Neue Durchflusstechnologien mit integrierter Multifunktionssensorik

Weltweit sind Anlagenbauer und Geräteentwickler auf der Suche nach einer Vereinfachung und Integration ihrer Gas-, Flüssigkeits- oder Dampfdosierungsprozesse. Sie bevorzugen integrierte Plattformen, die kompakt, robust sowie zuverlässig sind und sogar verschiedene Arten von Sensorik enthalten.

In diesem Blog möchte ich Ihnen näheres über die Entwicklung unseres „Toolboxes“, erklären. Eine der Komponenten an der wir arbeiten, ein Mikro-Coriolis-Massenstromsensor, ist im Blog 'Miniaturisierung extrem' enthalten.

Warum entwickeln wir eine Toolbox der nächsten Generation?

Immer häufiger berichten uns unsere Kunden von ihrem Bedarf an Miniaturisierung und der Notwendigkeit, einen Komplex verschiedener Parameter zu steuern, um so den hohen Anforderungen der Anwender gerecht zu werden. Das gilt für den Life-Science-Markt ebenso wie für Hersteller von Analysegeräten, aber auch Märkte, in denen die Online-Gaskonzentration gemessen wird, fordern immer kleinere und multifunktionale Systeme.

MEMS-Technologie

Diese Bedürfnisse haben uns veranlasst, an der nächsten Stufe der Sensorentwicklung zu arbeiten und so den zukünftigen Bedarf der Anlagen- und Gerätebauer zu unterstützen. Diese Neuentwicklung beinhaltet eine MEMS-basierte Technologie (Micro Electro Mechanical System). MEMS-Technologie gibt Ihnen als Anwender die Möglichkeit, mehr als nur den Durchfluss auf einem kundenspezifischen System zu messen, das aus einem oder einer Kombination von Sensoren bestehen kann.

Abb.1: Parameter und Sensorik

Beispielsweise kann eine gemessene physikalische Eigenschaft verwendet werden, um den Typ des Mediums zu identifizieren, wenn diese Eigenschaft für dieses Medium eindeutig ist. Ist z.B. das Medium eine Mischung aus zwei Gasen, so kann die Dichte genutzt werden, um die Zusammensetzung dieser binären Mischung zu analysieren.

Weitere Parameter, die man sich vorstellen kann, sind der Zuckergehalt einer Flüssigkeit (Grad Brix) genannt, oder die Wärmekapazität, die zur Messung von Öl-Wasser-Gemischen verwendet werden kann.

Kurzum, diese neuen Konzepte werden entwickelt, um unsere Kunden bei der Lösung ihrer technologischen Herausforderungen der nächsten Generation zu unterstützen.

Multi-Parameter Sensorchips

Hier einmal ein Beispiel aus unserem Kundenkreis, das Bronkhorst veranlasst hat ein Projekt zur Miniaturisierung von Baugrößen zu starten: Bronkhorst erhielt die Anfrage, mehrere physikalische Eigenschaften eines Gases mit mehreren Sensoren zu messen. Bestimmt werden sollte:

Wärmekapazität (cp)
Dichte (ρ)
Wärmeleitfähigkeit (λ) und
Viskosität (η)

Um diese Eigenschaften zu analysieren, werden mehrere Einzelsensoren wie z.B. ein Coriolis-, Thermal-, Druck- und Dichtesensor benötigt. Um zu beweisen, dass die Kombination mehrerer Sensoren in Kombination mit der Elektronik die Anforderungen des Kunden erfüllen kann, wurde ein Demonstrationsmodell entwickelt. Dieses Demonstrationsmodell enthielt kommerziell erhältliche Produkte, die in einem System kombiniert wurden.

Abb.2: Demonstationsmodell mit bereits bestehender Sensorik

Die Erkenntnisse aus dem Demonstrationsmodell helfen dem Projektteam dabei, den genauen Umfang der Multiparameter-Chip-Alternative zu definieren.

Ein wichtiger Aspekt der Sensorleistung ist die Stabilität, insbesondere wenn mehrere Sensoren kombiniert werden, um Informationen über das Medium im System zu ermitteln. In der Abbildung 1 wird gezeigt, dass wir die Viskosität mit einer Kombination aus Massenstrom, Dichte und Differenzdruck bestimmen können. Mit dem oben gezeigten Demonstrationsmodell haben wir getestet, ob die Viskosität eines Mediums über längere Zeiträume unabhängig von Raumtemperaturänderungen genau gemessen werden kann. Die Messung der Viskosität kann für einige Anwendungen interessant sein, z.B. bei Erdgas, wo Viskosität und Brennwert stark korrelieren. Die Graphik zeigt, dass alle Messwerte für die Viskosität in einem Bereich von 0,5 % liegen.

Im nächsten Schritt sollen die gleichen Funktionalitäten auf einer viel kleineren Grundfläche kombiniert werden. Das folgende Konzept zeigt die Möglichkeiten, die benötigten Parameter auf Chip-Ebene zu kombinieren.

Abb.3: Testergebnisse der Sensorstabilität über einen Testzeitraum von 84 Stunden

Beispiel Sensor: Kombination von Parametern auf Chipebene

Bronkhorst® Flow Solutions

Für Anlagenbauer und Gerätehersteller auf der ganzen Welt, die eine Vereinfachung und Integration ihrer Gas-, Flüssigkeits- oder Dampfströmungsprozesse suchen, kann Bronkhorst bereits bei der Entwicklung und Lieferung von 100 % kundenspezifischen Durchflusslösungen helfen, die die Anforderungen des Kunden vollständig erfüllen.

In verschiedenen anderen Blogs werden Ergebnisse solcher Entwicklungs-Prozesse vorgestellt:

Miniaturisierung extrem – der neue Coriolis-Massendurchflusssensor im Mikromaßstab. Die Entwicklung eines MEMS-basierten Coriolis-Durchflussinstruments – der weltweit kleinste Coriolis-Massendurchflusssensor.
Unser Beitrag über Kundenspezifische Low-Flow-Messsysteme