Mikrothermische Flusssensoren Bypässe für Gasflussmessungen

Der SDP3x von Sensirion misst Differenzdrücke zum Beispiel in medizinischen Anwendungen.
Der SDP3x von Sensirion misst Differenzdrücke zum Beispiel in medizinischen Anwendungen.

Wo im Gasfluss plaziert man den Sensor? Wie muss die Gasführung im Produkt-Design sein, damit einfache Produktionsprozesse und genaue Gasflussmessungen möglich sind? In den meisten Fällen ist ein Bypass die Lösung!

Bei Messungen des Gasflusses hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass mikrothermische Flusssensoren gegenüber anderen Techniken in puncto Langzeitstabilität und Genauigkeit bei kleinen Durchflussraten bevorteilt sind. Beispielsweise nutzt deshalb die Automobilindustrie und Medizintechnik für ihre Produkte die mikrothermische Gasflusssensorik, v. a. auch hinsichtlich der Eignung zur kosteneffizienten und zuverlässigen Massenproduktion.

Methoden der Gasflussmessung

Es gibt verschiedene Methoden, um den Gasdurchfluss zu messen:

  • mechanische Volumenzähler
  • Schwebekörpermessung
  • Differenzdruckmessung
  • Ultraschall-Durchflussmesser
  • Coriolis-Durchflussmesser
  • magnetisch-induktive Durchflussmesser
  • thermische Durchflussmesser

Messmethoden ohne Kontakt zwischen Gas und Sensor sind teuer. Die klassische Differenzdruckmethode weist häufig Hysterese-Effekte auf. Bei der Differenzdruckmethode wird mit Hilfe der Änderung einer Sensor-Membran der Druckabfall über eine Blende gemessen. Bei Ermüdung der Membran können jedoch Driftprobleme und eine mangelnde Nullpunktgenauigkeit resultieren. Weit verbreitet sind Messtechniken, die auf thermischen Messmethoden basieren. Das Hitzdraht-Anemometer misst z. B. die Abkühlung eines elektrisch beheizten Drahtes, dessen elektrischer Wiederstand temperaturabhängig ist. Fortschrittlichere Verfahren basieren auf einem Heizer und mindestens zwei Temperatursensoren, welche den Wärmetransport durch das Gas messen (Bild 1). Von sog. mikrothermischen Flusssensoren spricht man, wenn die Sensorelemente auf wenigen Quadratmillimeter großen Mikrochips integriert sind.

Mikrothermische Flusssensorik

Mikrothermische Sensoren haben kleine Sensoren und gewährleisten die Verwendung von standardisierten Produktionsverfahren aus der Halbleiterindustrie. Dadurch ist eine konstant hohe Produktionsqualität bei gleichzeitig moderaten Kosten möglich. Moderne Sensorelemente messen außerdem präziser als klassische Hitzdraht-Anemometer und eine Glasbeschichtung über dem Sensorelement beugt Korrosion vor.
Der direkte Kontakt zwischen Gas und thermischen Sensor ist kritisch. 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 Rohrinnenwände oder Ecken bzw. Kanten im Strömungskanal können das Messergebnis verfläschen. Stark verschmutzte Luft verunreinigt die Messzelle zudem.
Um die ansprochenen Probleme zu umgehen, wird der Sensorchip in einem Bypass platziert. Eine Blende, Venturi-Düse oder Lamellen erzeugen eine Druckdifferenz, welche einen kleinen Teil des Gasflusses durch einen Seitenkanal leitet (Bild 2). Ein geeignetes Druckabfallelement im Bypass stellt sicher, dass der Differenzdruckaufbau weniger sensibel auf Veränderungen der Einlaufbedingungen reagiert. Die Massenträgheit, das Design der Abgriffe und geringe Fluss im Bypass sorgen zudem, für sauberes Gas am Sensor. Die Bypass-Lösung hilft, den Produktionsprozess zu vereinfachen. Die Gasführung wird unabhängig vom Sensor gestaltet. Der Sensor kann am Ende des Produktionsprozesses eingesetzt werden. Wenn die Blende richtig designt ist, kann in den meisten Fällen auf eine Kalibration des Gesamtsystems verzichtet werden.