Messung von Gaskonzentrationen
mit thermischen Strömungssensoren

Messung von Gaskonzentrationen mit thermischen Strömungssensoren
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Thermisches Messprinzip der CMOSens® Durchflusssensoren
26.04.2012 | Es existieren verschiedene sensorbasierte Lösungen zur Messung der Gaskonzentration mit Hilfe von Spektroskopie, elektrochemischen Reaktionen, Wärmeleitfähigkeit, Ultraschallwellen u. anderen Methoden. Wenn die gleichzeitige Messung von Durchfluss und Konzentration eines Gases erforderlich ist, führt eine 1-Sensor-Lösung zu einer erheblichen Kostenersparnis gegenüber einer Lösung mit zwei Sensoren

Die genaue Kenntnis von Art oder Konzentration eines Gases ist für eine Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Bei medizinischen Anwendungen ist die genaue Kenntnis der Konzentrationen von Narkosegas, Sauerstoff oder Heliox erforderlich. Bei der Gasverbrauchsmessung ist der Heizwert des Gases von Interesse, um eine präzise Abrechnung zu ermöglichen. Bei Gasbrennern wird durch Regelung des Mischungsverhältnisses von Gas und Luft in Abhängigkeit von der Gasart die Heizflamme auf maximale Effizienz und Emissionsfreiheit optimiert. Generell besteht bei vielen Anwendungen im Zusammenhang mit Gasen das Bedürfnis einer exakten Messung der Gaskonzentration.
 

Thermische Strömungssensoren

Unter der Vielzahl der verfügbaren Messmethoden eignet sich die thermische Methode hervorragend zur Messung von Gasdurchflüssen und -konzentrationen. Ein thermischer Strömungssensor besteht aus einem Heizelement in einer Durchflusskammer und setzt die Abkühlung des Heizelementes mit dem Massendurchfluss in Beziehung. Das klassische Hitzdrahtanemometer enthält einfach einen Draht mit hohem elektrischen Widerstand, der durch einen elektrischen Strom aufgeheizt wird. Die Kühlwirkung eines strömenden Gases wird anschließend über die temperaturabhängige änderung des elektrischen Widerstandes des Drahtes gemessen, die den messbaren elektrischen Strom beeinflusst.

Moderne thermische Strömungssensoren sind hochintegrierte mikroelektro­mechanische Systeme (MEMS), die im Mikrometerbereich arbeiten. Zwei Temperatursensoren oberhalb und unterhalb des Heizelementes bieten zusätzliche Analyseoptionen. Die neueren Generationen von MEMS-Strömungssensoren werden in hochmodernen Wafer-Fabs in Standard-CMOS-Technologie gefertigt und vereinen den MEMS-Strömungssensor, Analyseschaltungen und Speicherzellen mit Kalibrierungsdaten auf einem einzigen Chip. Diese innovative Strömungssensortechnologie wird als „CMOSens®-Technologie“ bezeichnet.
 

Thermische Messung der Gaskonzentration

Der mit Hilfe thermischer Sensoren gemessene Wärmefluss ist eine Funktion des Produktes aus Gasdichte und Wärmekapazität. Einfach gesagt wird das Heizelement des Strömungssensors umso stärker abgekühlt, je mehr Gasmoleküle, d.h. je mehr Masse an ihm vorbeiströmt. Falls die durch das Produkt aus Gasdichte und Wärmekapazität gegebene Kühlung gleich bleibt, kann das Heizelement nicht zwischen einem Gas mit hoher Wärmekapazität bei niedriger Dichte und einem Gas mit geringer Wärmekapazität bei hoher Dichte unterscheiden. Infolgedessen liefert der thermische Strömungssensor für beide Gase das gleiche Signal, obwohl die Massendurchflüsse unterschiedlich sind. Für eine korrekte Kompensation des Signals muss ein weiterer Gasparameter bekannt sein, der eine Unterscheidung der beiden Gase ermöglicht. Diese zusätzlich mit einem thermischen Strömungssensor gemessene Gaseigenschaft ist die Wärmeleitfähigkeit. Sofern zwei Gase unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, können diese durch Messung der Wärmeleitfähigkeit, die vom tatsächlichen Gasdurchfluss unabhängig ist, eindeutig unterschieden werden. Nachdem ein Gas anhand seiner Wärmeleitfähigkeit identifiziert wurde, kann auch seine Wärmekapazität aus Tabellenwerken über Gaseigenschaften ermittelt werden.
 

Anwendungsbereich

Ein Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit eignet sich somit auch als Sensor zur Messung von Gaskonzentrationen. Bei binären Gemischen zweier Gase mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten lässt sich die Konzentration leicht bestimmen. Aber auch bei Durchflussmessungen in multiplen Gasgemischen lässt sich das Ergebnis enorm verbessern, sofern die Eigenschaften der einzelnen Komponenten der Gaszusammensetzungen mit der Wärmeleitfähigkeit korrelieren.

Betrachten wir einmal eine Anwendung mit einer bekannten, festen Auswahl an verschiedenen möglichen multiplen Gasgemischen. Falls sich die Wärmekapazität (C) der möglichen Gaszusammensetzung als eindeutige Funktion der Wärmeleitfähigkeit (k) beschreiben lässt, können wir C durch Messung von k über die eindeutige Beziehung C = f(k) herleiten. Dies ermöglicht eine präzise gaskompensierte Durchflussmessung des Gasgemisches.
 

Temperaturkompensation

Leider ist die Wärmeleitfähigkeit von Gasen jedoch temperaturabhängig. Die oben beschriebene Methode erfordert somit eine Temperaturkompensation. Mit moderner MEMS-Strömungssensor-Technologie ist es möglich, einen zusätzlichen Temperatursensor zur Erfassung der Temperaturänderungen auf demselben Mikrochip zu integrieren.
 

Anwendungen in der Medizintechnik

Heutige Anästhesiegeräte sorgen für eine genaue und kontinuierliche Zufuhr medizinischer Gase (wie beispielsweise Sauerstoff und Lachgas), die mit Narkosemitteln (wie beispielsweise Isofluran) in genau definierten Konzentrationen versetzt sind, und dem Patienten bei konstantem Druck und Durchfluss verabreicht werden. Zur Regelung der Durchflüsse von Luft, Sauerstoff und Lachgas werden Sensoren verwendet. Strömungssensoren mit integrierter Konzentrationsmessung ermöglichen die Messung des Gesamtdurchflusses von binären Gasgemischen. Diese Strömungssensoren tragen somit zur Verbesserung der Genauigkeit und Regelmöglichkeit bei gleichzeitiger Verringerung der Gesamtkosten bei.

Intensivstationen in Krankenhäusern sind normalerweise mit Intensiv-Beatmungsgeräten ausgestattet. Mit Hilfe dieser mechanischen Ventilation wird die Spontanatmung mechanisch unterstützt oder ersetzt. Dabei kommen verschiedene Techniken und Methoden zum Einsatz und oft werden Gasgemische wie Heliox (He und O2) oder sauerstoffangereicherte Luft verwendet. Auch dies erfordert Sensoren, die Durchfluss und Gaskonzentration gleichzeitig messen können.
 

Brenngasgemische

Gasbrenner in Gebäudeheizungssystemen oder Brennstoffzellenanwendungen benötigen für eine effiziente und saubere Verbrennung ein festes Mischungsverhältnis aus Luft und Erdgas. Leider unterliegt die Qualität des Erdgases innerhalb der unterschiedlichen Länder und Lieferanten starken Schwankungen. Die genaue Bestimmung der Gaszusammensetzung verbessert in hohem Maße die Möglichkeiten zur Regelung  der Verbrennung. Durch die Messung der Gaszusammensetzung mit modernen CMOSens®-Strömungssensoren lässt sich unabhängig von der Gasart eine genaue Kompensation der Massendurchflussmessung erreichen.

Diese Anwendung zeigt die Vorzüge der neuen Sensortechnologie. Wo in der Vergangenheit oftmals druckabhängige Volumendurchflussmessungen zur Regelung von Verbrennungsprozessen erforderlich waren, können nun präzise Massendurchflussmessungen den kalorimetrischen Durchfluss dosieren und eine saubere Verbrennung sicherstellen. Das Beispiel zeigt allerdings auch die Grenzen der derzeitigen Technologie. In der Industrie wird Erdgas in zwei Hauptgruppen eingeteilt: Die H-Gase mit einem hohen Wobbeindex (korrigierter Heizwert) und die L-Gase mit niedrigerem Wobbeindex. Da eine Kombination aus L- und H-Gasen zu mehrdeutigen Verhältnissen der Gaseigenschaften führt, müssen zur Bestimmung der Gasart mit Hilfe von thermischen Strömungssensoren die Gasfamilie bzw. Gasgruppe bekannt sein
 

überwachung der Spülluft

In Fahrzeugen werden Kraftstoffdampf-Auffangsysteme (EVAP) dazu verwendet, das Entweichen von Kraftstoffdämpfen in die Atmosphäre zu verhindern. Verdampfte Kohlenwasserstoffe aus dem Kraftstoffsystem werden vom Aktivkohlebehälter absorbiert. Bei laufendem Motor wird ein kleiner Teil der Ansaugluft zur Spülung des Aktivkohlebehälters verwendet. Die meisten heutigen EVAP-Systeme verwenden einen Spülluft-Strömungssensor zur Einstellung der Benzineinspritzung in den Motor. Die gleichzeitige Messung von Durchfluss und Konzentration von Kohlenwasserstoffen ermöglicht zukünftig eine präzisere Regelung der Kraftstoffzufuhr des Motors.
 

Schlussfolgerung

Die quantitative Bestimmung bestimmter nicht-reaktiver Gaszusammensetzungen in einem gegebenen binären Gemisch hat wichtige Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie beispielsweise Medizintechnik, chemische Verfahrenstechnik, Gasverbrauchsmessung, Vakuumbeschichtung, Spülluftüberwachung sowie Schweißgasgemische. Die schnelle und gleichzeitige Messung von Durchfluss und Konzentration ermöglicht einen effizienteren und präziseren Ablauf von Prozessen. Moderne MEMS-Strömungssensoren ermöglichen die gleichzeitige Messung von Durchfluss und Konzentration binärer Gasgemische und sogar die Erkennung der Art von multiplen Gasgemischen ist innerhalb festgelegter Gasklassen möglich. Ein zusätzlicher Temperatursensor auf dem MEMS-Sensorchip ermöglicht eine Temperaturkompensation über den gesamten Messbereich. Die neuen Errungenschaften in der Sensortechnologie, die durch die „CMOSens®-Technologie“ von Sensirion angetrieben wurden, ermöglichen eine Verringerung der Kosten und verbesserte Regelmöglichkeiten für viele Anwendungen.

 
Autor:

Dr. Vitaliy Vovk
Dipl.Phys.

SENSIRION – the sensor company
Laubisruetistrasse 50, CH-8712 Stäfa ZH, Switzerland
support@sensiron.com
, www.sensirion.com


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