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Eine saubere Sache: Bypass-Lösung für die Gasflussmessung

| Autor/ Redakteur: / Kathrin Schäfer

Mikrothermische Flusssensoren nach dem Bypass-Prinzip weisen eine hohe Langzeitstabilität und Genauigkeit bei kleinen Flussraten auf. Damit sind sie anderen Technologien klar überlegen. Sie eignen sich zudem für den Einsatz in der Massenproduktion – ein weiterer Pluspunkt für Medizingerätehersteller.

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Dank seiner kleinen Abmessungen findet der Differenzdrucksensor ...
Dank seiner kleinen Abmessungen findet der Differenzdrucksensor ...
(Bild: Sensirion)

Es gibt viele verschiedene Methoden, um Gasdurchfluss zu messen. Weit verbreitet sind 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 weiterentwickelte Verfahren arbeiten mit einem Heizer und mindestens zwei Temperatursensoren, die den Wärmetransport durch das Gas messen.

Werden Sensorelemente auf nur wenige Quadratmillimeter großen Mikrochips integriert, spricht man von mikrothermischen Flusssensoren. Sie 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 die klassischen Hitzdraht-Anemometer. Zusätzlich sorgt eine Glasbeschichtung über dem Sensorelement für Korrosionsresistenz.

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Um die Messgenauigkeit zu verbessern und Verschmutzungen in der Messzelle zu vermeiden, kann der Sensorchip in einem Bypass platziert werden. 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.

Lamellen ermöglichen mehr Sensitivität bei kleinen Flüssen

Eine Blende hat die Aufgabe, den Widerstand des Gasflusses geringfügig zu erhöhen und dadurch einen Differenzdruck zu erzeugen. Physikalisch geschieht dies auf zwei Arten. Zum einen führen Reibungen zwischen dem Gas und den Wandflächen der Blende (Flächen parallel zum Fluss) zu einem Druckabfall, der linear mit dem Fluss zunimmt. Zum anderen führen Stirnflächen und deren Kanten zu Turbulenzen und damit zu einem Druckabfall, der quadratisch mit dem Fluss zunimmt. In der Praxis sind Blenden immer eine Mischung von beiden Arten. Folglich ist ihre Druck/Fluss-Charakteristik eine Kombination aus linearen und quadratischen Anteilen. Welche der beiden Charakteristiken überwiegt, wird durch das Design der Blende bestimmt. Dabei ist in der Regel eine lineare Charakteristik zu bevorzugen, weil dies die Sensitivität bei kleinen Flüssen erhöht und den Nullpunkt stabilisiert und bei hohen Flussraten den Druckabfall kleiner hält.

Als grobe Regel gilt, dass eine Blende aus möglichst viel Wand- und möglichst wenig Stirnfläche bestehen soll. Als einfaches und gut geeignetes Design hat sich eine Anordnung von Lamellen erwiesen. Sie lassen sich im Spritzguss herstellen und weisen eine eher lineare Fluss/Differenzdruck-Charakteristik auf.

Dank der Massenträgheit gibt es im Bypass generell weniger Staubpartikel als im Hauptkanal. Ein geeignetes Design der Abgrifflöcher verbessert dies zudem nochmals. Der Abgriffkanal sollte rückwärtsgerichtet sein, sodass sich 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 Messsignalrauschen verringern. Und zuletzt sollte das Loch beim Abgriff klein sein, idealerweise mit einem Durchmesser von 0,6 mm.

Im Idealfall gibt es im Rohr unmittelbar vor der Messstelle keine scharfen Kurven oder Kanten und keine abrupten Änderungen des Rohrquerschnitts. Außerdem kann ein über den Gesamtdurchmesser gleichmäßig verteilter Flusswiderstand (z.B. ein Sieb) vor dem Sensor helfen, Turbulenzen und unerwünschte Einflüsse der Einlassbedingungen zu stabilisieren.

Mit dem richtigen Sensor ist die Flussmessung im Bypass das verlässlichste und zudem kostengünstige Messverfahren. Differenzdrucksensoren, wie beispielsweise des Sensorherstellers Sensirion, sind aus verschiedenen Gründen gut auf das entsprechende Anforderungsprofil abgestimmt. Die kleine Baugröße hilft, den Bypass und damit den Platzbedarf für die Flussmessung klein zu halten. Durchflussbasierte thermische Differenzdrucksensoren haben eine sehr gute Empfindlichkeit und eine hohe Stabilität um den Nullpunkt. Dadurch kann ein sehr 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. Sie sind damit problemlos auswechselbar. Der Hersteller bietet eine Temperaturkompensation, die an die spezifischen Gegebenheiten der Bypass-Gasflussmessung angepasst ist.

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