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Effizienz von Klimaanlagen optimieren

Staubresistente Durchflusssensoren

08. Juli 2021, 09:00 Uhr   |  Von Michael Sammüller

Staubresistente Durchflusssensoren
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Effizienz und Leistungsaufnahme von HVAC-Systemen in Gebäuden und Fahrzeugen hängen maßgeblich von den integrierten Drucksensoren ab. Für die Klimatechnik eignen sich Differenzdrucksensoren sehr gut. Ihr Staubrobustheit lässt sich mit integrierten Mikroströmungskanal enorm verbessern.

HLK-Systeme (Heizung, Lüftung und Klimatechnik) beziehungsweise HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) müssen nicht nur Räume und Fahrzeuge optimal heizen, belüften und kühlen, sondern auch Faktoren wie einer hohen Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit gerecht werden. Um die Klimaschutzziele zu erreichen, hat beispielsweise die Bundesregierung 2020 ein Förderprogramm für Kälte- und Klimaanlagen aufgelegt. Es soll dazu beitragen, dass in Gebäuden sowie Bussen und Schienenfahrzeugen HVAC-Systeme genutzt werden, die wenig Energie benötigen und umweltverträgliche Kältemittel verwenden. Auch in der Automobilindustrie sind energieeffiziente HVAC-Systeme ein zentrales Thema, vor allem wegen des Trends in Richtung Elektromobilität. Laut einer Untersuchung von Dr. Malte Westerloh, einem Entwicklungsingenieur bei Volkswagen, beträgt der Energiebedarf eines solchen Systems in einem Fahrzeug zwischen 18 und 35 Wh/km. Das gilt für die Witterungsbedingungen in Europa. Und je weniger Strom ein HVAC-System benötigt, desto höher ist die Reichweite eines Elektrofahrzeugs.

Differenzdrucksensoren im HVAC-System

Damit HVAC-Anlagen stets im optimalen Bereich arbeiten, müssen sie Volumenströme und Druckunterschiede in Rohrleitungen, Strömungskanälen und Räumen präzise erfassen. Das erfordert Drucksensoren, die robust sind und eine hohe Messgenauigkeit aufweisen. Für den Einsatz in HVAC-Systemen kommen in erster Linie zwei Arten von Sensoren in Frage:

  • membranbasierte piezoresistive Differenzdrucksensoren auf Silizium-Basis
  • thermische Differenzdrucksensoren, die nach dem Prinzip der kalorimetrischen Durchflussmessung arbeiten und mit Mikroströmungskanälen ausgestattet sind.

Piezoresistive Differenzdrucksensoren

Piezoresistive (membranbasierte) Differenzdrucksensoren bestehen aus einer dünnen Silizium-Membran, in die Widerstände in Form einer Wheatstone-Brücke eingebettet sind. Bei Druckunterschieden drückt sich die Membran durch und es kommt zu einer Verformung der Widerstände. Auf diese Verformung reagieren die Widerstände und es tritt ein piezoresistiver Effekt auf. Dabei ändern sich die Widerstandswerte und die elektrische Spannung. Diese Änderungen werden in ein Messsignal umgesetzt, das dem Druckwert entspricht (Bild 1).

Aufbau und Funktionsprinzip eines piezoresistiven Differenzdrucksensors
© First Sensor

Bild 1. Aufbau und Funktionsprinzip eines piezoresistiven Differenzdrucksensors.

Eine Alternative zum membranbasierten piezoresistiven Differenzdrucksensor ist der piezoelektrische Druckaufnehmer. Er besteht aus Kristallscheiben. Unter Druck wird im Kristall durch Ladungstrennung eine proportionale elektrische Spannung erzeugt. Ein Ladungsverstärker liest die Spannungsdifferenz aus und eine digitale Schaltung rechnet sie in Druckwerte um.

Zu den typischen Anwendungsgebieten in der Klimatechnik für beide Formen der Differenzdrucksensoren zählen Volumenstromregler, Systeme für die Filterüberwachung und Brennersteuerungen. Ob in einem HVAC-System ein piezoresistiver oder ein piezoelektrischer Differenzdrucksensor verwendet wird, hängt vom konkreten Anwendungsfall ab. Der piezoelektrische Differenzdrucksensor eignet sich vor allem für Anwendungen mit hohen Temperaturen von bis zu 85 °C und hoch dynamischen Druckverläufen.

Zu den Vorteilen eines piezoresistiven Differenzdrucksensors zählen die kompakte Bauweise, die hohe Messgenauigkeit und das Erkennen von minimalen Druckdifferenzen. Der Widerstand im Halbleiter der Silizium-Membran reagiert bereits auf sehr kleine Druckänderungen, daher kann mit membranbasierten Sensoren auch im unteren Messbereich sehr präzise gemessen werden. Hinzu kommt ein insgesamt sehr weiter Messbereich von 1 mbar (100 Pa) bis 10 bar. Für beide Sensortypen gilt, dass sie nicht von Gas durchströmt werden und so hoch lineare Signal-Druck-Kennlinien ausgeben.

Kalorimetrische Durchflussmessung

Sollen HVAC-Systeme auch kleine Druckunterschiede im Bereich ab 25 Pa erfassen, kommt für Entwickler ein thermischer, kalorimetrischer Differenzdrucksensor in Betracht. Bei der kalorimetrischen Durchflussmessung wird der Differenzdruck gemessen, wenn ein Gas von einem Bereich mit einem hohen relativen Druck zu einem Bereich mit einem niedrigen Druck durch den Sensor geleitet wird.

 Staubresistenz in kalorimetrischen Differenzdrucksensoren erhöhen: Ein Teil des Gasstroms wird über einen Bypass-Kanal am Sensorchip vorbeigeführt. Erfolgt das über einen Mikroströmungskanal im Chip, erhöht sich die Resistenz gegenüber Staub
© First Sensor

Bild 2. Staubresistenz in kalorimetrischen Differenzdrucksensoren erhöhen: Ein Teil des Gasstroms wird über einen Bypass-Kanal am Sensorchip vorbeigeführt. Erfolgt das über einen Mikroströmungskanal im Chip, erhöht sich die Resistenz gegenüber Staub.

Ein Heizelement zwischen zwei temperaturempfindlichen Widerständen (einer stromaufwärts, einer stromabwärts) erzeugt einen vordefinierten Wärmefluss und einen Temperaturanstieg beim Gas. Durch den Gasstrom verschiebt sich das Temperaturprofil in Richtung des stromabwärts liegenden Widerstands. Aus dem Temperaturunterschied lassen sich die Durchflussrate und der Differenzdruck bestimmen. In einem HVAC-System erfassen Sensoren, die nach diesem Prinzip arbeiten, den Druckabfall über einem Strömungselement, etwa einer Blende oder einem Messkreuz. Der Sensor befindet sich dabei in einem Nebenzweig (Bypass) der Hauptströmungsleitung (Bild 2).

Einsatzfelder: Überwachung von Volumenströmen und Raumdruck

Ein Einsatzfeld von durchflussbasierten Differenzdrucksensoren sind Regler für den variablen Volumenstrom (VAV). Der Ventilator einer Belüftungsanlage lässt sich mithilfe eines Differenzdrucksensors so einstellen, dass in allen Lüftungskanälen ein konstanter Druck herrscht. Der Sensor überwacht diesen Kanaldruck und passt die Ventilatorleistung entsprechend an. Das erlaubt eine variable Belüftung und Klimatisierung von Räumen. In einem Krankenhaus oder Labor muss beispielsweise ein permanenter Unterdruck herrschen, damit keine Keime oder gefährlichen Stoffe in andere Gebäudeteile gelangen. In Reinräumen, etwa für die Halbleiterfertigung, stellen HVAC-Systeme mit Differenzdrucksensoren dagegen sicher, dass ein Überdruck herrscht und keine ungereinigte Luft eindringt.

Differenzdrucksensoren kommen außerdem bei der Überwachung der Filter von HVAC-Komponenten zum Einsatz. Eine elektronische Filterüberwachung mit Differenzdrucksensoren misst den Druckabfall über dem Filter. Wenn sich dieser mit Staub zusetzt, erhöht sich der Differenzdruck und für den gleichen Luftstrom ist eine höhere Ventilatorleistung nötig. Wird der Filter dagegen rechtzeitig ausgetauscht, verringert dies die Belastung des Ventilators und das senkt die Energiekosten

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1. Staubresistente Durchflusssensoren
2. Anforderungen an Differenzdrucksensoren

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