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Thermische Durchflussmessung Präzise und voll im Flow

Ein Gastbeitrag von Patrick Reith*

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Anwendungen in der Laboranalytik sind oft klein ausgelegt. Doch auch dort und insbesondere in der industriellen Automation sind größere Durchflüsse nötig. Um selbst hohe Flussraten von bis zu einem Liter pro Minute akkurat zu messen, bietet sich neu auch die thermische Flüssigkeitsdurchfluss­messung an. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Laboranalytik und Industrie.

Abb.1: Mit bis zu einem Liter pro Minute kann der Durchflussmesser von Sensirion selbst bei hohen Flussraten präzise Ergebnisse liefern.
Abb.1: Mit bis zu einem Liter pro Minute kann der Durchflussmesser von Sensirion selbst bei hohen Flussraten präzise Ergebnisse liefern.
(Bild: Sensirion )

Obwohl die Durchflussmessung höherer Fluss­raten mittels Coriolis-Massendurchflussmesser oder Ultraschall-Durchflussmesser sehr akkurat ist, eignet sie sich aus zwei Gründen für viele Anwendungen nicht: Die Technologie ist kostenintensiv und beansprucht viel Platz. Die kostengünstigen Turbinenradzähler hingegen sind für viele Anforderungen zu ungenau und liefern kein kalibriertes Ausgangssignal. Anwender klagen zudem über mangelnde Prozesssicherheit, da sich das Messrad im Strömungskanal verklemmen kann.

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Um hohe Flussraten zuverlässig und vergleichsweise preiswert zu messen, hat der Sensor-Hersteller Sensirion einen neuen Durchflusssensor für die Laboranalytik und Industrie entwickelt, der speziell auf höhere Flussraten ausgelegt und trotzdem nur 7 g schwer und 5 cm lang ist.

Thermische Limitierung? Nicht mit Stahlmembran

Abb.2: Schema zum Messprinzip des Durchflusssensors: Ein Heizelement erwärmt das Fluid im Kanal. Die „Wärme-Wolke“ verformt sich in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit, was durch die beiden Temperatursensoren erfasst wird.
Abb.2: Schema zum Messprinzip des Durchflusssensors: Ein Heizelement erwärmt das Fluid im Kanal. Die „Wärme-Wolke“ verformt sich in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit, was durch die beiden Temperatursensoren erfasst wird.
(Bild: Sensirion )

Die Funktionsweise des Sensors ist schon in anderen Modellen erprobt: Ein mikroskopisch kleines Heizelement fügt dem Fluid eine winzige „Wärmewolke“ zu, die durch den Fluss verformt wird (s. Abb. 2). Zwei hochempfindliche Mikrosensoren messen die Temperatur in gleichem Abstand vor und nach dem Heizelement und erfassen so die Verformung der Wärmewolke, welche sich aus der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren ergibt. Dieser Wert wird durch den Mikrochip auf eine vollständig kalibrierte und linearisierte Flussrate umgerechnet und ausgegeben. Um die Strömung nicht zu stören und den Sensorchip vor Einflüssen durch Medien zu schützen, ist er außerhalb des Kanals angebracht. Die Flussrate wird demnach „durch die Kanalwand hindurch“ gemessen, was bedeutet, dass sowohl die Wärme des Heizers als auch die Signale beider Temperatursensoren die Membran durchqueren. Wie gut die Messung funktioniert, hängt damit auch maßgeblich von den thermischen Eigenschaften der Membran ab – je besser sie die Wärme leitet, desto schneller kann der Sensor auf eine Änderung im Fluss reagieren.

Abb.3: Typisches Kanalprofil im Querschnitt.
Abb.3: Typisches Kanalprofil im Querschnitt.
(Bild: Sensirion )

Beim Durchflusssensor LD20-2600B – ausgelegt für Flussraten bis zu 1.000 ml/h – ist eine Polymermem­bran verbaut, deren Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Wärmeübergangskoeffizient gering sind.

Abb.4: Signalstärke in Abhängigkeit des Flusses: Die Kennlinie der Stahlmembran verläuft flacher als jene der Polymermembran. Damit decken Sensoren mit Stahlmembran einen größeren Flussratenbereich ab.
Abb.4: Signalstärke in Abhängigkeit des Flusses: Die Kennlinie der Stahlmembran verläuft flacher als jene der Polymermembran. Damit decken Sensoren mit Stahlmembran einen größeren Flussratenbereich ab.
(Bild: Sensirion )

Sollen jedoch höhere Flussraten gemessen werden, muss die Wärme effektiver in den Strömungskanal eingebracht werden. Aus diesem Grund haben die Entwickler der neuen Durchflussmesser eine Stahlmembran verbaut. Diese sorgt beim SLF3S-1300F nicht nur für einen größeren Messbereich von bis zu 65 ml/min, sondern auch für einen breiteren Flussratenbereich (s. Abb. 4), da die Kennlinie der Stahlmembran flacher verläuft als jene der Polymermembran. Mit dem neusten Durchflussmesser SLF3S-4000B sind sogar Flussraten bis zu 1.000 ml/min messbar. Dazu mussten die hydrodynamischen Eigenschaften im Strömungskanal optimiert werden.

Der passende Kanalquerschnitt für eine vorteilhafte Hydrodynamik

Voraussetzung für das thermische Messprinzip ist ein laminares Strömungsprofil. Das bedeutet, dass sich die einzelnen Fluidschichten im Durchfluss nicht miteinander vermischen. Denn verwirbelte Stromlinien, oder Turbulenzen, stören das Temperaturprofil und verfälschen das Sensorsignal. Ein diesbezüglich wichtiger Indikator ist die Reynoldszahl (Re), die das Strömungsmuster mittels vier Variablen beschreibt: Kanaldurchmesser, Strömungsgeschwindigkeit, Dichte und dynamische Viskosität des Fluids.

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Ergänzendes zum Thema
Wie wurden hohe Flussraten bisher gemessen? Zwei Methoden

Ein Coriolis-Massendurchflussmesser führt den Volumenstrom vereinfacht gesagt in eine schlaufenförmige Leitung, die leicht vibriert. Die Trägheitskräfte der durchströmenden Masse sorgen dafür, dass die schwingende Leitung aus dem Takt gebracht wird, und zwar umso stärker, je größer der Massenfluss ist. Daraus ermittelt die Sensorsoftware den Durchfluss.

Bei einem Ultraschall-Durchflussmesser sind Sensoren paarweise und in Flussrichtung versetzt am Rohr angebracht. Sie schicken Schallwellen durch die Flüssigkeit. Breitet sich die Schallwelle in Fließrichtung der Flüssigkeit aus, so wird sie beschleunigt – umso schneller, je größer die Fließgeschwindigkeit ist. Umgekehrt wird der Ultraschall gebremst. Dies messen die Sensoren und berechnen daraus den Durchfluss.

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Reynoldszahl = Strömungsgeschwindigkeit mal Durchmesser geteilt durch kinematische Viskosität.

Eine niedrigere Reynoldszahl (bis ca. 2.300) führt zu einer laminaren Strömung und eine höhere (über ca. 3.000) zu einer turbulenten. Grundsätzlich begünstigen geringe Strömungsgeschwindigkeiten laminare Strömungsprofile, wohingegen Instrumente wie Durchflussregler oder im Kanal angebrachte Sensoren Turbulenzen verursachen und zu höheren Reynoldszahlen führen.

Abb.5: Durch das W-förmige Kanalprofil wird abseits des Hauptstroms eine Art Pseudo-Bypass mit laminarer Strömung gebildet.
Abb.5: Durch das W-förmige Kanalprofil wird abseits des Hauptstroms eine Art Pseudo-Bypass mit laminarer Strömung gebildet.
(Bild: Sensirion )

Um hohe Flussraten akkurat zu messen, sind entweder höhere Strömungsgeschwindigkeiten oder größere Kanalquerschnitte erforderlich. Das Problem dabei: Beide Faktoren erhöhen die Reynoldszahl – und damit die Wahrscheinlichkeit von Turbulenzen. Um diese hydrodynamische Limitierung zu überwinden, haben sich die Sensirion-Ingenieure bei der Entwicklung des neuen High-Flow-Sensors eines konstruk­tiven Tricks bedient: Sie legten das neue Kanalprofil W-förmig aus (s. Abb. 5). Dies schafft die Möglichkeit, den Mikrosensor-Chip beim dünnen Nebenstrom (mit laminarer Strömung) zu positionieren, wo er seine Messperformance richtig ausspielen kann.

Mit physikalischen Modellen an ein ideales Messumfeld annähern

Während der Entwicklung des neuen High-Flow-Sensors haben die Ingenieure festgestellt, dass sich bei den Sensoren mit W-Profil eine Reihe von Störeinflüssen stärker auf die Messgenauigkeit auswirken als bei den herkömmlichen Sensoren mit rundem Profil. So hat z. B. die Fluidtemperatur einen größeren Einfluss auf den Messwert, da diese nicht nur die thermischen, sondern auch die hydrodynamischen Eigenschaften verändert – mitunter, da die Wärmeleitfähigkeit des Fluids von der Temperatur abhängt. Beispielsweise reduziert eine erhöhte Fluidtemperatur die Viskosität, die beim W-Profil einen größeren Einfluss auf den Messwert hat. Folge: es kommt eher zu Turbulenzen, die Reynoldszahl ist höher.

Ein ideales Messumfeld zu schaffen, bleibt folglich auch nach Überwindung der thermischen und hydrodynamischen Limitierungen anspruchsvoll. Um bei der Berechnung von Flussraten weitere Einflüsse miteinzubeziehen, bedient sich Sensirion zusätzlich physikalischer Modelle, die in die hauseigene Kalibration einfließen und sicherstellen sollen, dass der Sensor unter allen Bedingungen zuverlässig und akkurat funktioniert.

Mit dem neuen High-Flow Sensor SLF3S-4000B deckt das Unternehmen nun einen beträchtlich ausgedehnten Messbereich vom Nanoliter pro Minute bis zum Liter pro Minute ab. Doch das soll noch längst nicht das Limit sein: Die Sensirion-Entwickler wollen die Messlatte noch weiter erhöhen und haben Flussraten von bis zu 20 l/min im Visier. Erste Feldstudien sind bereits geplant.

Sensirion auf der Analytica 2022: Halle A3, Stand 137

* P. Reith, Sensirion, 8712 Stäfa/Schweiz

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