Die Kontrolle des Gasflusses ist bei Applikationen mit hohen Anforderungen an die Präzision und Kosteneffizienz eine Herausforderung. Mikrothermische Flusssensoren bieten sich aufgrund ihrer geringen Größe und und der präzisen Messung auch bei kleinsten Flussraten an.
Es gibt viele verschiedene Methoden, um Gasdurchfluss zu messen: mechanische Volumenzähler, Schwebekörper- und Differenzdruckmessung, Ultraschall-, Coriolis-, magnetisch-induktive sowie thermische Durchflussmesser. Messmethoden ohne Kontakt zwischen Gas und Sensor erfordern eine relativ teure Technologie und kommen deshalb für viele Anwendungen nicht in Frage. Bei der klassischen Differenzdruckmethode, bei der über die Verbiegung der Sensor-Membran der Druckabfall über einer Blende gemessen wird, führen hingegen Hysterese-Effekte und die Ermüdung der Membran zu Driftproblemen und mangelnder Nullpunktgenauigkeit.
Weit verbreitet sind folglich Messtechniken, die auf thermischen Prinzipien basieren. Im einfachsten Fall – dem Hitzdraht-Anemometer – wird die Abkühlung eines elektrisch beheizten Drahtes gemessen, dessen elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist. Technisch fortgeschrittene Verfahren basieren auf einem Heizer und mindestens zwei Temperatursensoren, welche den Wärmetransport durch das Gas messen. Bei mikrothermischen Flusssensoren sind diese Sensorelemente in den nur wenige Quadratmillimeter großen Mikrochips integriert.
Mikrothermische Sensoren haben für viele Applikationen Vorteile. Die kleine Sensorgröße und die Verwendung von standardisierten Produktionsverfahren aus der Halbleiterindustrie ermöglichen eine konstant hohe Produktionsqualität bei gleichzeitig moderaten Stückkosten dank Skaleneffekten der Massenproduktion. Moderne Sensorelemente messen außerdem deutlich präziser als klassische Hitzdraht-Anemometer, und eine Glasbeschichtung über dem Sensorelement sorgt für Korrosionsresistenz. All diese Vorteile nutzen verschiedenen Industriezweigen. Sowohl in der Automobil- als auch in der Medizintechnik wird für die Gasflussmessung heute primär die mikrothermische Sensorik verwendet.
Der direkte Kontakt mit dem Gas bringt bei thermischen Sensoren auch Herausforderungen mit sich. Weil die Flussgeschwindigkeit nur punktuell bestimmt wird, ist die Extrapolation auf den Gesamtfluss von der Geschwindigkeitsverteilung im Rohr abhängig. Diese ist wiederum von den Einlaufbedingungen beeinflusst: Eine Rohrbiegung kurz vor dem Sensor, unterschiedliche Beschaffenheiten der Rohrinnenfläche oder Ecken und Kanten im Strömungskanal können das Messresultat teilweise verändern. Dazu kann bei stark verschmutzter Luft die Messzelle verunreinigt werden.
Sensor im Bypass optimiert den Produktionsprozess
Eine gute Lösung, um solchen Herausforderungen zu begegnen, ist, den Sensorchip in einem Bypass zu platzieren. Eine Blende, eine Venturi-Düse oder Lamellen erzeugen eine Druckdifferenz, welche einen kleinen Teil des Gasflusses durch einen Seitenkanal leitet. Der mikrothermische Flusssensor sorgt dabei für hohe Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität, vor allem auch bei sehr kleinen Flussraten. Ein gutes Druckabfallelement im Bypass stellt sicher, dass der Differenzdruckaufbau weniger sensibel auf Veränderungen der Einlaufbedingungen reagiert. Die Massenträgheit, das intelligente Design der Abgriffe und der geringe Fluss im Bypass sorgen zudem dafür, dass nur sehr sauberes Gas den Sensor erreicht.
Die Bypass-Lösung hilft, den Produktionsprozess einfacher zu gestalten. Die Gasführung kann vom Sensor unabhängig hergestellt und der Sensor am Ende des Produktionsprozesses eingesetzt werden. Bei richtigem Design und exakter Herstellung der Blende kann meist sogar auf eine Endkalibration des Gesamtsystems verzichtet werden.
Dank der Massenträgheit gibt es im Bypass generell weniger Staubpartikel als im Hauptkanal. Ein geeignetes Design der Abgrifflöcher verbessert dies die Situation zudem nochmals wesentlich. Der Abgriffkanal sollte rückwärtsgerichtet sein, so dass das Gas um mehr als 90° drehen muss, um zum Sensor zu gelangen. Weiter hat sich gezeigt, dass Führungslamellen vor dem Abgriff den Fluss stabil und laminar halten, und damit das Rauschen des Messsignals verringern.
Mit dem richtigen Sensor ist die Flussmessung im Bypass das verlässlichste und zudem kostengünstige Messverfahren. Differenzdrucksensoren, wie beispielsweise des Sensorherstellers Sensirion AG aus Stäfa, Schweiz, sind auf das entsprechende Anforderungsprofil abgestimmt:
- Sie haben eine sehr gute Empfindlichkeit und eine hohe Stabilität um den Nullpunkt. Dadurch kann ein sehr weiter Messbereich erreicht werden.
- Sie sind so kalibriert, dass sie den angelegten Differenzdruck messen.
- Die Temperaturkompensation ist für die spezifischen Gegebenheiten der Bypass-Gasflussmessung optimiert.
Die beiden letztgenannten Eigenschaften bieten einen weiteren Vorteil: Bei gutem Design und hinreichender Produktionsgenauigkeit des Hauptkanals kann in vielen Fällen auf eine Endkalibration des Gesamtsystems verzichtet werden. ■
Andries Bosma, Sensirion, Stäfa/Schweiz
www.sensirion.com
Auf der Compamed: Halle 8a, Stand H19
Auf der Compamed: Halle 8a, Stand H19
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