Laminar Flow Element für thermische Massendurchflussmesser

Thermische Massendurchflussmesser

Thermische Massendurchflussmesser messen den Massenstrom von Gasen mit einer Kombination von beheizten Elementen und Temperatursensoren mittels thermodynamischer Prinzipien, die zur Bestimmung des tatsächlichen Flusses verwendet werden. Sie benötigen eine begrenzte Korrektur für Temperatur-, Druck- oder Dichteänderungen und sind extrem genau, insbesondere bei der Messung von niedrigen und sehr niedrigen Durchflussraten.

Abbildung 1: Laminar Flow Element, LFE

Laminar Flow Element - kritische Komponente

Der Messbereichseinsatz (Laminar Flow Element, LFE) wie in Abbildung 1 dargestellt, ist eine kritische Komponente bei thermischen Massendurchflussmessern, die mit dem Bypass-Prinzip arbeiten. Das LFE erzeugt einen Druckabfall, der dafür sorgt, dass eine genau definierte Menge Gas durch den Bypass fließt. Die eigentliche Messung des Durchflusses erfolgt an diesem Bypass, daher muss das Verhältnis zwischen Hauptstrom und Bypass genau definiert sein. Auf Grund des innovativen Designs des Laminar Flow Elementes herrschen hier die gleichen Druck- und Durchflussbedingungen wie in der Kapillare des Bypasses.

Das LFE besteht aus dünnen Scheiben in die nach präzisen Standards Kanäle geätzt sind. Die Kombination einer größeren Anzahl von Scheiben ermöglicht einen kontrollierten Durchfluss von sehr kleinen (weit unter 1 mln/min) ebenso wie mittleren Durchflussraten (20 ln/min). Diese Strömungsscheiben werden in einem chemischen Ätzprozess hergestellt. Der Bypass ist ein Kapillarrohr mit einem Innendurchmesser von 0,2 mm. Diese geringe Größe ermöglicht schnelle Reaktionszeiten und einen geringen Energiebedarf, da nur ein kleines Rohrvolumen beheizt werden muss.

Die Bedeutung einer laminaren Strömung und der Unterschied zu einer turbulenten Strömung wird in diesem Blog beschrieben.

Laminar vs turbulent flow

Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines LFE, ein genau definierter Teil des Gases fließt durch den Sensor, der Rest fließt durch das LFE

Herstellung von branchenführenden Produkten durch chemische Ätzverfahren

Die Miniaturisierung von Produkten und damit auch deren Komponenten ist eine Notwendigkeit für viele Hersteller um innovative Produkte für industrielle Anwendungen zu entwickeln. Für die Strömungsscheiben in LFE verwenden wir den chemischen Ätzprozess, ein subtraktives Herstellungsverfahren für Mikropräzisionsteile.

Chemisches Ätzen

Chemisches Ätzen (genauer gesagt Photo-Chemical Machining (PCM) und Chemical Milling) ist ebenso präzise wie es schnell und wirtschaftlich ist. Komplizierte, mehrstufige, multifunktionale, hochpräzise Teile können ohne teure Werkzeuge oder Maschinen hergestellt werden. Im Vergleich zu “traditionellen” Fertigungstechniken wie CNC-Fräsen, Drehen, Stanzen, Pressen, Ziehen und mehr “zeitgenössischen” Verfahren wie Laserschneiden und elektrochemischer Bearbeitung ist das chemischen Ätzen sehr flexibel. Einfache Anpassung und Skalierbarkeit liefert ein wertvolles Tool von der Prototyp-Herstellung bis zur Großserienfertigung.

Wesentliche Vorteile

Spannungsfreie, entgratete Teile

Mikrometergenaue Fertigung

Enge Toleranzbreite

Anwendbar für verschiedenste Materialien

Durchmesser von 25 µm bis 2 mm

Runde Löcher, scharfe Kanten, gerade oder profilierte Kanten

Schnelles Prototyping

Kosteneffiziente Fertigung

Flexibel, Modifikationen können schnell umgesetzt werden

Wissenswertes zur Gasdurchflussmessung

Die Kenntnis des Durchflusses ist einer der wichtigsten Prozessparameter neben der Temperatur, dem Druck und dem Füllstand. Die genaue Massendurchflussmessung von Gasen ist entscheidend für den Betrieb und die Kontrolle vieler industrieller und Laborprozesse.

Im Bereich der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, in der chemischen Industrie ebenso wie in der Halbleiterfertigung, ist die präzise Beherrschung des Durchflusses oft der entscheidende Faktor zwischen optimaler Qualität und einer Fehlcharge. In Bereichen wie Laborforschung, Pilotanlagen oder eichpflichtigen Prozessen ist eine präzise und reproduzierbare Messung gleichermaßen unerlässlich.

Der EL-FLOW Prestige ist die nächste Generation der Massendurchflussmesser und Regler für Gase von Bronkhorst. Nahezu alle Komponenten wurden neu designed und so viele Verbesserungen und Innovation in die Instrumente integriert. Mit dieser Geräteserie hat Bronkhorst die “Differential Temperature Balancing”-Technologie eingeführt, die eine ausgezeichnete Sensorstabilität gewährleistet. Sie können sich das White Paper "A holistic view based on data to design components which offer optimal performance of a thermal mass flow meter/controller" herunterladen, um mehr über die in den EL-FLOW Prestige integrierten Innovationen zu erfahren.