Measuring flow rate of mixture gases : Developing a digital gas flow meter for industrial welding solutions

Abstract

Shielding gases that are used in fusion welding are typically mixtures of up to three of the following six industrial pure gases: argon, helium, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen and oxygen. There are tens of different mixtures on the market and the amount is continuously developing along with welding processes and materials. Currently a gas flow meter that would adapt with any mixture and that would be designed to meet welding requirements does not exist. The objective of this study is to develop a new gas flow meter device that would measure gas flow rate for any percentage-level mixture of the pure gases used in welding.

This study utilized the methods of applied science. Gas flow physics were researched on kinematics and thermodynamics fields: kinematics to construct a suitable mechanical flow system for mixture gases, and thermodynamics to discover a method to measure the flow rate of mixture gases. The research phase contained both theoretical and experimental studies. The development phase contained design and implementation of mechanics, electronics and software. In the electrical circuit a thermal mass flow sensor was connected to a microcontroller unit as a constant temperature anemometer. Mass flow characteristic curves for the pure welding gases were measured and were pre-programmed into microcontroller’s software. In the software a programmatic algorithm was developed to apply the thermodynamics theory to the measured mass flow values for the volumetric flow rate calculation.

This research disclosed a new simple method to combine the physical properties of pure gases, yielding corresponding properties for mixtures. The method took advantage of the thermal mass flow sensor and the constant temperature anemometer circuitry. However, the research revealed that the constant temperature anemometer is significantly sensitive to the variation in the gas temperature and in the temperature of the sensor housing. Although the new method was found accurate in stable temperature conditions, compensation of the temperature variation requires further investigation for the final product. That investigation is not included in this study.

Sulahitsauksessa käytetään suojakaasuja, jotka ovat tyypillisesti seuraavien kuuden teollisuudessa käytetyn puhtaan kaasun seoksia: argon, helium, hiilidioksidi, vety, typpi ja happi. Markkinoilla on kymmeniä seoskaasuja, ja määrä lisääntyy koko ajan hitsausprosessien ja hitsattavien materiaalien kehityksen myötä. Tällä hetkellä ei ole olemassa kaasunvirtausmittaria, joka pystyisi mittaamaan mitä tahansa seoskaasua ja joka täyttäisi hitsauksen asettamat vaatimukset. Tämän työn tavoitteena on kehittää uusi kaasunvirtausmittari, joka mittaa kaasun virtausmäärän mille tahansa prosenttitason hitsauskaasuseokselle.

Tässä työssä käytettiin sovelletun tutkimuksen menetelmiä. Kaasunvirtausfysiikkaa tutkittiin kinematiikan ja termodynamiikan osa-alueilla: kinematiikkaa mekaanisen virtausjärjestelmän rakentamiseksi seoskaasuille, ja termodynamiikkaa seoskaasujen virtausmittausmenetelmän löytämiseksi. Tutkimusvaihe sisälsi sekä teoreettista että kokeellista tutkimusta. Kehitysvaihe sisälsi mekaniikan, elektroniikan ja ohjelmiston suunnittelua ja kehittämistä. Elektronisessa kytkennässä lämpömassavirta-anturi kytkettiin mikro-ohjaimeen vakiolämpöanemometriksi. Puhtaiden kaasujen massavirtauksen ominaiskäyrät mitattiin ja esiohjelmoitiin mikro-ohjaimen ohjelmistoon. Ohjelmistoon kehitettiin algoritmi, joka hyödynsi termodynamiikan teoriaa tilavuusvirtausnopeuden laskemiseksi mitatuista massavirtausarvoista.

Tämä tutkimus toi esille uuden menetelmän, jolla voidaan laskea puhtaiden kaasujen fyysisistä ominaisuuksista vastaavat ominaisuudet kaasuseoksille. Menetelmässä käytettiin hyväksi lämpömassavirta-anturia ja vakiolämpöanemometria. Tutkimus paljasti kuitenkin, että vakiolämpöanemometri on merkittävän herkkä kaasun lämpötilan ja anturin koteloinnin lämpötilan vaihteluille. Vaikka uusi menetelmä osoittautui tarkaksi stabiileissa lämpötilaolosuhteissa, lämpötilan muutosten kompensointi vaatii lisätutkimuksia lopputuotetta varten. Lisätutkimukset eivät sisälly tähän työhön.