Gebruik van massflowmeters in de auto-industrie

Gebruik van massflowmeters in de auto-industrie

Marlies Slutter
Cover Image

De auto-industrie is de grootste ter wereld. Hier wat feiten op een rij:

  • Er worden jaarlijks zo'n 99 miljoen voertuigen geproduceerd (bron: European Automobile Manufacturers Association).
  • De grootste autoproducerende landen zijn China, Japan, Duitsland, India en Zuid-Korea (2017).
  • Er bestaan tussen landen grote verschillen in de gemiddelde afstand die jaarlijks per auto wordt afgelegd. Zo bedraagt die afstand in de VS ongeveer 21.500 km/jaar, terwijl In Europa het gemiddelde op 12.000 km/jaar ligt (bron: Odyssee).
  • Een auto heeft gemiddeld 30.000 onderdelen (source: Netstar).

Veel mensen gaan zowel naar hun werk als op vakantie met de auto. Dat geldt voor mijzelf ook. Ik zit elke dag in de auto maar ik heb er onderweg naar Ruurlo eigenlijk nooit bij stilgestaan dat voor het maken van mijn auto flowmeters zijn gebruikt die wij zelf ontwikkelen. Jullie wel? Toen ik er eens over na ging denken, kwam ik tot de ontdekking dat onze flowmeters een rol spelen bij heel veel toepassingen in de auto-industrie; waarschijnlijk niet bij alle onderdelen, maar toch zeker wel bij een paar. Er zijn drie interessante toepassingen van flowmeters in de auto-industrie die ik graag met jullie wil delen.

1. Juiste dosering van oplosmiddel

Een groot bedrijf produceert op de afdeling voertuigen een 'huid' die het dashboard van een auto bedekt om het een 'lederen look' te geven. De huid wordt geproduceerd door vloeibaar, gekleurd polyurethaan in een nikkelmal te spuiten. Om ervoor te zorgen dat de huid onbeschadigd uit de mal komt, wordt gebruikgemaakt van een extern oplosmiddel, dat op het maloppervlak wordt aangebracht voordat het polyurethaan wordt ingespoten. Voor de dosering van dit oplosmiddel werd Bronkhorst gevraagd om een geschikte massflowregelaar te leveren.

auto dashboard

2. Testen van klepzittingen

Klepfabrikanten maken gebruik van druk-degradatiemethoden om metaal-op-metaal klepzittingen te controleren. De nieuwe generatie automotoren werkt met een hogere druk. Fabrikanten hebben nieuwe methoden nodig voor het testen op lekken om gelijke tred te houden met de behoeften van de klant. Recent heeft Bronkhorst goede contacten gehad met fabrikanten van kleppen en machines voor het testen van klepzittingen. Het ging daarbij om het uitvoeren van lage-flowmetingen als alternatieve methode om tot betere prestaties te komen.

klepzitting

3. Simulatie van uitlaatgassen voor het testen van de lambdasonde

Elke moderne auto met een verbrandingsmotor heeft een zelfcontrolerende manier om de motorprestaties te optimaliseren. Een lambdasonde, een sensor in het uitlaatgedeelte van de auto, meet het zuurstofgehalte van de uitlaatgassen van de auto. Dit zuurstofgehalte, de 'lambda-waarde', is een maat voor de effectiviteit van het verbrandingsproces in de motor van een auto. De onderzoeksafdeling van een autofabrikant moet de prestaties van deze lambdasondes met verschillende uitlaatgassamenstellingen testen. Hiervoor hebben ze een kunstmatige uitlaatlijn gebouwd waarin ze geen echt uitlaatgas gebruiken, maar de samenstelling van de uitlaatgassen van een auto simuleren. Zij vroegen Bronkhorst om hiervoor massflowregelaars te leveren.

uitlaat

Hernieuwbare energie in de auto-industrie

Behalve voor toepassingen bij autofabrikanten (of leveranciers voor de auto-industrie) worden instrumenten van Bronkhorst ook gebruikt voor onderzoek aan universiteiten naar hernieuwbare energiebronnen voor de automobielsector, of bij wedstrijden waar universiteiten aan deelnemen. Green Team Twente bijvoorbeeld probeert de meest efficiënte waterstofauto te bouwen. In dit blog vertellen ze over het onderzoek dat ze doen.

Het Solar Team Twente neemt deel aan de World Solar Challenge, die om de twee jaar wordt gehouden. De deelnemende teams krijgen de opdracht een auto te ontwerpen die enkel op zonne-energie in maximaal zes dagen van Noord- naar Zuid-Australië kan rijden, een afstand van 3.000 kilometer. Bronkhorst is een van de sponsoren van dit team. Lees meer in ons nieuwsartikel.

Afbeeldingsomschrijving

Een derde hernieuwbare energiebron waar onderzoek naar wordt gedaan is hydrozine (mierenzuur). Lotte Pleging van Team FAST legt in haar blog uit waarom zij gelooft dat hydrozine (HCOOH) een serieuze kandidaat is om fossiele brandstoffen te vervangen en vertelt zij over de rol van de thermische massflowmeters van Bronkhorst bij het opwekken van deze hernieuwbare brandstof.

Afbeeldingsomschrijving

Wilt u op de hoogte worden gehouden van de laatste ontwikkelingen in flowmeting?

Welke rol spelen flowmeters bij de verwerking van suikerbieten?

Welke rol spelen flowmeters bij de verwerking van suikerbieten?

Erwin Broekman
Cover Image

Waarom houdt (bijna) iedereen van snoep, frisdrank, koekjes en taart? Al deze producten bevatten suiker, en daardoor smaken ze zo lekker. Maar waar komt die suiker vandaan? Alle groene planten produceren suiker via fotosynthese. Van alle planten bevatten suikerbieten en suikerriet de grootste hoeveelheden suiker; daarom worden die planten meestal gebruikt om suiker uit te halen. In dit blog kijken we naar de verwerking van suikerbieten en naar de rol die de flowmeters van Bronkhorst in dit proces spelen.

Convergence Industry B.V. is een leverancier van op maat gemaakte meet- en regelsystemen voor vloeistoffen en gassen. Bij het onttrekken van suiker aan suikerbieten ontdekte een van de klanten van Convergence dat het bij toepassing van membraanfiltratie mogelijk was om meer componenten uit de suikerbiet te halen dan alleen suiker. Daarvoor werd een op maat gemaakt nanofiltratiesysteem op laboratoriumschaal gebruikt.

Membraanfiltratie

Membraanfiltratie is een zuiveringsproces van hoge kwaliteit dat gebruik maakt van geavanceerde technieken. Hoe werkt dat? Een eenvoudige manier om membraanfiltratie uit te leggen, is de vergelijking met koffie zetten. Als u water in een koffiefilter vol koffiebonen giet, wilt u dat daar koffie uit komt zonder schillen van de koffiebonen. Daar zorgt het filter voor. Op een ander niveau lijkt dit op waterfiltratie waarbij u de ionen wilt wegfilteren, zodat u van zeewater drinkwater kunt maken. Zo simpel is het!

Samenwerking met Convergence voor membraanfiltratie

Voor de membraanfiltratie kan een ‘Convergence inspector Colossus’ worden gebruikt. Dit is een op maat gemaakt, volledig automatisch nanofiltratiesysteem op laboratoriumschaal, en dat is interessant. Felix Broens (Chief Technology Officer van Convergence Industry B.V.) legt uit hoe dit systeem werkt:

”In het nanofiltratiesysteem wordt water toegevoerd waarin een fosfaatvrije antiscalant is gedoseerd. Met een hogedrukpomp wordt het systeem onder druk gezet, waardoor een deel van het water door het membraan wordt geperst (permeaat). Het deel van het water dat niet door het membraan kan (retentaat) wordt teruggevoerd naar waar het water is toegevoerd. Een extra pomp in de recirculatiebuis zorgt voor een hogere stroomsnelheid over het membraanoppervlak, waardoor de verontreiniging van het membraan zelf vermindert. Uiteindelijk kan het permeaat worden gebruikt als schoon water voor verschillende toepassingen."

“De antiscalant wordt gebruikt om kalkvorming op het membraan te voorkomen door een complex van metaalhoudende ionen te vormen dat ze in de retentaatstroom houdt, zodat ze uit het systeem gevoerd kunnen worden. En omdat we een fosfaatvrije en biologisch afbreekbare antiscalant gebruiken, zijn er geen schadelijke effecten voor het milieu.”

Afbeeldingsomschrijving

Bronkhorst flowmeters in membraanfiltratie

Het hart van het nanofiltratiesysteem wordt gevormd door een Coriolis massflowmeter van Bronkhorst, die het proces regelt. Er wordt een Coriolis flowmeter gebruikt omdat die ook de dichtheid kan meten, wat belangrijk is bij suikerhoudende oplossingen. De flowmeter wordt aan de 'schone' kant van het proces geplaatst, dus achter het membraan, waar het permeaat stroomt (de flow van het gezuiverde product). De mate van scheiding van het membraan kan worden beïnvloed door zowel de flowsnelheid als de druk. Daarom is een Coriolis flowmeter met een groot bereik de beste optie voor het meten van een groot testbereik.

Door dit systeem van Convergence kon hun klant het proces enorm verbeteren. Voordat het Convergence-systeem werd gebruikt, was het een handmatig proces dat veel tijd kostte en niet altijd nauwkeurig was. Nu is het hele proces geautomatiseerd met behulp van op de klant toegesneden Convergence-software waarmee de Coriolis massflowmeter nauwkeurig via de pomp kan worden geregeld, waardoor ook de permeaatflow nu nauwkeurig en snel wordt geregeld. Vergeleken met voorheen zorgt dit voor een goede reproduceerbaarheid, betrouwbaarheid, gegevensregistratie en kortere doorlooptijden voor het experiment. Met dit op maat gemaakte systeem op laboratoriumschaal kan voldoende residu worden gemaakt voor testdoeleinden, zonder dat het proces hoeft te worden opgeschaald naar een proefinstallatie.

Afbeeldingsomschrijving

Bekijk de Coriolis-flowmeters die voor deze toepassing beschikbaar zijn.

Neem voor meer informatie over membraanfiltratie contact op met Convergence.

Wilt u op de hoogte worden gehouden van de laatste ontwikkelingen in flowmeting?

Massflowmeters verbeteren de waterzuivering en garanderen de volksgezondheid

Massflowmeters verbeteren de waterzuivering en garanderen de volksgezondheid

James Walton
Cover Image

Anglian Water Services (UK) zuivert water volgens de strengste normen, levert het aan miljoenen huishoudens en beheert het om te voorkomen dat er ergens tekorten ontstaan. Het bedrijf is een project gestart om de dosering van fosfaten in het waterleidingnet te optimaliseren en te regelen met behulp van flowregelaars.

De functie van orthofosforzuur in het waterleidingnet

Gewoonlijk worden fosfaten aan het drinkwater toegevoegd als corrosieremmer om uitspoeling van lood en koper afkomstig van leidingen en bevestigingen te voorkomen. Er worden anorganische fosfaten (bijvoorbeeld fosforzuur, zinkfosfaat en natriumfosfaat) aan het water toegevoegd om orthofosfaat te vormen, dat dient als beschermende coating van onoplosbare mineralen aan de binnenkant van waterleidingen en huisinstallaties. Deze coating dient als isolatielaag die voorkomt dat corrosieve elementen in het water sommige metalen in de leidingen oplossen. Daardoor blijven de lood- en koperconcentraties in het water laag, binnen de normen ter bescherming van de volksgezondheid.

Hoe verliep het oorspronkelijke proces?

In het oorspronkelijke proces mat een downstreamanalysator de concentratie orthofosforzuur in de hoofdstroom. Nadat de meetresultaten waren vergeleken met de vereiste concentratie, werden zij gebruikt om de pompsnelheid en daarmee de concentratie orthofosforzuur in de hoofdstroom aan te passen. Via dit proces kan Anglian Water Services de koper- en loodconcentraties in het water op een voor de volksgezondheid aanvaardbaar niveau houden. Toch was dit proces voor verbetering vatbaar; daarover gaat dit blog.

oorspronkelijk registratie proces Het oorspronkelijke registratieproces

Wat zijn de beperkingen in het oorspronkelijke proces?

Het reactieve terugkoppelingsmechanisme voor het doseren van fosfaten vormde niet de ideale methode. We konden niet snel genoeg op de veranderende hoofdstroom reageren en de dosis proportioneel verlagen of verhogen. Daartoe moesten we ervoor zorgen dat de dosering niet hoger was dan de wettelijke vereisten, ervan uitgaande dat het station de maximale stroming leverde. Het systeem leidde tot secundaire kosten doordat dubbele redundantie voor de analysator nodig was om te garanderen dat de concentraties orthofosforzuur ononderbroken worden gemeten.

Projectdoelstellingen

  1. Verlagen van de fosfaatconcentraties.
  2. Verlagen van de kosten die het bedrijf maakt om te voldoen aan de wettelijke milieunormen.
  3. Verwijderen van de downstreamanalysator en van de redundantie in het registratieproces.

Er zijn twee technologieën ter verbetering van het proces geëvalueerd: de delta P- en de Coriolis-technologie. De delta-P flow meter was het meest rendabel; hiermee konden we de stroom orthofosforzuur meten als volume, maar er zou een analoge signaalinvoer nodig zijn en de dosering zou proportioneel zijn aan de hoofdstroom. De Coriolis flow meter meet de massaflow rechtstreeks, hetgeen bij deze toepassing de voorkeur geniet boven volume flow. Tevens is het nauwkeuriger en beter herhaalbaar is, maar wel duurder. Ook deze technologie vereist een analoge signaalinvoer en past de dosis aan in verhouding tot de hoofdstroom.

Cori-Flow en Tuthill pomp Combinatie van mini CORI-FLOW en Tuthill-pomp

De beslissing werd grotendeel beïnvloed door de ‘Return on investment’ (ROI) die behaald kan worden; kortom, de periode waarin voldoende besparingen konden worden gerealiseerd. Tijdens de demonstratie van de Coriolis mass flow meter ontdekten we echter iets dat ons op andere gedachten bracht. De Coriolis flow meter gaf de dichtheid van de gemeten vloeistof als uitvoer.

Waarom was dat zo belangrijk?

Fosforzuur wordt verkocht als oplossing, meestal in een concentratie van 80%. Eerder ontdekten we dat er verschil zit in de werkelijke concentratie op het moment van toepassing.

We wisten reeds dat de Delta P- of de Coriolis-technologie ons kon helpen om het registratieproces te verbeteren. Nu konden we een stap verder gaan en een voorheen niet beschikbare, maar zeer belangrijke parameter gebruiken om de dosering echt te verfijnen.

De extra parameter "dichtheid" die de Coriolis mass flow meter kon leveren, gaf voor ons de doorslag. Daardoor kan de dosering in verhouding tot de hoofdstroom worden geregeld en gebruik worden gemaakt van de dichtheid/kwaliteit van het gebruikte fosforzuur.

nieuw doseersysteem voor fosforzuur Het nieuwe doseersysteem voor fosforzuur

Wat zijn de verwachte voordelen van de toepassing van flow meters:

Nu de eerste vijf installaties van deze technologie bijna draaien, verwachten we het volgende:

  1. Een stabiele concentratie orthofosforzuur in het waterleidingnet.
  2. Naleven van de verplichtingen t.a.v. de volksgezondheid door de watersector.
  3. Duidelijk minder toevoeging van fosforzuur aan het milieu.
  4. Dubbele kostenbesparing door verwijdering van de downstreamanalysatoren en lager verbruik van fosforzuur.

Anglian Water Services werkt volgens de "Love Every Drop"-benadering. Deze benadering is een visie op het functioneren van een moderne nutsvoorziening. De visie behelst het realiseren van een land met een bestendig milieu dat duurzame groei mogelijk maakt en dat de uitdagingen van de klimaatverandering het hoofd kan bieden. Verder van belang is het creëren van een infrastructuur die betaalbaar en betrouwbaar is, en die voldoet aan de behoeften van consumenten, gemeenschappen en het milieu. Ook mensen en gemeenschappen zouden bestendig moeten zijn. Fosforzuur heeft te maken met het concept van de eindigheid van hulpbronnen volgens Rockström et al., 2009. Anglian Water Services heeft het verbruik van fosforzuur in zijn processen weten te verminderen zonder afbreuk te doen aan de waterkwaliteit. Dat past in hun manier van werken.

Onze waterzuiveringsspecialisten helpen u graag bij al uw vragen op het gebied van waterzuivering. Neem contact met ons op!

Download de brochure

Omgaan met trillingen bij gebruik van Coriolis-massflowmeters

Het kan erg lastig zijn om Coriolis-instrumenten te gebruiken voor toepassingen met lage debieten in de zware industrie, waar je met allerlei trillingen te maken kunt krijgen.

Ferdinand Luimes
Cover Image

Coriolis-massflowmeters staan bekend als zeer nauwkeurige instrumenten en bieden een heleboel voordelen ten opzichte van andere meetapparatuur. Bij ieder meetprincipe horen echter uitdagingen, dus ook bij het Coriolis-principe. Het kan erg lastig zijn om Coriolis-instrumenten te gebruiken voor toepassingen met lage debieten in de zware industrie, waar je met allerlei trillingen te maken kunt krijgen. In deze blogpost vertel ik over mijn ervaringen op dit gebied.

Het Coriolis-principe

Zoals ik al zei hebben Coriolis-massflowmeters veel voordelen ten opzichte van andere meetapparaten. Allereerst meten Coriolis-instrumenten de massflow direct. Dit is belangrijk in de industrie, want zo voorkom je dat metingen onnauwkeurig worden door de fysieke eigenschappen van de vloeistof. Daarnaast zijn Coriolis-instrumenten erg nauwkeurig, leveren ze uitstekend herhaalbare metingen, bevatten ze geen bewegende mechanische onderdelen, hebben ze een groot dynamisch bereik, enz.

Tasten trillingen de nauwkeurigheid van een Coriolis-massflowmeter aan?

Bij industriële toepassingen heb je vaak te maken met allerlei soorten trillingen met verschillende amplitudes. Bij een Coriolis-meter wordt de massflow gemeten met behulp van een trillende sensorbuis. Wanneer de vloeistof daardoorheen stroomt, vindt er een faseverschuiving plaats, zoals in de video aan het eind van dit artikel wordt uitgelegd.

Deze manier van meten is in zekere mate gevoelig voor ongewenste trillingen waarvan de frequentie dicht bij de resonantiefrequentie van de sensorbuis ligt (afhankelijk van het ontwerp van de sensorbuis, bijv. 360 Hz) of waarvan de harmonische hoger ligt dan deze frequentie (zie onderstaande afbeelding).

Coriolis-flowmeters zijn alleen gevoelig voor de resonantiefrequentie of een hogere harmonische van deze frequentie

In een industriële omgeving is de kans op dergelijke ongewenste trillingen groter. Fabrikanten van Coriolis-flowmeters doen hun uiterste best om de invloed van trillingen op de gemeten waarden zoveel mogelijk te beperken door middel van algemene technische oplossingen, zoals:

  • hogere aanstotingsfrequenties;
  • tweeledige sensorbuizen;
  • verschillende vormen sensoren;
  • massa traagheid (bijvoorbeeld massablokken);
  • passieve en actieve compensatie van trillingen;
  • trillingsdempende buisconstructie ‘pigtail’

Trillingen kunnen dus inderdaad de nauwkeurigheid van de metingen van uw Coriolis-flowmeter aantasten, maar alleen wanneer de frequentie ervan dicht bij de resonantiefrequentie ligt. Wat u hieraan kunt doen hangt af van het soort trilling.

Welke soorten trillingen zijn er?

In een industriegebied kunnen frequenties worden veroorzaakt door:

  • trillingsbronnen uit de omgeving (bijv. vrachtwagens, spoorvervoer, industriële activiteiten);
  • trillingsbronnen uit het gebouw (mechanische en elektrische installaties, zoals airconditioning); of
  • trillingsbronnen uit gebruik (geïnstalleerde apparatuur en machines, bijv. pompen of transportbanden).

Deze trillingen verspreiden zich via een medium, zoals de vloer, de lucht, een buis of de vloeistof zelf. Als de trillingen de Coriolis-frequentie verstoren, kan de gemeten flow tot op zekere hoogte afwijken.

Om de invloed van trillingen zoveel mogelijk te beperken, is het nuttig om de bronnen ervan te achterhalen. Soms is het mogelijk om de flowmeter een klein stukje te verplaatsen of te draaien (Coriolis-flowmeters zijn meestal minder gevoelig voor trillingen als ze 90 graden gedraaid worden), dan wel om gebruik te maken van grote(re) massablokken, flexibele buizen of metalen buizen met U-bocht, of andere manieren van ophanging.

Hoe kunt u controleren of een Coriolis-flowmeter goed functioneert?

Voor een optimaal procesresultaat moeten de flowmeter en -regelaar goed werken. Als u zware industriële trillingen verwacht, is het daarom aan te raden om een Coriolis-flowmeter bij uw toepassing eerst te testen en niet zomaar volledig te vertrouwen. Pas daarbij op met het filteren van het meetsignaal. Soms is dit een logische stap (bijv. wanneer een snelle respons niet nodig is), maar als u wilt testen of een flowmeter goed functioneert, kan filteren een correct oordeel in de weg staan.

Coriolis-flowmeter in actie Coriolis-flowmeter in actie

Als de Coriolis-flowmeter onder bepaalde omstandigheden niet naar behoren functioneert, zal er een verschuiving te zien zijn in de procesuitvoer. Bij een toepassing voor het doseren van kleurstoffen voor afwasmiddel kan dit bijvoorbeeld leiden tot verschillen in de kleur van het product door incorrecte dosering en/of onverwacht gedrag van het meetsignaal. In zulke gevallen is het goed om het ongecorrigeerde meetsignaal te controleren (zonder filters!), aangezien u op die manier goed zicht krijgt op het functioneren van de flowmeter. Vraag de fabrikant van uw flowmeter hoe u alle signaalfilters kunt uitschakelen.

Normen met betrekking tot trillingen

Opvallend genoeg is de invloed van externe trillingen niet helder gedefinieerd in een norm voor Coriolis-flowmeters. Er zijn verschillende normen opgesteld over trillingen, maar niet in verband met meetnauwkeurigheid. De volgende twee normen met betrekking tot trillingen zijn echter wel bruikbaar:

  • IEC 60068-2: Klimatologische beproevingsmethoden voor elektrotechnische producten met betrekking tot veiligheid;
  • MIL STD 810: Omgevingswetenschappelijke overwegingen met betrekking tot schokken, vervoer en gebruik.

Voor gebruikers van Coriolis-flowmeters is diepgaande kennis van hun toepassingen belangrijk, met name als het gaat om mogelijke externe trillingsbronnen. Wij werken als specialist op het gebied van Coriolis-instrumenten voor lage debieten samen met kennispartners als de Universiteit Twente en TNO (een Nederlandse organisatie voor toegepast wetenschappelijk onderzoek) om voortdurend nieuwe inzichten te vergaren op dit gebied.

Door onze interne testfaciliteiten hebben wij de mogelijkheid om speciale trillingstests uit te voeren. Door middel van die tests, onze ervaring met klanttoepassingen en op maat gemaakte oplossingen zijn we altijd bezig onze Coriolis-flowmeters te verbeteren om zo onze klanten de best mogelijke prestaties te bieden.

Bekijk onze video waarin het Coriolis-principe wordt uitgelegd:

  • Meer informatie over het Coriolis-meetprincipe.
  • In een eerdere blogpost kunt u meer lezen over het belang van massflowmetingen en de relevantie van Coriolis-technologie.
  • Lees ons succesverhaal over het gebruik van Coriolis-massflowmeters om natuurlijk gas van een geur te voorzien (in het Engels).

Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

Grafeen, hoe kan dit op grote schaal geproduceerd worden?

Gerhard Bauhuis
Cover Image

Vanuit de Europese Commissie is het ‘Graphene Flagship’ ontstaan, een onderzoeksinitiatief gecreëerd met als doel om voor 2020 de ontwikkeling van Grafeen concreet te maken, van laboratoria naar de (consumenten) markt.

Wat is grafeen?

Grafeen kan onderverdeeld worden in 3 verschillende typen: enkellaags, dubbellaags en multi-laags grafeen:

  • Enkellaags grafeen is de puurste vorm die verkrijgbaar is en de vorm die bijzondere eigenschappen heeft. Deze eigenschappen maken (enkellaags) grafeen een aantrekkelijk product voor een groot aantal toepassingen.
  • Dubbellaags en multi-laags grafeen beschikken over andere (minder kwalitatieve) eigenschappen. Naarmate het aantal lagen toeneemt, wordt het steeds voordeliger om te produceren.

In deze blog beperk ik mij tot enkellaags grafeen, gezien dit vooralsnog het beste resultaat geeft in het onderzoek.

Grafeen is ‘s werelds eerste 2D materiaal bestaande uit een enkele atoomlaag koolstof; het materiaal waar ook diamant en een potloodpunt van zijn gemaakt. De koolstofatomen van grafeen zijn gerangschikt in een hexagonale (honingraat/kippengaas) structuur. Hierdoor beschikt enkellaags grafeen over de volgende eigenschappen:

  • 200 keer sterker dan staal
  • 1.000.000 keer dunner dan één menselijk haar
  • Het lichtste materiaal ter wereld (1 m² weegt ongeveer 0,77 milligram)
  • Flexibel
  • Transparant
  • Ondoordringbaar voor moleculen
  • Bijzonder goede elektrische geleiding en warmte geleiding

Grafeen kan ook worden gecombineerd met andere materialen, zoals gassen en metalen, om nieuwe materialen met de bovengenoemde eigenschappen te produceren of bestaande materialen te verbeteren.

Afbeeldingsomschrijving “3D model structure of graphene”

Productie van grafeen

Op dit moment lijkt er nog geen methode beschikbaar om grafeen op grote schaal tegen acceptabele kosten te produceren. Hier wordt nog onderzoek naar verricht.

Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD)

Er zijn een aantal methoden om grafeen te produceren. Eén van de bekendste methoden die momenteel wordt gebruikt voor productie van enkellaags grafeen is Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD). Bij deze methode wordt een mix van gassen, waarvan ten minste één gas (deels) uit koolstof bestaat, verhit, totdat er een plasma ontstaat. Massflowmeters en -controllers worden in CVD processen gebruikt om de benodigde gassen en vloeistoffen in de correcte verhoudingen in het proces te doseren.

In PE-CVD zorgt het plasma ervoor dat een laagje grafeen op een substraat van nikkel of koper wordt gedeponeerd. De verhitting kan plaats vinden in een vacuüm. Er zijn ook zogenoemde ‘groene’ CVD productiemethodes, hierbij vindt verhitting plaats onder atmosferische druk. Met behulp van Chemical Vapour Deposition kunnen grotere vellen grafeen geproduceerd worden.

In dit proces worden precursors gebruikt; stoffen die een gewenste chemische reactie op gang brengen. Deze precursors zijn vaak vloeibaar, waardoor verdamping noodzakelijk is om een gas te vormen dat in het CVD proces gebruikt kan worden.

Wanneer er gebruik wordt gemaakt van (Plasma Enhanced) Chemical Vapour Deposition, PE-CVD, is het cruciaal dat het plasma met de juiste verhoudingen en precisie wordt gecreëerd, dit wordt gedaan met behulp van zeer nauwkeurige flow instrumenten. Een afwijking in het plasma kan er namelijk voor zorgen dat er defecten ontstaan in de grafeenlaag. Defecten zijn onzuiverheden in de 2D structuur die de unieke eigenschappen van grafeen kunnen veranderen.

Grootschalige productie van grafeen door plasma gebaseerde technieken

Onlangs heeft Iberfluid Instruments S.A., onze Spaanse distributeur, samengewerkt met de Universiteit van Cordoba aan een onderzoek over de mogelijkheden voor grootschalige productie van grafeen door gebruik te maken van een op plasma gebaseerde techniek met atmosferische druk. Hierbij werd ethanol verdampt door middel van een Bronkhorst verdampingssysteem, het zogenaamde Controlled Evaporation and Mixing (CEM) systeem voor de vorming van plasma.

Bij gebruik van een verdampingssysteem worden vloeistoffen direct verdampt om zo het juiste gas voor het plasma te creëren. Een mogelijke samenstelling van een verdampingssysteem kan bestaan uit een Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing – CEM - systeem met een vloeistofmeter (bijv. een Coriolis Mass flowmeter uit de serie mini CORI-FLOW voor ethanol, een gasregelaar (bijv. EL-FLOW Mass flowregelaar) voor argon dat fungeert als een draaggas en een ixventiel met daaraan gekoppelde warmtewisselaar.

Een verdampingssyteem zoals het Bronkhorst CEM-systeem kan goede prestaties leveren op gebied van stabiliteit en nauwkeurigheid. Deze eigenschappen zorgen voor een betrouwbare totstandkoming van het plasma en leidt uiteindelijk tot een hogere kwaliteit grafeen.

Afbeeldingsomschrijving

Bronkhorst CEM-Systeem gebruikt voor het onderzoek van de Universiteit van Cordoba

In het onderzoekdocument ‘Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch, staat beschreven waarom de Universiteit van Cordoba (ES) het Bronkhorst Controlled Evaporation and Mixing systeem toepast in een PE-CVD grafeen productieproces.

Toepassingsgebieden voor grafeen

Door de vele bijzondere eigenschappen is men bezig met onderzoek in een groot aantal toepassingsgebieden. Hierbij wordt vooral gekeken naar enkellaags- en dubbellaags grafeen. Vooralsnog lijkt het erop dat enkellaags grafeen de beste resultaten geeft. Ook wordt er gekeken naar het toepassen van flakes; dit zijn kleine stukjes grafeen die vermengd kunnen worden met ander materiaal, zoals polymeren. De eigenschappen van deze materialen kunnen door toevoeging van graphene flakes verbeterd worden.

Door de vele bijzondere eigenschappen van grafeen worden veel mogelijke toepassingen gezien in verschillende industrieën. Een aantal voorbeelden van toepassingen op basis van enkellaags grafeen:

  1. Waterzuivering: Wetenschappers zijn op dit moment bezig met het maken van een geavanceerd filtersysteem gebaseerd op grafeenoxide dat ervoor moet zorgen dat vervuild water drinkbaar wordt.

  2. Medische industrie: Aangezien grafeen niet giftig voor het lichaam is, doet men onderzoek naar de mogelijkheden om grafeen in te zetten bij medicijntransport in het lichaam, waarbij het medicijn wordt vastgemaakt aan het grafeen. Grafeen heeft ook als eigenschap bacterievorming te voorkomen waardoor het ook gebruikt kan worden als coating voor implantaten.

  3. Energie industrie: Vanwege het grote oppervlak en de goede elektrische geleiding zou grafeen gebruikt kunnen worden voor energie opslag. Het doel hierbij is om grafeen batterijen vele malen compacter te maken dan nu het geval is, terwijl ze over meer capaciteit beschikken en binnen enkele seconden volledig opgeladen zouden zijn.

  4. Textiel industrie: Grafeen zou gebruikt kunnen worden om elektronica in textiel te verwerken zoals effectieve, efficiënte en zeer nauwkeurige sensoren. Verder kunnen met grafeen anti-corrosie coatings en geleidende inkten worden gemaakt.

  5. Semiconductor industrie: Door de goede elektrische- en thermische geleiding biedt grafeen mogelijkheden om de snelheid en capaciteit van chips (voor computers en smartphones) te vergroten.

Wij blijven de ontwikkelingen van grafeen nauwlettend volgen. We houden u op de hoogte.

Download het applicatieverhaal m.b.t. de setup gebruikt bij de Universiteit van Cordoba.

Lees ook de gastblog van John S. Bulmer, wetenschapper aan de Universiteit van Cambridge, over het onderzoek naar de productie van Carbon Nanotubes.

Massflowinstrumenten - de 10 beste tips voor installatie

Top 10 tips voor het installeren van massflowmeter-en controllers

Graham Todd
Cover Image

Als je een massflowmeter of massflowregelaar installeert is het belangrijk dat die vanaf het moment van inschakelen optimale prestaties levert. Daarom heb ik als geheugensteuntje een paar eenvoudige controlepunten voor thermische massflowmeters en -regelaars voor gassen op een rijtje gezet.

1) Montagepositie van de flowmeter

De montagepositie is belangrijk. Flowmeters worden bij voorkeur horizontaal gemonteerd; bij hoge druk ( > 10 bar voor by-passinstrumenten) moeten alle meters horizontaal worden geplaatst. Voorkom installatie in de buurt van trillings- en warmtebronnen.

2) Voorkom verstoringen

Vermijd haakse bochten en obstakels in de leidingen die turbulentie kunnen veroorzaken - dichtbij de in- en uitgang van het flowinstrument, vooral bij hoge debieten. Wij adviseren een afstand tussen een bocht en ingang van het flowinstrument van minimaal 10 x de buisdiameter. Als je wil weten waarom de keuze van de buizen bij thermische massflowmeters zo belangrijk is, bekijk dan ook de tips in ons vorige blog.

3) Typesticker (serienummersticker)

Lees voor de installatie de typesticker van het instrument en controleer de elektrische aansluiting, het flowbereik, de media die moeten worden gemeten, de in- en uitgangsdruk, de bedrijfstemperatuur, de ATEX-classificatie (indien van toepassing) en de invoer- en uitvoersignalen. Controleer ook of het afdichtingsmateriaal geschikt is voor het procesgas.

4) Elektrostatische ontlading (Electrostatic Discharge, ESD)

Het flowinstrument bevat elektronische componenten die gevoelig zijn voor elektrostatische ontladingen (ESD's) - een plotselinge elektrische stroom tussen twee elektrisch geladen voorwerpen, veroorzaakt door contact. Contact met elektrisch geladen personen of voorwerpen kan een risico vormen voor deze componenten of er zelfs toe leiden dat ze uitvallen.

5) Druk

Zet het systeem niet onder druk voordat de elektrische aansluitingen in orde zijn. Voorkom sterke drukwisselingen bij het onder druk zetten van het systeem en voer de druk geleidelijk op.

6) Controleer de pijpleidingen

Zorg ervoor dat de pijpleidingen in het systeem schoon zijn (voordat je het instrument installeert). Voor absoluut schone pijpleidingen installeer je filters; daarmee garandeer je een vocht- en olievrije gasstroom. Wij adviseren de installatie van een inlinefilter vóór de massflowmeter of -regelaar; als er terugstroming kan optreden, raden wij ook een downstream filter of terugslagventiel aan.

7) Inline-installatie

Installeer de massflowmeter of -regelaar in de leiding en maak de koppelingen vast volgens de instructies van de leverancier.

8) Buisdiameter

Vermijd het gebruik van leidingen met kleine diameter bij hoge debieten; de jet-flow van de invoer heeft namelijk invloed op de nauwkeurigheid en kan zorgen voor te grote drukverminderingen in pijpleidingen en adapters. De juiste buisdiameter is ook van belang voor het zo veel mogelijk verminderen van het turbulentie-effect. Ons voorgaande blog beschrijft het effect van een turbulente stroom en wat daaraan gedaan kan worden.

9) Lektest

Controleer je systeem altijd op lekken voordat je er druk op zet. Vooral als je giftige, explosieve of andere gevaarlijke gassen gebruikt.

10) Inschakelen

Schakel de flowmeter of -regelaar in en laat deze ongeveer 30 minuten opwarmen en stabiliseren. Dit kan met of zonder druk op het systeem.

Ik hoop dat deze lijst van pas komt. Gebruik hem als naslag als je weer een massflowmeter of -regelaar moet installeren. Heb je eventueel nog vragen of ontbreekt er iets op de lijst? Laat het me dan weten. Bij Bronkhorst leren we graag van jouw ervaring.