Wo im Gasdurchfluss soll ein Sensor platziert werden? Wie muss im Produktdesign die Gasführung angelegt werden, um bestmögliche Resultate zu erzielen und gleichzeitig einfache Produktionsprozesse zu ermöglichen? Die Erfahrungen aus vielen Anwendungen und Härtetests für Produktzertifizierungen zeigen, dass in den meisten Fällen eine Bypass-Konstruktion der Platzierung des Sensors im Direktfluss vorzuziehen ist.
Methoden der Gasdurchflussmessung
Es gibt viele verschiedene Methoden, um Gasdurchfluss zu messen: mechanische Volumenzähler, Schwebekörper- und Differenzdruckmessung, Ultraschall-, Coriolis-, magnetisch-induktive sowie thermische Durchflussmesser. Messmethoden ohne Kontakt zwischen Gas und Sensor erfordern eine relativ teure Technik und kommen deshalb für viele Anwendungen nicht infrage. Bei der klassischen Differenzdruckmethode, bei der über die Verbiegung der Sensor-Membran der Druckabfall über einer Blende gemessen wird, führen hingegen Hysterese-Effekte und die Ermüdung der Membran zu Driftproblemen und mangelnder Nullpunktgenauigkeit.
Weitverbreitet sind folglich Messtechniken, die auf thermischen Prinzipien basieren. Im einfachsten Fall – dem Hitzdraht-Anemometer – wird die Abkühlung eines elektrisch beheizten Drahtes gemessen, dessen elektrischer Wiederstand temperaturabhängig ist. Technisch fortgeschrittene Verfahren basieren auf einem Heizer und mindestens zwei Temperatursensoren, welche den Wärmetransport durch das Gas messen (Bild 2). Wir sprechen von mikrothermischen Durchflusssensoren, wenn solche Sensorelemente auf nur wenigen Quadratmillimetern großen Mikrochips integriert werden.
Mikrothermische Durchflusssensorik
Mikrothermische Sensoren haben für viele Anwendungen deutliche 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 klassische Hitzdraht-Anemometer und eine Glasbeschichtung über dem Sensorelement sorgt für Korrosionsresistenz. In der Gebäudetechnik (HLK-Anwendungen) wird für die Gasdurchflussmessung heute primär die mikrothermische Sensorik verwendet.
Der direkte Kontakt mit dem Gas bringt bei thermischen Sensoren auch Herausforderungen mit sich. Weil die Durchflussgeschwindigkeit 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 Rohrinnenfläche, oder Ecken und Kanten im Strömungskanal können das Messresultat teilweise verändern. Dazu kann bei stark verschmutzter Luft die Messzelle verunreinigt werden.
Eine gute Lösung, um solchen Herausforderungen zu begegnen, ist es, den Sensorchip in einen Bypass zu platzieren. Eine Blende, eine Venturi-Düse oder Lamellen erzeugen eine Druckdifferenz, welche einen kleinen Teil des Gasflusses durch einen Seitenkanal leitet (Bild 3). Der mikrothermische Durchflusssensor sorgt dabei für hohe Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität, vor allem auch bei sehr kleinen Durchflussraten. 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, dass nur sehr sauberes Gas den Sensor erreicht.
Die Bypass-Lösung hilft, den Produktionsprozess einfacher zu gestalten. Die Gasführung kann vom Sensor unabhängig hergestellt und der Sensor am Ende des Produktionsprozesses eingesetzt werden. Bei richtigem Design und exakter Herstellung der Blende kann meist auf eine Endkalibration des Gesamtsystems verzichtet werden.
Gutes Design einer Bypass-Lösung
Da es auf die Bypass-Lösung ankommt: Wie muss die Anordnung eines Bypass-Messverfahrens konstruiert werden, damit die gewünschten Resultate auch erreicht werden können?
Blende
Eine Blende hat die Aufgabe, den Widerstand des Gasflusses geringfügig zu erhöhen und dadurch einen Differenzdruck über der Blende zu erzeugen. Physikalisch geschieht dies auf zwei Arten. Erstens führen Reibungen zwischen dem Gas und den Wandflächen der Blende (Flächen parallel zum Fluss) zu einem Druckabfall, der linear mit dem Fluss zunimmt. Zweitens 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 (Bild 4).
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. Eher ungeeignet sind klassische Ringblenden, ideal, aber teuer sind dünne Honigwaben-Strukturen. Als einfaches und gut geeignetes Design hat sich eine Anordnung von Lamellen wie in Bild 5 herausgestellt, das einfach im Spritzguss hergestellt werden kann und eine eher lineare Fluss- / Differenzdruck-Charakteristik aufweist.
Durchflussabgriff
Dank der Massenträgheit gibt es im Bypass generell weniger Staubpartikel als im Hauptkanal. Ein geeignetes Design der Abgrifflöcher verbessert dies zudem nochmals wesentlich. Der Abgriffkanal sollte rückwärtsgerichtet sein, sodass das Gas um mehr als 90 ° drehen muss, um zum Sensor zu gelangen. Weiter hat sich gezeigt, dass Führungslamellen vor dem Abgriff den Durchfluss stabil und laminar halten, und damit das Rauschen des Messsignals verringern. Und zuletzt sollte das Loch beim Abgriff klein sein, idealerweise mit einem Durchmesser von 0,6 mm (Bild 6).
Einlaufbedingungen
Auch wenn die Durchflussmessung im Bypass-Verfahren weniger sensibel auf Veränderungen der Einlassbedingungen reagiert, ist es sinnvoll, diese Bedingungen beim Produktdesign zu berücksichtigen. Idealerweise gibt es im Rohr unmittelbar vor der Messstelle keine scharfen Kurven oder Kanten und keine abrupten Ände-rungen des Rohrquerschnitts. Außerdem kann ein über dem Gesamtdurchmesser gleichmäßig verteilter Durchflusswiderstand (z. B. ein Sieb) vor dem Sensor helfen, Turbulenzen und unerwünschte Einflüsse der Einlassbedingungen zu stabilisieren.
Sensorwahl
Mit dem richtigen Sensor ist die Durchflussmessung im Bypass das verlässlichste und zudem kostengünstige Messverfahren. Differenzdrucksensoren, beispielsweise von Sensirion, sind aus verschiedenen Gründen auf das entsprechende Anforderungsprofil abgestimmt.
Eine 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. Damit lassen sich die Sensoren problemlos auswechseln.
Sensirion stellt für seine Sensoren eine Temperaturkompensation bereit, die auf die spezifischen Gegeben-heiten der Bypass-Gasflussmessung abgestimmt ist (siehe weiterführende Informationen).
Die beiden letztgenannten Ei-genschaften bieten einen weiteren Vorteil. Bei gutem Design und hinreichender Produktionsgenauigkeit des Hauptkanals kann in vielen Fällen auf eine Endkalibration des Gesamtsystems verzichtet werden. Weil der Sensor kalibriert und temperaturkompensiert geliefert wird, und weil die Exemplarstreuung aktueller Spritzgussverfahren klein ist, genügt in vielen Fällen eine Stichprobenkontrolle der Blenden.
Fazit
Um Gasdurchfluss mit hoher Genauigkeit, Robustheit und Konstanz (bei gleichzeitig tiefen Kosten) zu messen, eignet sich meistens eine Differenzdruck- respektive Bypass-Lösung am besten. Verglichen mit Messverfahren im Direktfluss können die Auswirkungen der Einflussbedingungen so reduziert und die Sauberkeit des Gases über dem Sensor deutlich erhöht werden. Wählt man zudem einen thermischen Differenzdrucksensor, so kann man dank dessen hoher Genauigkeit (bei kleinsten Flussraten auch um den Nullpunkt) sehr präzise messen.
Die Kalibrierung des Sensors auf den Differenzdruck und die geeignete Tem peraturkompensation erübrigt in vielen Fällen eine zusätzliche Kalibration der gesamten Messstrecke.
Differenzdrucksensor SDP3x
Dieser Differenzdrucksensor (Bild 1) von Sensirion ist mit einer Größe von 8 x 5 x 5 mm besonders kompakt. Wie alle Differenzdrucksensoren des Herstellers erreicht auch der SDP3x eine hohe Genauigkeit sowie Langzeitstabilität und hat keine Nullpunktdrift. Weiter ist der SDP3x reflow-lötbar, enthält spezielle Funktionen, wie mehrfache I2C-Adressen oder Interrupt-Funktionen, und hat eine schnelle Ansprechzeit von 2 kHz bei einer Auflösung von 16 bit.
Differenzdrucksensor mit Massenfluss-Temperaturkompensation
Die sogenannte Massenfluss-Temperaturkompensation von Differenzdrucksensoren vereinfacht das Messen von Gasdurchfluss im Bypass-Prinzip. Die im Sensor integrierte Kalibration ist dabei so ausgelegt, dass damit Flüsse über den gesamten Temperaturbereich korrekt gemessen werden können. Das heißt also, dass die Umrechnung des Differenzdruckausgangssignals in Massen- oder Volumenfluss keine zusätzliche Temperaturkompensation erfordert. Der Anwender erspart sich damit eine aufwendige Charakterisierung des Bypass-Systems über verschiedene Fluss-/Temperaturmesspunkte.
Andries Bosma,
Produktmanager Gasdurchfluss / Differenzdruck bei der Sensirion AG, CH-Staefa ZH
