Thermischer Durchflussmesser - Arbeitsprinzip
Thermische Durchflussmesser auf MEMS-Basis (mikroelektromechanische Systeme) verwenden thermische Heizelemente, Temperatursensoren und die thermischen Eigenschaften eines Gases, um den Massendurchfluss zu messen.
Ein thermischer Durchflussmesser besteht in seiner einfachsten Form aus einem Heizelement und Temperatursensoren. Es gibt zwei Möglichkeiten, diesen Aufbau zu verwenden: direkt im Hauptdurchflussweg oder in einem Bypassrohr.
Welche Arten von Wärmemengenzählern gibt es?
Bei niedrigen Durchflussraten ist die Platzierung des Sensors und der Heizelemente im Durchflussweg am vorteilhaftesten, da nur wenig Wärme benötigt wird und die Sensoren die Temperatureffekte auf den Gesamtdurchfluss direkt messen. Durch diese direkte Messung wird eine höhere Genauigkeit als mit einem Bypass-Zähler erreicht.
Thermische Bypasszähler sind bei höheren Durchflussraten vorteilhafter, da sie die Energie, die zur Erwärmung des gesamten Durchflussweges erforderlich wäre, verringern. In einem Bypass-Durchflussmesser fließt der größte Teil der Flüssigkeit durch den Hauptdurchflussweg mit laminaren Platten, während eine kleine, aber proportionale Flüssigkeitsmenge in ein Bypassrohr gedrückt wird. Die im Bypassrohr gemessene Temperaturänderung wird zur Berechnung von Informationen über die gesamte Durchflussmenge verwendet. Die laminaren Strömungselemente sind der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit, machen das Gerät aber auch schwieriger und teurer in der Herstellung.
Wie funktionieren MEMS-Thermostromsensoren?
Thermische Massendurchflussmesser verwenden meist MEMS-Sensoren - kleine Sensoren, die einen von mehreren physikalischen Zuständen, einschließlich der Temperatur, messen können. MEMS-Durchflusssensoren werden auch als CMOS-Durchflusssensoren (complementary metal-oxide-semiconductor) bezeichnet. Es gibt zwei Haupttypen von MEMS-Durchflusssensoren: anemometrische Sensoren und kalorimetrische Sensoren.
Anemometrische Sensoren
MEMS-Anemometriesensoren messen Massendurchflüsse, indem sie die Energieabgabe eines Gases durch das Heizelement messen. Da der Widerstand des Heizelements von seiner Temperatur abhängt, kühlt das am Heizelement vorbeiströmende Gas das Heizelement ab und verringert diesen Widerstand.
Kalorimetrische Sensoren
MEMS-Kalorimetriesensoren messen Massendurchflüsse mit symmetrischen Thermosäulen vor und hinter dem Heizelement. Das Heizelement wird mit Strom versorgt, um die Temperaturdifferenz konstant zu halten. Wenn kein Gas fließt, zeigen die Sensoren denselben Wert an. Wenn Gas strömt, wandert das erhitzte Gas stromabwärts, und der stromabwärts gelegene Sensor ist heißer als der stromaufwärts gelegene Sensor.
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MEMS-Kalorimetriesensoren messen die Temperaturdifferenz zwischen zwei Sensoren.
Der nachstehende Ausdruck beschreibt die Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz, dem Massendurchfluss und anderen Variablen.
Verlorene Temperatur
ΔT ∝ K / qm × CpΔTTemperaturunterschied K: Zählerkoeffizient qmMassendurchsatz CpThermokapazität |
Der Zählerkoeffizient, Kist abhängig von der vom Heizer aufgenommenen Leistung und der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit. Je größer der Durchfluss ist, desto mehr Leistung verbraucht das Heizgerät, da es die Temperaturdifferenz konstant hält. Anhand der obigen Gleichung lässt sich der Massendurchfluss berechnen.
Vorteile der thermischen Durchflussmessung mit MEMS
- Leicht und kostengünstig - MEMS-Thermostromsensoren haben einen einfachen inneren Aufbau.
- Minimale Drift im Laufe der Zeit und daher weniger häufige Kalibrierung als bei einigen anderen Arten von Durchflusssensoren erforderlich.
Nachteile der thermischen Durchflussmessung mit MEMS
- In der Regel kann die Genauigkeit nicht erreicht werden, die mit Laminar-Differenzdruck (DP)-Massendurchflusssensoren oder Coriolis-Durchflusssensoren, oder thermische Überbrückung.
- Die Gaszusammensetzung muss bekannt sein.
- Die Aufwärmzeit ist länger als bei Laminar-DP- und Coriolis-Geräten, aber kürzer als beim Thermal Bypass. Das Heizelement kann mehrere Minuten benötigen, um aufzuheizen und die angegebene Genauigkeit zu erreichen.
Produkte
Alicat's BASIS 2 Thermische MEMS-Massendurchflussmesser und Regler verwenden einen kalorimetrischen MEMS-Thermosensor, der direkt im Durchflussweg positioniert ist. Diese leistungsstarken, erstklassigen Geräte bieten eine hohe Genauigkeit bei einer Reihe von Gasen (die vom Benutzer geändert werden können) und haben eine kleine Stellfläche. Diese Geräte werden häufig als Ersatz für Rotameter und manuelle Regelventile in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Gaschromatographie, bei der Durchspülung von Bioreaktoren und bei der Steuerung von Öfen. BASIS 2-Steuergeräte sind auch in folgenden Ausführungen erhältlich vielseitige Konfiguration für die Gasmischung.
