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Effiziente Gas­durchfluss­messung mit Differenzdrucksensoren

Mikrothermische Flusssensoren bieten hohe Langzeitstabilität sowie Genauigkeit bei geringen Flussraten und eignen sich für vielfältige ­Anwendungen

Mikrothermische Flusssensoren bieten hohe Langzeitstabilität sowie Genauigkeit bei geringen Flussraten und eignen sich für vielfältige ­Anwendungen

01  Das thermische Messprinzip

01  Das thermische Messprinzip

02  Die Bypass-Lösung mit rückwärts gerichtetem Abgriffkanal

02  Die Bypass-Lösung mit rückwärts gerichtetem Abgriffkanal

03  So sieht ein einfaches, aber gutes Blendendesign aus

03  So sieht ein einfaches, aber gutes Blendendesign aus

04  Die digitalen und vollständig kalibrierten und temperaturkompensierten Differenzdrucksensoren der Serie SDP3 sind in verschiedenen Versionen erhältlich

04  Die digitalen und vollständig kalibrierten und temperaturkompensierten Differenzdrucksensoren der Serie SDP3 sind in verschiedenen Versionen erhältlich

Die Messung von Gasfluss ist bei Applikationen mit hohen Anforderungen an die Präzision und Kosteneffizienz eine Herausforderung. Dabei hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass mikrothermische Flusssensoren anderen Technologien klar überlegen sind. Sie bieten eine hohe Langzeitstabilität und Genauigkeit bei kleinsten Flussraten und eignen sich zur kosteneffizienten und zuverlässigen Massenproduktion.

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 infrage. 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.
Weitverbreitet 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 (Bild 1). Bei den sogenannten mikrothermischen Flusssensoren werden die Sensorelemente auf nur wenigen mm 2 großen Mikrochips integriert.

Mikrothermische Flusssensorik
Die geringe Größe der mikrothermischen Sensoren 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. Zudem sorgt eine Glasbeschichtung über dem Sensorelement für Korrosionsresistenz.
Bei thermischen Sensoren bringt der direkte Kontakt mit dem Gas 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 sowie Kanten im Strömungskanal können das Messresultat teilweise verändern. Dazu kann bei stark verschmutzter Luft die Messzelle verunreinigt werden. Dies lässt sich durch die Platzierung des Sensorchips in einen Bypass vermeiden.
Eine Blende, eine Venturi-Düse oder Lamellen erzeugen eine Druckdifferenz, welche einen kleinen Teil des Gasflusses durch einen Seitenkanal leitet (Bild 2). Der mikrothermische Flusssensor sorgt dabei für hohe Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität, auch bei 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, dass nur 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.

Gutes Design einer Bypass-Lösung
Bei einem optimalen Design sind verschiedene Aspekte zu beachten. So sollte eine Blende aus möglichst viel Wand- und wenig Stirnfläche bestehen. Eher ungeeignet sind klassische Ringblenden, ideal aber teuer sind dünne Honigwaben-Strukturen. Als einfaches und gut geeignetes Design hat sich eine Anordnung von Lamellen wie in Bild 3 herausgestellt, das einfach im Spritzguss hergestellt werden kann und eine eher lineare Fluss-/Differenzdruck-Charakteristik aufweist.
Der Abgriffkanal sollte rückwärtsgerichtet sein (Bild 2), sodass 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. Und zuletzt sollte das Loch beim Abgriff klein sein, idealerweise mit ­einem Durchmesser von 0,6 mm. Im Rohr sollten unmittelbar vor der Messstelle keine scharfen Kurven oder Kanten und keine abrupten Änderungen des Rohrquerschnitts vorhanden sein. Außerdem kann ein über dem Gesamtdurchmesser gleichmäßig verteilter Flusswiderstand (z. B. ein Sieb) vor dem Sensor helfen, Turbulenzen und unerwünschte Einflüsse der Einlassbedingungen zu stabilisieren.

Die richtige Wahl des Sensors
Mit dem richtigen Sensor ist die Flussmessung im Bypass das verlässlichste und zudem kostengünstige Messverfahren. Differenzdrucksensoren, wie beispielsweise von Sensirion, sind aus verschiedenen Gründen ideal auf das entsprechende Anforderungsprofil abgestimmt.
■ Eine kleine Baugröße hilft, den Bypass und damit den Platzbedarf für die Flussmessung klein zu halten.
■ Durchflussbasierte thermische Differenzdrucksensoren haben eine gute Empfindlichkeit sowie eine hohe Stabilität um den Nullpunkt. Dadurch kann ein weiter Messbereich erreicht werden (hoher Dynamikumfang oder hoher Turn-Down-Ratio).
■ Die Sensoren sind trotz thermischem Durchflussmess­verfahren so kalibriert, dass sie den angelegten Differenzdruck messen. Die Sensoren sind damit problemlos ­auswechselbar.
■ Sensirion bietet eine Temperaturkompensation, die auf die spezifischen Gegebenheiten der Bypass-Gasflussmessung optimiert ist (siehe weiterführende Informationen).
Die beiden letztgenannten Eigenschaften bieten einen ­weiteren Vorteil. Bei gutem Design und hinreichender Produktionsgenauigkeit des Hauptkanals kann man in vielen Fällen auf eine Endkalibration des Gesamtsystems verzichten. Weil der Sensor kalibriert und temperaturkompensiert geliefert wird, und weil die Exemplarstreuung moderner Spritzgussverfahren klein ist, genügt in vielen Fällen eine Stichprobenkontrolle der Blenden.

Differenzdrucksensor mit Massenfluss-Temperaturkompensation
Die sogenannte Massenfluss-Temperaturkompensation von Differenzdrucksensoren vereinfacht das Messen von Gasdurchfluss im Bypass-Prinzip. Die im Sensor integrierte ­Kalibration ist dabei so ausgelegt, dass damit Flüsse über den gesamten Temperaturbereich korrekt gemessen werden können. Die Umrechnung des Differenzdruckausgangssignals in den Massen- oder Volumenfluss erfordert keine zusätzliche Temperaturkompensation. Der Anwender erspart sich damit eine aufwendige Charakterisierung des Bypass-Systems über verschiedene Fluss-/Temperaturmesspunkte.
Der Differenzdrucksensor SDP3x (Bild 4) von Sensirion misst gerade mal 8 mm × 5 mm × 5 mm. Er besticht durch seine Genauigkeit sowie Langzeitstabilität und hat keinen Nullpunktdrift. Weiter ist der SDP3x reflow-lötbar, bietet neue Funktionen wie mehrfache I 2 C-Adressen oder Interrupt-Funktionen, und hat eine schnelle Ansprechzeit von 2 kHz bei einer 16 bit Auflösung. All dies macht ihn zur perfekten Wahl bei hochvolumigen aber kostensensitiven Anwendungen.

Zusammenfassung
Um Gasdurchfluss mit hoher Genauigkeit, Robustheit und Konstanz bei gleichzeitig tiefen Kosten zu messen, eignet sich meistens eine Differenzdruck-, respektive Bypass-­Lösung, am besten. Verglichen mit Messverfahren im Direktfluss können die Auswirkungen der Einflussbedingungen so reduziert und die Sauberkeit des Gases über dem Sensor deutlich erhöht werden. Wählt man zudem einen thermischen Differenzdrucksensor, so kann man dank dessen hoher Genauigkeit bei kleinsten Flussraten auch um den Nullpunkt äußerst präzise messen. Die Kalibrierung des Sensors auf Differenzdruck und die geeignete Temperaturkompensation erübrigt in vielen Fällen eine zusätzliche ­Kalibration der gesamten Messstrecke. (no)

Andries Bosma ist Product Manager Gas Flow/Differential ­Pressure bei der Sensirion AG in Stäfa ZH/Schweiz. andries.bosma@sensirion.com