Gasfluss-Meter und -Regler in der instrumentellen Analytik und Anlagentechnik »MEMS-Massenfluss-Sensoren verbessern die Systemperformance«

Platin-basierter MEMS-Flow-Sensor. Das Gas fließt vom Temperatursensor 1 über die Heizung zu Sensor 2. Ohne Gasfluss messen Sensor 1 und 2 die gleiche Temperatur. Sobald das Gas strömt, wird Wärme von der Heizung zu Sensor 2 geführt, es entsteht eine Temperaturdifferenz, die gemessen wird. Die Differenz rechnet der Massenflussmeter in den Gasfluss um. Axetris verwendet Platinschichten für die Temperatursensoren und den Heizer und erreicht somit eine hohe Stabilität.
Platin-basierter MEMS-Flow-Sensor. Das Gas fließt vom Temperatursensor 1 über die Heizung zu Sensor 2. Ohne Gasfluss messen Sensor 1 und 2 die gleiche Temperatur. Sobald das Gas strömt, wird Wärme von der Heizung zu Sensor 2 geführt, es entsteht eine Temperaturdifferenz, die gemessen wird. Die Differenz rechnet der Massenflussmeter in den Gasfluss um. Axetris verwendet Platinschichten für die Temperatursensoren und den Heizer und erreicht somit eine hohe Stabilität.

Gasflüsse präzise zu messen und zu regeln, ist eine Anforderung, die in immer mehr analytischen Geräten und industriellen Anlagen eine entscheidende Rolle spielt. Messverfahren gibt es viele, doch die effizienteste ist nach Überzeugung der Experten von Axetris die thermische Gasfluss-Messung und -Regelung.

Carrier-Gas-Regelung in der Gaschromatografie, Lecktester für die Qualitätskontrolle in der Produktion von Automotoren oder Dünnfilm-Beschichtungen für Solarzellen – das sind nur einige der Anwendungen, in denen die genaue Bestimmung und Regelung der Gasflüsse maßgeblich für die Effizienz der Anlagen und der Endprodukte ist. Dabei setzt man bisher noch auf völlig unterschiedliche Technologien. Stark im Kommen sind derzeit die thermischen Massenfluss-Sensoren. 

 

»Thermische Massenfluss-Meter und -Regler, kurz MFM und MFC, ersetzen immer öfter die bislang verwendeten Schwebekörper-Durchflussmesser, die manuellen Ventile und die Blenden-basierten Systeme«, erklärt Rolf Meisinger, Produkt Manager von Axetris. »Thermische Massenfluss-Regler können Druck- und Temperaturschwankungen automatisch ausgleichen, wobei der Anwender die Sollwerte zu jeder Zeit elektronisch vorgeben kann. Der resultierende Gasfluss wird direkt aufgezeichnet, das wiederum stellt die lückenlose Rückverfolgbarkeit sicher.«

Carrier-Gas-Regelung in der Gaschromatografie, Lecktester für die Qualitätskontrolle in der Produktion von Automotoren oder Dünnfilm-Beschichtungen für Solarzellen – das sind nur einige der Anwendungen, in denen die genaue Bestimmung und Regelung der Gasflüsse maßgeblich für die Effizienz der Anlagen und der Endprodukte ist. Dabei setzt man bisher noch auf völlig unterschiedliche Technologien. Stark im Kommen sind derzeit die thermischen Massenfluss-Sensoren.  

 

»Thermische Massenfluss-Meter und -Regler, kurz MFM und MFC, ersetzen immer öfter die bislang verwendeten Schwebekörper-Durchflussmesser, die manuellen Ventile und die Blenden-basierten Systeme«, erklärt Rolf Meisinger, Produkt Manager von Axetris. »Thermische Massenfluss-Regler können Druck- und Temperaturschwankungen automatisch ausgleichen, wobei der Anwender die Sollwerte zu jeder Zeit elektronisch vorgeben kann. Der resultierende Gasfluss wird direkt aufgezeichnet, das wiederum stellt die lückenlose Rückverfolgbarkeit sicher.«

MEMS-Technologien spielen ihre Vorteile aus 

Eine besondere Rolle spielen nach Meisingers Überzeugung die MEMS-basierten Technologien: »Verglichen mit konventionell aufgebauten Sensoren bieten sie eine deutlich bessere Repetierbarkeit, Langzeitstabilität und Ansprechgeschwindigkeit. Zudem lassen sich MEMS-basierte Massenfluss-Regler sehr kompakt aufbauen – etwa in der Größe einer Zündholzschachtel. Dadurch sind komplette mehrkanalige Gasmischer oder -teiler auch in sehr kleinen Platzverhältnissen realisierbar.« 

MEMS-basierte Massenfluss-Regler haben zudem den Vorteil, dass ein und dasselbe Gerät Mess- und Regelbereiche von 1000:1 und mehr abdecken kann – die Lösungen von Axetris erreichen sogar Dynamikbereiche von mehr als 2000:1. 

»Damit reicht ein einziges Gerät auch für Anwendungen, für die man früher mehrere MFC brauchte«, so Meisinger. »Das spart Kosten und Platz und vereinfacht zudem die Logistik und die Lagerhaltung.« 

Darüber hinaus erlaubt ein derart großer Dynamikbereich auch die Integration neuer Funktionen. So können Kunden die heute ausgelieferten Geräte bereits schon für andere Gase vorbereiten. 

»In gewissen Anwendungen wird heute noch überwiegend Helium eingesetzt«, führt Meisinger aus. »Helium wird aber zunehmend teurer. Je nach Anforderung ist ein Ersatz durch Wasserstoff, Argon oder Stickstoff möglich, braucht dann aber im Normalfall eine andere Ausführung des MFCs. Ein MFC mit einem Dynamikbereich von 1000:1 und größer deckt dies jedoch problemlos ab.« Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Anwender den eingebauten MFC auch gleich zur Dichtigkeitskontrolle des gesamten Systems nutzen kann, was die Messung sehr kleine Flüsse bedingt. 

Insofern ist sich Meisinger sicher, dass vor allem die MEMS-basierte thermische Massenfluss-Meter- und -Regler-Technik das Potential hat, viele heute noch manuell kontrollierte Systeme zu automatisieren und dabei die Performance des gesamten Systems wesentlich zu verbessern.