser reagieren nur auf Resonanz- oder harmonische Frequenzen empfindlich

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser unerwünschten Vibrationen ist in einer industriellen Umgebung erhöht. Hersteller von Coriolis-Durchflussmessgeräten tun ihr Möglichstes, um den Einfluss von Vibrationen auf den Messwert durch gebräuchliche technische Lösungen zu reduzieren, wie zum Beispiel:

  • höhere Fahrfrequenzen
  • zwei Sensorröhren
  • verschiedene Sensorformen
  • Masseblöcke
  • passive und aktive Vibrationskompensation

Es stimmt somit, Vibrationen können die Messgenauigkeit Ihres Coriolis-Durchflussmessers beeinflussen, jedoch nur, wenn die Schwingungen eine Frequenz nahe der Resonanzfrequenz aufweisen. Was kann man dagegen tun? Dies hängt von der Art der Vibration ab.

Welche Arten von Vibrationen existieren?

In einem Industriegebiet können Frequenzen erzeugt werden durch:

  • umweltrelevante Vibrationsquellen (zum Beispiel: LKWs, Schienenverkehr, Industrieaktivitäten)
  • Schwingungsquellen auf Gebäudebasis (mechanische und elektrische Anlagen, z. B. Klimaanlagen)
  • nutzungsabhängige Vibrationsquellen (installierte Geräte und Maschinen, z. B. Pumpen, Förderbänder).
  • Diese Vibrationen werden durch ein Material wie den Boden, die Luft, durch Rohre oder durch die Flüssigkeit selbst übertragen. Wenn diese Vibrationen die Coriolis-Frequenz stören, könnte die Messung des Durchflusses in gewissem Maße falsch abweichen.

Um die Auswirkungen von Vibrationen zu minimieren, ist es nützlich, die Quellen zu identifizieren. Manchmal ist es möglich, den Durchflussmesser nur ein kleines Stück zu versetzen, ihn zu drehen (Coriolis-Durchflussmesser sind in den meisten Fällen weniger empfindlich gegen Vibrationen, wenn der Zähler um 90 Grad gedreht wird), einen großen Masseblock, flexible Rohre oder U-Biege-Metallrohre zu verwenden sowie alternativ auf Federungen zurückzugreifen.

Wie können Sie die Leistung eines Coriolis-Durchflussmessers überprüfen?

Ein gut funktionierender Durchflussmesser und -regler liefert das beste Prozessergebnis. Daher ist es ratsam, einen Coriolis-Durchflussmesser in seiner Anwendung zu testen, wenn Sie starke industrielle Vibrationen erwarten, bevor Sie ihm voll vertrauen. Seien Sie vorsichtig beim Filtern des Messsignals. In einigen Fällen ist dies sinnvoll (z.B. wenn eine schnelle Reaktion nicht erforderlich ist), aber wenn Sie die Leistung eines Durchflussmessers testen möchten, kann die Filterung Ihre Beurteilung beeinträchtigen.

Abb. 2: Coriolis-Durchflussmesser im Einsatz Abb. 2: Coriolis-Durchflussmesser im Einsatz

Wenn der Coriolis-Durchflussmesser unter bestimmten Umständen nicht so funktioniert, wie er sollte, sieht der Bediener eine Verschiebung in der Prozessleistung - zum Beispiel in einer Anwendung, die Farbe zu einem Reinigungsmittel dosiert, kann es durch falsche Dosierung zu unterschiedlichen Produktfarben kommen / oder zu unerwartetem Messsignalverhalten. In diesen Fällen ist es sinnvoll, das rohe Messsignal (ohne Filter!) zu überprüfen, da es einen guten Einblick in die Leistung des Durchflussmessers gibt. Fragen Sie Ihren Lieferanten des Durchflussmessers, wie Sie die gesamte Signalfilterung ausschalten können.

Standards in Bezug auf Vibrationen

Bemerkenswerterweise ist der Einfluss von externen Schwingungen für Coriolis-Durchflussmesser in keiner Norm definiert. Es gibt mehrere Normen bezüglich Vibrationen, aber keine nimmt Bezug auf die Messgenauigkeit im Zusammenhang mit Vibrationen. Zwei nützliche Standards sind jedoch:

  • IEC60068-2, Umweltprüfungen für elektronische Geräte in Bezug auf Sicherheit
  • MIL STD 810, Umwelttechnische Überlegungen zu Schock, Transport und Verwendung

Als Anwender von Coriolis-Durchflussmessgeräten ist es wichtig, Ihre Anwendung zu verstehen, insbesondere hinsichtlich potentieller externer Vibrationsquellen. Als Coriolisspezialisten mit geringem Durchfluss arbeiten wir mit erfahrenen Partnern wie der Universität Twente und TNO (einer niederländischen Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung) zusammen, um ein verbessertes Verständnis dieses Themas zu erlangen.

Mit hauseigenen Testständen sind wir in der Lage spezielle Vibrationstests durchführen. Zusammen mit den Erfahrungen, die wir aus Kundenanwendungen und kundenspezifischen Lösungen gewonnen haben, streben wir stets danach, unsere Coriolis-Durchflussmessgeräte immer weiter zu verbessern, um unseren Kunden die bestmögliche Leistung zu bieten.

Sehen Sie sich unser Video zum Coriolis-Prinzip an.

Erfahren Sie mehr über das Coriolis-Messprinzip und unsere Produktepalette.

Bestimmung kleiner Volumenströme mit Ultraschallwellen - Der neue ES-FLOW™

Der neue ES-FLOW, Ultraschall-Durchflussmesser, misst mehrere Flüssigkeiten, ist einfach zu reinigen, unempfindlich gegenüber Vibrationen und enthält eine integrierte PID-Regelung.

Erwin Eekelder
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Immer mehr Firmen in verschiedensten Industriebereichen gehen in Richtung kleiner Durchflüsse. Insbesondere in der chemischen Industrie, in der Lebensmittel- und in der Pharmabranche geht der Trend in Richtung kontinuierlicher Produktionsprozesse, Vermeidung von Abfällen, geringerer Standzeiten und höherer Flexibilität. Dies erfordert die Messung und Regelung kleiner Durchflüsse.

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Ultraschall-Messgeräten für größere Durchflüsse mit Rohrquerschnitten ab etwa 1 Zoll bzw. 25 mm. Es ist allerdings ungleich schwieriger, einen Ultraschall Durchflussmesser für kleinere Rohrdurchmesser zu bekommen. Herkömmliche Ultraschall-Durchflussmesser arbeiten entweder auf Basis des Doppler-Effektes oder über eine Transitzeit-Messmethode. Beide Methoden sind geeignet für große Rohrquerschnitte, stoßen aber bei kleineren Durchmessern an ihre Grenzen.

Wie sieht es aus mit Ultraschall-Durchflussmessungen bis 1500 ml/min oder weniger?

Aufgrund der Komplexität von Physik und Technik gibt es in diesem speziellen Strömungsbereich nicht viele Messprinzipien, insbesondere keine Ultraschall-Durchflussmesser. Die große Herausforderung bestand also darin, eine Lösung für Ultraschall in Rohren mit sehr kleinen Durchmessern zu finden. In enger Zusammenarbeit mit TNO (niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung) konnte Bronkhorst® mit der Ultraschallwellentechnik ein innovatives Instrument entwickeln. Diese Technologie wird in der neuen ES-FLOW ™ -Serie zur Messung von Flüssigkeitsvolumenströmen zwischen 4 bis 1500 ml/min unabhängig von Flüssigkeitsdichte, Temperatur und Viskosität mit einer Genauigkeit von 1% RD ± 1 ml/min angewendet.

Wie arbeitet der neue Ultraschall-Durchflussmesser?

Der ES-FLOW ™ basiert auf Ultraschalltechnologie. Die Messung erfolgt in einem geraden Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 1,3 mm, ohne Hindernisse oder Totvolumina. An der Außenseite des Sensorrohres befinden sich mehrere Ultraschall-Sensoren (Transducer Discs), die durch radiale Oszillation Ultraschallwellen erzeugen. Jeder Messumformer kann senden und empfangen, daher werden alle Up- und Downstream-Kombinationen aufgezeichnet und verarbeitet. Durch genaues Messen der Zeitdifferenz zwischen den Aufnahmen (Nanosekundenbereich) werden die Strömungsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Schalls berechnet. Bei der Kenntnis dieser Parameter und des exakten Röhrenquerschnitts ist der ES-FLOW ™ in der Lage, Flüssigkeitsvolumen zu messen. Das Alleinstellungsmerkmal dieses Instrumentes ist dessen Fähigkeit, die aktuelle Schallgeschwindigkeit zu messen. Das heißt, die Technologie ist unabhängig vom Medium und eine Kalibrierung auf das aktuelle Fluid ist nicht nötig. Dazu kann die Schallgeschwindigkeit als Indikator für die im Strömungsmesser vorhandene Flüssigkeitsart verwendet werden.

Bildbeschreibung

Vier Gründe für die Verwendung des ES-FLOW™ Ultraschall-Durchflussmessers:

1. Ein Sensor für mehrere Flüssigkeiten Viele Unternehmen haben wechselnde Prozessbedingungen und nutzen verschiedene Flüssigkeiten wie Additive oder Lösungsmittel. Da die ES-FLOW™ -Technik fluidunabhängig ist, wird bei Flüssigkeitswechsel keine Rekalibrierung benötigt. Auch nicht leitfähige Flüssigkeiten wie z.B. destilliertes bzw. demineralisiertes Wasser oder Lösemittel können gemessen werden.

2. Einfache Reinigung, geringes Verstopfungsrisiko Reinigungsprozesse sind häufig sehr zeitraubend. Auf Grund des geraden Sensordesigns ohne Totvolumina haben Partikel und Verschmutzungen nur geringe Möglichkeiten, Ablagerungen zu bilden oder das Gerät zu verstopfen. Daher kann der Reinigungsprozess in wenigen Minuten durchgeführt werden, Ausfallzeiten werden so auf ein Mindestmaß limitiert.

3. Unempfindlich gegenüber Vibrationen Die Ultraschallmessung ist unempfindlich gegenüber Vibrationen, weil er nicht mit Schwingungsfrequenzen oder Rotation arbeitet. Außerdem hat es keinen Einfluss, ob die Strömung laminar oder turbulent ist.

4. Integrierte PID-Regelung und schnelle Reaktionszeit Die integrierte PID-Regelung kann zur Ansteuerung einer Pumpe oder eines Ventils benutzt werden. Der Anwender ist damit in der Lage, einen kompletten Regelkreis mit kurzen Reaktionszeiten aufzubauen.

Sie interessieren sich für Ultraschalltechnologie im Einsatz in der Aromendosierung? Schauen Sie mal in unseren Blog!

Kalibrierung von Infusionspumpen – zeitsparend und hochgenau

Wie lässt sich die Genauigkeit und die Geschwindigkeit bei der Kalibrierung von Infusionspumpen entscheidend verbesser?

Marcel Katerberg
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Wir von Bronkhorst als Spezialisten für kleine Durchflüsse sehen immer wieder überraschende Applikationen und technische Herausforderungen. Diese Woche möchte ich Ihnen eine neue Kalibriertechnik vorstellen, um die Performance von Infusionspumpen zu verbessern.

Infusionspumpen sind in der Medizintechnik weit verbreitet, sie arbeiten nach verschiedenen Funktionsprinzipien zur Förderung unterschliedlicher Flüssigkeiten.

  • Volumetrische Pumpen werden in der Regel für Nährlösungen und zur Hydratation bei höheren Fördermengen von bis zu 1L/h eingesetzt.
  • Spritzenpumpen werden meist für die genaue Dosierung von kleinen Durchflussmengen von bis zu 1 ml/h oder weniger eingesetzt.

Gängige Spritzenpumpen zeigen den Sollwert an, geben aber keine Rückmeldung über die tatsächlich dosierte Menge. Deswegen müssen solche Pumpen regelmäßig auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Ein regelmäßige Kontrollroutine mit einer vorgegebenen Durchflussmenge oder einem vorgegebenen Durchflussbereich ist also unerlässlich, damit sicher gestellt ist, dass die Förderung der Flüssigkeit aus der Pumpe den Anforderungen der Applikation entspricht. Zusätzlich wäre es hilfreich, die Leistung einer Pumpe für Referenzzwecke oder Qualitätskotrollen zu überwachen.

Darüber hinaus haben wir von Medizintechnikern erfahren, dass es derzeit zwei Hauptkalibrierverfahren für Infusionspumpen gibt;

Volumetrisches Messprinzip

Das erste Verfahren arbeitet mit volumetrischen Messprinzipien. Diese Methode benötigt in der Regel eine größere Durchflussmenge und ein Mindestvolumen, um eine angemessene Genauigkeit innerhalb eines akzeptablen Zeitraums zu erreichen. Dies schränkt die Möglichkeit ein, Spritzenpumpen bei geringsten Fördermengen und in kritischen Anwendungen schnell zu überprüfen und es besteht das Risiko, dass sich der Kalibrierprozess eventuell als ungenau oder sehr zeitraubend erweist.

Distanzmessprinzip

Die zweite Technik besteht darin, die Entfernung zu messen, die der Kolben einer Spritzenpumpe über einen bestimmten Zeitraum zurücklegt. Dieser Wert wird verwendet, um eine Zahl der Hübe zu extrapolieren. Diese Technik wird in der Regel von den Herstellern der Instrumente bestimmt und bringt eine hohe Ungenauigkeit bei der Addition der manuellen Messmethode, weil sich hier die Ungenauigkeit der Messskala, der Zeitmessung und der Pumpe addieren.

Wie verbessert man die Genauigkeit und Schnelligkeit bei der Kalibrierung von Infusionspumpen?

Nachdem wir einige Probleme der oben genannten Techniken identifiziert hatten, folgten Gespräche mit verschiedenen Arbeitsgruppen aus der medizintechischen Forschung und Entwicklung, die Spritzenpumpen-Kalibriersysteme verwenden. Bronkhorst hat sich der Herausforderung gestellt und in einer Studie neue Sensortechnologien und Techniken getestet, die die Geschwindigkeit und die Genauigkeit der Kalibrierung von Infusionspumpen verbessern könnten.

Um den Wert dieser Studie zu definieren, haben wir gemeinsam mit den Arbeitsgruppen mögliche Anwendungen identifiziert, bei denen eine genaue Dosierung ein kritischer Prozessparameter ist. Nachfolgend finden Sie diese Anwendungen:

  • Einsatz in der Pädiatrie - die kleinen Patienten sind besonders sensibel und anfällig für eine falsche Medikamentendosierung.
  • Medikamentendosierung bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten – es ist extreme schwierig hier einen relative genauen und stabilen Durchfluss zu realisieren.
  • Medikamente mit einen kleinen therapeutischen Band, bei denen eine hohe Genauigkeit noch wichtiger
  • Multi-Infusionssysteme, bei denen mehrere Pumpen an eine einzige Kanüle angeschlossen sind. Bei diesen Systemen kann die Compliance der verwendeten Spritzen und Schläuche zu großen Fehlern in der tatsächlichen Dosierung führen.

Intensive care

Coriolis – Durchflusssensoren für kleine Durchflüsse

Unsere Arbeitshypothese lautet, dass die Eigenschaften eines Coriolis-Sensors mit niedrigem Durchfluss die Genauigkeit und Ansprechzeit von Kalibriersystemen zur Kalibrierung von Spritzenpumpen verbessern können. Wir haben die Gültigkeit dieser Hypothese in einer internen Studie und in einem Krankenhaus in den Niederlanden nachgewiesen. Das Coriolis-Prinzip wurde aufgrund seiner bewährten Genauigkeit und Langzeitstabilität gewählt. Darüber hinaus können diese Geräte aufgrund ihres geringen Innenvolumens und des geringen Druckabfalls auch für die Prüfung komplexer Multiinfusionssysteme eingesetzt werden.

Die Antwort: Die Genauigkeit und die Geschwindigkeit bei der Kalibrierung von Infusionspumpen kann durch Coriolis-Durchflussmessung erheblich verbessert werden

Wir haben die Coriolis-Sensortechnologie gegen eine elektronische Analysenwaage im eigenen Haus getestet. Der Aufbau dieses Experiments wurde vom niederländischen Akkreditierungsrat genehmigt. Darüber hinaus haben wir eine Benchmark-Studie gegen ein Infusionskalibrierungssystem in einem Krankenhaus in den Niederlanden durchgeführt.

Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen, dass die Coriolis-Sensorik die Genauigkeit und Ansprechzeit der etablierten Messprinzipien in Kalibriersystemen übertreffen kann.

  • Erfahren Sie mehr über (mini) CORI-FLOW™ Instrumente kombiniert mit einem Ventil oder einer Pumpe und schauen Sie sich das Funktionsprinzip des mini CORI-FLOW Coriolis Massendurchflussmessers im folgenden Video an.

Die 10 hilfreichsten Tipps zur Installation Ihrer Massendurchfluss-Instrumente

Die 10 hilfreichsten Tipps von Graham Todd zur Installation Ihrer Massendurchfluss-Instrumente.

Graham Todd
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Die Performance Ihres Massendurchfluss-Instrumentes fängt schon bei der Installation an. Um Ihnen dabei unter die Arme zu greifen, habe ich hier ein paar einfache Hilfen aufgelistet, die Sie bei Ihrem thermischen Massendurchflussmesser oder -regler überprüfen können.

1) Montageposition des Durchflussmessers

Die Montageposition ist sehr wichtig. Bei Durchflussmessern ist die bevorzugte Einbaulage horizontal, Hochdruck-Geräte (>10 bar bei Instrumenten mit By-Pass) sollten immer horizontal eingebaut sein. Vermeiden Sie den Einbau in der Nähe von Vibrationen oder heizenden Quellen.

2) Störungen vermeiden

Vermeiden Sie scharfe Bögen - oder irgendwelche Objekte im Strömungsweg, die Turbulenzen verursachen können - direkt am Einlass und Auslass Ihres Durchflussmessgerätes, insbesondere bei hohen Durchflussraten. Wir empfehlen mindestens den 10-fachen Rohrdurchmesser als Abstand zwischen dem Bogen und dem Einlass des Durchflussmessgeräts. Wenn Sie wissen möchten, warum die Wahl der Rohrleitung für thermische Massendurchflussmesser wichtig ist, lesen Sie bitte unseren vorherigen Blog für weitere Tipps.

3) Typenschild (Seriennummer)

Lesen Sie das Typenschild des Instrumentes vor der Installation und überprüfen Sie die elektrischen Anschlüsse, den Durchflussbereich, das Medium, welches gemessen werden soll, den Eingangs- und Ausgangdruck, die Betriebstemperatur, die ATEX-Klassifizierung (wenn vorhanden), sowie die Ein- und Ausgangssignale. Überprüfen Sie auch das Dichtungsmaterial auf Beständigkeit gegenüber dem Prozessgas.

4) Elektrische Entladung (ESD)

Das Durchflussmessgerät enthält elektronische Bestandteile, die empfindlich auf elektrostatische Entladungen (ESD) reagieren, einem plötzlichen Stromfluss zwischen zwei elektrisch unterschiedlich geladenen Objekten, die sich berühren. Berührung mit elektrisch geladenen Personen oder Gegenständen, könnte diese Komponente gefährden oder sogar zerstören.

5) Druck

Üben Sie keinen Druck mit dem Medium aus, bevor die elektrischen Anschlüsse hergestellt sind. Wenn Druck auf das System ausgeübt wird, müssen Druckstöße vermieden und der Druck schrittweise erhöht werden.

6) Rohrleitungen

Stellen Sie vor der Installation des Gerätes sicher, dass die Rohrleitungen des Systems sauber sind. Um einen feuchtigkeits- und ölfreien Gasstrom zu gewährleisten, sollten immer Filter installiert werden,. Es wird stets empfohlen, einen Inline-Filter vor dem Massendurchflussmesser oder Controller zu installieren. Falls Teile des Mediums zurück fließen könnten, sollte ein nachgeschalteter Filter oder ein Rückschlagventil berücksichtigt werden.

7) Installation in der Leitung

Installieren Sie den Massendurchflussmesser oder den Regler in der Leitung und ziehen Sie die Verschraubungen gemäß den Anweisungen des Lieferanten der Verschraubungen fest.

8) Rohrdurchmesser

Vermeiden Sie Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser bei hohen Durchflussraten, da der Einlaufstrahl die Genauigkeit beeinträchtigt und zu hohen Druckabfällen über den Rohrleitungen und Adaptern führen kann. Die Wahl des richtigen Rohrdurchmessers ist ebenfalls wichtig, um den Effekt der Turbulenz so gering wie möglich zu halten.

9) Leckagen

Überprüfen Sie Ihr System immer auf mögliche Leckagen. Besonders bei der Verwendung toxischer oder explosiver Medien oder anderer gefährlichen Flüssigkeiten.

10) Einschaltung

Das Instrument sollte vor Betrieb 30 Minuten zum Aufheizen und Stabilisieren mit Strom versorgt werden. Dies kann mit oder ohne Mediumsdruck erfolgen.

Ich hoffe dies waren hilfreiche Tipps, die Ihnen bei Ihrer nächsten Installation eines Massendurchflussmessers oder –reglers nutzen Sollten Sie weitere Fragen haben oder denken, dass einige Punkte zu kurz gekommen sind, lassen Sie es mich bitte wissen. Wir bei Bronkhorst freuen uns, aus Ihrer Erfahrung zu lernen.

Lesen Sie auf unserer Internetseite häufig gestellte Fragen (FAQs) nach.

Hier finden Sie auch unsere kurze Installationsanleitung für Durchflussinstrumente.

Produkt- und Prozessoptimierung - Rapid Prototyping und 3D-Druck in der industriellen Produktion

Rapid Prototyping und 3D-Druck bei Bronkhorst im Einsatz für bessere Produkte und Prozesse. In unserem antuellen Blog berichtet unser Kollege Jeroen van Hal über den Einsatz von 3D-Drucktechniken bei Bronkhorst.

Jeroen van Hal
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Viele von uns haben einen Tintenstrahl- oder Laserdrucker zu Hause, um Texte und Bilder auf Papier zu drucken. In einer Erweiterung dazu tauchen bereits 3D-Drucker in unseren Haushalten auf, um Gadgets, Schmuck und andere Dinge herzustellen. 3D-Druck wird immer beliebter, es werden große Online-Plattformen eingerichtet, auf denen Open-Source-Designs wie Pinshape für jedermann zugänglich sind. Der 3D-Druck, auch Additive Manufacturing genannt, ist ein neuartiges Produktionsverfahren, bei dem "echte dreidimensionale" Produkte Schicht für Schicht von Grund auf neu hergestellt werden. Dies ist das genaue Gegenteil von herkömmlichen Bearbeitungsvorgängen wie Bohren, Fräsen oder Schneiden, bei denen Materialstücke abgetragen werden, um das Produkt zu erhalten.

Rapid Prototyping

3D-Druck wird oft mit dem Begriff “Rapid Prototyping” in Verbindung gebracht, der von Forschungs- und Entwicklungsteams verwendet wird, um eine physikalische Darstellung einer neuen Erfindung (Prototyp) zu erstellen. Diese Prototypen werden für Tests und Validierungen benutzt.

Auf professioneller Ebene wird der 3D-Druck bereits zu einer beliebten Lösung, um Produkte in kleinen Serien, schnell und maßgeschneidert herzustellen. Die generative Fertigung von Bauteilen aus Polymeren und Metallen findet bereits im fortgeschrittenen Maßstab statt, parallel dazu nimmt der 3D-Druck auf keramischer Basis zu.

3D-Druck bei Bronkhorst

3D-Drucker sind sehr nützlich in der Produktionsumgebung. Hier bei Bronkhorst werden sie sowohl in der Produkt- als auch in der Prozessentwicklung eingesetzt. Es ist wirklich eine neue und sehr praktische Art der Herstellung geworden.

Wir verwenden mehrere 3D-Drucker vor allem für Visualisierungszwecke, also für „Rapid Prototyping“ - und um nützliche Werkzeuge zu drucken, die die Herstellung von Massendurchflussreglern und Messgeräten erleichtern. Vor dem Einsatz des 3D-Drucks musste der Prototyp eines Bauteils in einem externen Werkzeugbau hergestellt werden, was einige Zeit - und Investitionen - in Anspruch nahm, bis es fertig war. Durch den Einsatz des 3D-Drucks konnten wir unsere Produktivität steigern: Es ist viel schneller, ein Bauteil oder ein Werkzeug selbst zu drucken.

Innerhalb weniger Stunden können wir so das Design eines Bauteils evaluieren: wird es so funktionieren, wie die Ingenieure bei Bronkhorst es erwarten? Ein weiterer Vorteil ist auch, dass bei kleinen Stückzahlen keine Investitionen in die Herstellung einer Form mehr benötigt werden.

Neben der Geschwindigkeit hat 3D-Druck aber noch weitere Vorteile. Es ist viel angenehmer, mit einer realen Komponente - mit einem Plastikmodel, dass man anfassen und von allen Seiten betrachten kann - umzugehen als mit einer 3D-Grafik. So eine Grafik sieht zwar sehr gut aus, aber sie ist eben nicht real. Darüber hinaus funktioniert die Kommunikation zwischen F&E, Technik und Produktion umso besser, je öfter Sie eine Komponente in der Hand haben. Welches sind die Hauptprobleme, auf die wir stoßen werden, was können die Risiken eines neuen Designs sein? In unserer F&E-Abteilung dient der 3D-Druck hauptsächlich dazu, die Funktionalität eines Designs zu testen. Im nächsten Schritt nutzt dann Konstruktionsabteilung diese Erkenntnisse, um das Design realisierbar und umsetzbar zu machen.

Kooperationen mit externen Partnern

K3D, eine Tochterfima der Kaak Group in Terborg, besitzt den ersten echten industriellen 3D-Drucker für Metall. Seit September 2016 ist der Drucker voll einsatzbereit. Die MetalFab1-Maschine basiert auf dem selektiven Laserschmelzen (SLM), einem 3D-Druckverfahren, bei dem eine Schicht Metallpulver abgeschieden und ein Teil dieser Pulverpartikel mittels Lasertechnik selektiv miteinander verschmolzen wird. Es ist der erste lokale Schritt in der realen Produktion von Metallteilen mit einem 3D-Drucker.

Kaak wandte sich an sieben Unternehmen in der Region, um gemeinsam mit der 3D-Technik zu experimentieren, mit dem Ziel, den östlichen Teil der Niederlande in ein "Print-Valley" zu verwandeln. Bronkhorst hat regelmäßig Zugriff auf den Drucker. Unsere Ingenieure suchen ständig nach Möglichkeiten, den Produktionsprozess von Durchflussmessern zu verbessern. Wir suchen z.B. nach Möglichkeiten, weitere Funktionen in die Instrumente zu integrieren, ohne den modularen Aufbau zu stören. Darüber hinaus sind lokale Bildungseinrichtungen eingeladen, ihre Schüler mit dieser Technologie vertraut zu machen.

3D-Drucker

Abb. 1: 3D-Drucker im Einsatz für Bronkhorst

Massendurchflussregler für 3D-Drucker

Neben der Tatsache, dass wir den 3D-Druck für unsere eigene Produkt- und Prozessentwicklung einsetzen, geht es auch umgekehrt: Massendurchflussregler werden in 3D-Druckern für Metalle eingesetzt. Beim selektiven Laserschmelzen ist eine Inertgasatmosphäre erforderlich, die die zu schmelzenden Metallpulverpartikel im Inneren des 3D-Druckers schützt und eine Oxidation des Metalls während des Laserschmelzens durch Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft verhindert. Dazu muss je nach Metall ein inertes Schutzgas verwendet werden: Argon für Stahl und Titan und Stickstoff für Aluminium. Bronkhorst unterstützt die Hersteller von 3D-Druckern mit einem System, das die Durchflüsse der Schutzgase erzeugt und kontrolliert.

3D-Druck ist eine Art der additiven Fertigung, eine neuartige Produktionstechnik, die für Bronkhorst unerlässlich ist, um mit allen neuen Trends auf dem Markt für Produkt- und Prozessentwicklung Schritt zu halten.

Egbert van der Wouden
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Weltweit sind Anlagenbauer und Geräteentwickler auf der Suche nach einer Vereinfachung und Integration ihrer Gas-, Flüssigkeits- oder Dampfströmungsprozesse. Sie bevorzugen integrierte Plattformen, die kompakt, robust und zuverlässig sind und sogar verschiedene Arten von Sensorik enthalten.

In diesem Blog möchte ich Ihnen ein Vorschau auf unsere „Toolbox“ geben, die bei Bronkhorst entwickelt wird. Eine der Komponenten, an der wir arbeiten, ein Mikro-Coriolis-Massenstromsensor, ist bereits in unserem vorherigen Blog 'Miniaturisierung extrem' enthalten.

Warum entwickeln wir eine Toolbox der nächsten Generation?

Immer häufiger berichten uns unsere Kunden von ihrem Bedarf an Miniaturisierung und der Notwendigkeit, einen Komplex verschiedener Parameter zu steuern, um so den hohen Anforderungen der Anwender gerecht zu werden. Das gilt für den Life-Science-Markt ebenso wie für Hersteller von Analysegeräten, aber auch Märkte, in denen die Online-Gaskonzentration gemessen wird fordern immer kleinere und multifunktionale Systeme.

MEMS- Technologie

Diese Bedürfnisse hat uns veranlasst, an der nächsten Stufe der Sensorentwicklung zu arbeiten und so den zukünftigen Bedarf der Anlagen- und Gerätebauer zu unterstützen. Diese Neuentwicklung beinhaltet eine MEMS-basierte Technologie (Micro Electro Mechanical System). MEMS-Technologie gibt Ihnen als Anwender die Möglichkeit, mehr als nur den Durchfluss auf einem kundenspezifischen System zu messen, das aus einem oder einer Kombination von Sensoren bestehen kann.

Parameterliste

Abb.1: Parameter und Sensorik

Beispielsweise kann eine gemessene physikalische Eigenschaft verwendet werden, um den Typ des Mediums zu identifizieren, wenn diese Eigenschaft für dieses Medium eindeutig ist. Ist z.B. das Medium eine Mischung aus zwei Gasen, so kann die Dichte genutzt werden, um die Zusammensetzung dieser binären Mischung zu analysieren.

Weitere Parameter, die man sich vorstellen kann, sind der Zuckergehalt einer Flüssigkeit (Grad Brix) genannt, oder die Wärmekapazität, die zur Messung von Öl-Wasser-Gemischen verwendet werden kann.

Kurzum, diese neuen Konzepte werden entwickelt, um unsere Kunden bei der Lösung ihrer technologischen Herausforderungen der nächsten Generation zu unterstützen.

Multi-Parameter Sensorchips

Hier einmal ein Beispiel aus unserem Kundenkreis, das Bronkhorst veranlasst hat ein Projekt zur Miniaturisierung von Baugrößen zu starten: Bronkhorst erhielt die Anfrage, mehrere physikalische Eigenschaften eines Gases mit mehreren Sensoren zu messen. Bestimmt werden sollte:

  • Wärmekapazität (cp)
  • Dichte (ρ)
  • Wärmeleitfähigkeit (λ) und
  • Viskosität (η)

Um diese Eigenschaften zu analysieren, werden mehrere Einzelsensoren wie z.B. ein Coriolis-, Thermal-, Druck- und Dichtesensor benötigt. Um zu beweisen, dass die Kombination mehrerer Sensoren in Kombination mit der Elektronik die Anforderungen des Kunden erfüllen kann, wurde ein Demonstrationsmodell entwickelt. Dieses Demonstrationsmodell enthielt kommerziell erhältliche Produkte, die in einem System kombiniert wurden.

Demonstationsmodell

Abb.2: Demonstationsmodell mit bereits bestehnder Sensorik

Die Erkenntnisse aus dem Demonstrationsmodell helfen dem Projektteam dabei, den genauen Umfang der Multiparameter-Chip-Alternative zu definieren.

Ein wichtiger Aspekt der Sensorleistung ist die Stabilität, insbesondere wenn mehrere Sensoren kombiniert werden, um Informationen über das Medium im System zu ermitteln. In der Abbildung 1 wird gezeigt, dass wir die Viskosität mit einer Kombination aus Massenstrom, Dichte und Differenzdruck bestimmen können. Mit dem oben gezeigten Demonstrationsmodell haben wir getestet, ob die Viskosität eines Mediums über längere Zeiträume unabhängig von Raumtemperaturänderungen genau gemessen werden kann. Die Messung der Viskosität kann für einige Anwendungen interessant sein, z.B. bei Erdgas, wo Viskosität und Brennwert stark korreliert sind. Die Graphik zeigt, dass alle Messwerte für die Viskosität in einem Bereich von 0,5 % liegen.

Testergebnisse Sensorstabilität

Abb.3: Testergebnisse der Sensorstabilität über einen Testzeitraum von 84 Stunden

Im nächsten Schritt sollen die gleichen Funktionalitäten auf einer viel kleineren Grundfläche kombiniert werden. Das folgende Konzept zeigt die Möglichkeiten, die benötigten Parameter auf Chip-Ebene zu kombinieren.

Multisensor-Design

Abb.4: Ein Blick in die Zukunft: Multisensor-Design

Bronkhorst® Flow Solutions

Für Anlagenbauer und Gerätehersteller auf der ganzen Welt, die eine Vereinfachung und Integration ihrer Gas-, Flüssigkeits- oder Dampfströmungsprozesse suchen, kann Bronkhorst bereits bei der Entwicklung und Lieferung von 100% kundenspezifischen Durchflusslösungen helfen, die die Anforderungen des Kunden vollständig erfüllen.

Für weitere Informationen zu kundenspezifischen Lösungen und Neuigkeiten aus unserer Entwicklungsabteilung kontaktieren Sie uns bitte per E-Mail ([email protected]) oder sprechen Sie uns an (+41 617159070).

Schon in verschiedenen früheren Blogs sind Ergebnisse solcher Entwicklungs-Prozesse vorgestellt worden:

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