Effiziente Messung von Gasdurchfluss mit Differenzdrucksensoren

Autor: Andries Bosma, Product Manager Sensirion, Gas Flow / Differenzdruck

Die Messung von Gasfluss ist bei Applikationen mit hohen Anforderungen an die Präzision und Kosteneffizienz eine Herausforderung. Dabei hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass mikrothermische Flusssensoren anderen Technologien klar überlegen sind. Branchen mit hohen Anforderungen wie die Automobilindustrie und Medizintechnik haben erkannt, dass die mikrothermische Gasflusssensorik für ihre Produkte entscheidende Vorteile bringt. Diese zeigen sich in einer hohen Langzeitstabilität und Genauigkeit bei kleinsten Flussraten und der Eignung zur kosteneffizienten und zuverlässigen Massenproduktion.

Wo im Gasfluss soll ein Sensor platziert werden? Wie muss im Produkt-Design die Gasführung angelegt werden, um bestmögliche Resultate zu erzielen und gleichzeitig einfache Produktionsprozesse zu ermöglichen? Die Erfahrungen aus vielen Kundenapplikationen und Härtetests für Produktzertifizierungen zeigen, dass in den meisten Fällen eine Bypass-Konstruktion der Platzierung des Sensors im Direktfluss vorzuziehen ist.

Methoden der Gasflussmessung

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 Technologie und kommen deshalb für viele Anwendungen nicht in Frage. 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.

Weit verbreitet 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 Temperatur-sensoren, welche den Wärmetransport durch das Gas messen (siehe nebenstehende Graphik). Wir sprechen von mikrothermischen Flusssensoren, wenn solche Sensorelemente auf nur wenigen Quadratmillimetern grossen Mikrochips integriert werden.

Mikrothermische Flusssensorik

Mikrothermische Sensoren haben für viele Applikationen überragende 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. All diese Vorteile bringen grossen Nutzen in verschiedenen Industriezweigen. Sowohl in der Automobil- und der Medizintechnik als auch der Gebäudetechnologie (HLK-Anwendungen) wird für die Gasflussmessung heute primär die mikrothermische Sensorik verwendet.

Der direkte Kontakt mit dem Gas bringt bei thermischen Sensoren auch Herausforderungen mit sich. 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 Rohrinnenfläche oder Ecken und Kanten im Strömungskanal können das Messresultat teilweise verändern. Dazu kann bei stark verschmutzter Luft die Messzelle verunreinigt werden.

Mikrothermische Sensoren haben für viele Applikationen überragende 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. All diese Vorteile bringen grossen Nutzen in verschiedenen Industriezweigen. Sowohl in der Automobil- und der Medizintechnik als auch der Gebäudetechnologie (HLK-Anwendungen) wird für die Gasflussmessung heute primär die mikrothermische Sensorik verwendet.

Der direkte Kontakt mit dem Gas bringt bei thermischen Sensoren auch

Herausforderungen mit sich. 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 Rohrinnenfläche oder Ecken und Kanten im Strömungskanal können das Messresultat teilweise verändern. Dazu kann bei stark verschmutzter Luft die Messzelle verunreinigt werden.

Gutes Design einer Bypass-Lösung

Wie muss die Anordnung eines Bypass-Messverfahrens konstruiert werden, damit die gewünschten Resultate auch erreicht werden können?

Die 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 (siehe nebenstehende Graphik).

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 der Grafik herausgestellt, das einfach im Spritzguss hergestellt werden kann und eine eher lineare Fluss/Differenzdruck-Charakteristik aufweist.

Flussabgriff

Dank der Massenträgheit hat es im Bypass generell weniger Staubpartikel als im Hauptkanal. Ein geeignetes Design der Abgrifflöcher verbessert dies zudem nochmals wesentlich. Der Abgriffkanal sollte rückwärtsgerichtet sein, so dass das Gas um mehr als 90° drehen muss, um zum Sensor zu gelangen. Weiter hat sich gezeigt, dass Führungslamellen vor dem Abgriff den Fluss 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 0.6mm (siehe nebenstehende Graphik).

Einlaufbedingungen

Auch wenn die Flussmessung im Bypass-Verfahren weniger sensibel auf Veränderungen der Einlassbedingungen reagiert, ist es sinnvoll, diese Bedingungen beim Produktdesign zu berücksichtigen. Idealerweise hat es im Rohr unmittelbar vor der Messstelle keine scharfen Kurven oder Kanten und keine abrupten Änderungen des Rohrquerschnitts. Ausserdem kann ein über dem Gesamtdurchmesser gleichmässig verteilter Flusswiderstand (z.B. ein Sieb) vor dem Sensor helfen, Turbulenzen und unerwünschte Einflüsse der Einlassbedingungen zu stabilisieren.

Sensorwahl

Mit dem richtigen Sensor ist die Flussmessung im Bypass das verlässlichste und zudem kostengünstige Messverfahren. Differenzdrucksensoren, wie beispielsweise jene des Sensorherstellers Sensirion, sind aus verschiedenen Gründen ideal 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. Die Sensoren sind damit problemlos auswechselbar.
• Sensirion bietet eine Temperaturkompensation, die auf die spezifischen Gegebenheiten der Bypass-Gasflussmessung optimiert ist (siehe weiterführende Informationen).

Die beiden letztgenannten Eigenschaften 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 moderner Spritzgussverfahren klein ist, genügt in vielen Fällen eine Stichprobenkontrollen der Blenden.

Zusammenfassung

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 äusserst präzise messen. Die Kalibrierung des Sensors auf Differenzdruck und die geeignete Temperaturkompensation erübrigt in vielen Fällen eine zusätzliche Kalibration der gesamten Messstrecke.

Weiterführende Informationen

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 keiner zusätzlichen Temperaturkompensation bedarf. Der Anwender erspart sich damit eine aufwendige Charakterisierung des Bypass-Systems über verschiedene Fluss-/Temperaturmesspunkte.