Thermische Strömungssensoren
Genug des Gases?
Es existieren verschiedene sensorbasierte Lösungen zur Messung von Gaskonzentrationen mithilfe von Spektro-skopie, elektrochemischen Reaktionen, Wärmeleitfähigkeit, Ultraschallwellen und sonstigen Methoden. In Fällen, in denen die gleichzeitige Messung von Durchfluss und Konzentration eines Gases erforderlich ist, führt eine Ein-Sensor-Lösung zu einer erheblichen Kostenersparnis gegenüber einer Lösung mit zwei Sensoren.
Die genaue Kenntnis von Art oder Konzentration eines Gases ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Bei medizinischen Anwendungen ist die genaue Kenntnis der Konzentrationen von Narkosegas, Sauerstoff oder Heliox erforderlich. Unter der Vielzahl der verfügbaren Messmethoden eignet sich die thermische Methode gut zur Messung von Gasdurchflüssen und -konzentrationen.
Ein thermischer Strömungssensor besteht aus einem Heizelement in einer Durchflusskammer und setzt die Abkühlung des Heizelementes mit dem Massendurchfluss in Beziehung. Das klassische Hitzdraht-Anemometer enthält einfach einen Draht mit hohem elektrischen Widerstand, der durch einen elektrischen Strom aufgeheizt wird.
Über die temperaturabhängige Änderung des elektrischen Widerstandes des Drahtes lässt sich anschließend die Kühlwirkung eines strömenden Gases messen, die den messbaren elektrischen Strom beeinflusst. Moderne thermische Strömungssensoren sind hochintegrierte mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die im Mikrometerbereich arbeiten.
Zwei Temperatursensoren oberhalb und unterhalb des Heizelementes bieten zusätzliche Analyseoptionen. Die neueren Generationen von MEMS-Strömungssensoren werden in Wafer-Fabs in Standard-CMOS-Technologie gefertigt und vereinen den MEMS-Strömungssensor, Analyseschaltungen und Speicherzellen mit Kalibrierungsdaten auf einem einzigen Chip.
Diese Strömungssensortechnik heißt bei Sensirion »CMOSens« (Bild 1). Für die Integration eines thermischen Strömungssensors auf einem Siliziumchip wurde für die CMOSens-Gasströmungssensoren ein aufwendiger, aber robuster Ansatz gewählt: Von hinten wird eine nach vorne geschlossene, druckstabilisierte und mit Glas passivierte Membran in den Siliziumchip geätzt.
Die plane Glasoberfläche verhindert, dass sich Schmutz festsetzen kann. Gleichzeitig erlaubt die druckfeste Membran mit einer entsprechenden Hinterlüftung den Einsatz selbst bei harten Druckstößen. Auf dieser druckstabilen Membran wird in der Mitte ein steuerbares Heizelement und symmetrisch davon jeweils aufwärts und abwärts in Strömungsrichtung je ein Temperatursensor aufgebracht.
Jede Strömung über dieser Membran verursacht eine thermische Verfrachtung der Wärme zum stromabwärts gelegenen Temperatursensor und generiert somit durch die entstandene Temperaturdifferenz ein präzise messbares Signal. Dank der geringen thermischen Masse der Membran reagiert der Sensor in 1,7 ms (1/e) auf Änderungen der Gasströmung.
Die auf demselben Chip integrierte Auswerteschaltung erlaubt eine programmierbare Verstärkung und bereitet das erzeugte analoge Sensorsignal auf. Typischerweise misst ein solcher Sensor eine Sensorspannung von nur 500 nV langzeitstabil und störungsfrei. Zwei ebenfalls integrierte 16-Bit-A/D-Wandler digitalisieren die Signale des Strömungssensors und des zusätzlichen Temperatursensors in Paketen von 0,7 ms.
Die integrierte, nachgeschaltete digitale 20-Bit-Linearisierungseinheit korrigiert bei jedem Messpaket die Nicht-linearität des Strömungssensors und kompensiert mithilfe des Temperatursignals eventuell auftretende Temperatureffekte. Anschließend werden die linearisierten Pakte über eine programmier-bare Dauer gemittelt. So entsteht ein sehr schnelles und hochgenaues Sensorsignal.
Der Chip lässt sich je nach Bedarf mit einem digitalen oder analogen Ausgang betreiben. Um Druckfestigkeit und Dichtigkeit zu gewährleisten, wurde ein Edelstahlgehäuse mit integriertem Strömungskanal und vakuumdichten Glasdurchführungen für die elektrischen Kontakte entwickelt. Die Technik der Glasdurchführungen hat sich in der Vakuumtechnik für sehr dichte und inerte Gehäuse bestens bewährt. Damit lassen sich Gasströmungssensoren aus Silizium vollständig in Edelstahl einschweißen. Als Dichtmaterialien kommen nur Glas und vergoldete Stifte zum Einsatz. Da die gesamte analoge Signalverarbeitung auf einem Chip stattfindet, entfallen störanfällige Lötstellen für kleine analoge Signale.
Thermische Messung
Der mithilfe thermischer Sensoren gemessene Wärmefluss ist eine Funktion des Produktes aus Gasdichte und Wärmekapazität. Einfach gesagt wird das Heizelement des Strömungssensors umso stärker abgekühlt, je mehr Gasmoleküle, also Masse, an ihm vorbeiströmen. Falls die durch das Produkt aus Gasdichte und Wärmekapazität gegebene Kühlung gleich bleibt, kann das Heizelement nicht zwischen einem Gas mit hoher Wärmekapazität bei niedriger Dichte und einem Gas mit geringer Wärmekapazität bei hoher Dichte unterscheiden.
Infolgedessen liefert der thermische Strömungssensor für beide Gase das gleiche Signal, obwohl die Massendurchflüsse unterschiedlich sind. Für eine korrekte Kompensation des Signals muss ein weiterer Gasparameter bekannt sein, der eine Unterscheidung der beiden Gase ermöglicht. Diese zusätzlich mit einem thermischen Strömungssensor gemessene Gaseigenschaft ist die Wärmeleitfähigkeit.
Sofern zwei Gase unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, lassen sich diese durch Messung dieser Größe, die ja vom tatsächlichen Gasdurchfluss unabhängig ist, eindeutig unterscheiden. Nachdem ein Gas anhand seiner Wärmeleitfähigkeit identifiziert wurde, kann auch seine Wärmekapazität aus Tabellenwerken über Gaseigenschaften ermittelt werden.
Ein Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eignet sich somit auch als Sensor zur Messung von Gaskonzentrationen. Bei binären Gemischen zweier Gase mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten lässt sich die Konzentration leicht bestimmen. Aber auch bei Durchflussmessungen in multiplen Gasgemischen lässt sich das Ergebnis enorm verbessern, sofern die Eigenschaften der einzelnen Komponenten der Gaszusammensetzungen mit der Wärmeleitfähigkeit korrelieren.
Medizinische Anwendungen
Heutige Anästhesiegeräte sorgen für eine genaue und kontinuierliche Zufuhr medizinischer Gase wie beispielsweise Sauerstoff und Lachgas, die mit Narkosemitteln wie etwa Isofluran in genau definierten Konzentrationen versetzt sind, und dem Patienten bei konstantem Druck und Durchfluss verabreicht werden. Zur Regelung der Durchflüsse von Luft, Sauerstoff und Lachgas kommen Sensoren zum Einsatz (Bild 2).
Intensivstationen in Krankenhäusern sind normalerweise mit Intensiv-Beatmungsgeräten ausgestattet. Mit Hilfe dieser mechanischen Ventilation wird die Spontanatmung mechanisch unterstützt oder ersetzt. Dabei kommen verschiedene Techniken und Methoden zum Einsatz, und oft werden Gasgemische wie Heliox (He und O2) oder sauerstoffangereicherte Luft verwendet. Auch dies erfordert Sensoren, die Durchfluss und Gaskonzentration gleichzeitig messen können.
Über den Autor:
Dr. Vitaliy Vovk betreut als Product Manager die Differenzdruck- und Gasflusssensoren bei Sensirion.
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