Sensoren Thermische Dünnfilm- Strömungssensoren in Anemometeranwendungen

Die Firma IST (Innovative Sensor Technology AG) im Schweizerischen Wattwil entwickelt und produziert serienmässig Temperatur-, Strömungs- und Feuchtesensoren, vorwiegend auf der Basis von Platin-, Nickel- und Golddünnschichten auf Keramik-, Glas- oder Polymersubstraten.

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

CADFEM Germany GmbH

IST AG Innnovative Sensor Technology

Die Erfahrungen aus zahlreichen fluidischen und thermischen Optimierungsprojekten führten u.a. zur FS5- Flowsensorfamilie. Dieser kleine Keramikchip hat einen Mikroheizer sowie einen Temperatursensor, beide aus Platin und auf 1% Genauigkeit lasergetrimmt. Ob mit Umspritzung oder ohne. Dieser Winzling ist hervorragend geeignet, um Gasströmungen in kleinen Kanälen zu messen, bzw. über entsprechende Sondenkonstruktionen auch in grossen Rohren.

Die Sensoren sind insbesondere geeignet für die Realisierung von Heissfilm- CTA’s (Constant Temperature Anemometer). Diese Verwendungsart gestattet neben einer schnellen Ansprechzeit auch einen grossen Messbereich (bis 100m/s) bei ausgezeichnetem elektrischem Signalhub. Wie die FS5-Flowsensoren arbeiten und welche Designmerkmale wichtig sind, wird nachfolgend abgehandelt.

Heissfilm Konstanttemperatur -Anemometer

Der Zusammenhang zwischen Strömung und Wärmeübergang in das zu messende Medium wird durch das King’sche Gesetz beschrieben:

Durch einige wenige algebraische Umformungen und Vereinfachungen gelangt man zu einer wesentlich praktischeren Formel:

Das Ausgangssignal wird vorwiegend bestimmt durch den Offsetwert U_o, einen ebenfalls davon abhängigen Kurvenanstieg sowie von einer Fluidkonstante k, die hauptsächlich die Lage des Sensors in der Strömung berück- sichtigt.

Der Wert U_o repräsentiert die konstante Temperaturdifferenz zwischen Heizer und Medium. Genau genommen hält der CTA- Regelkreis die resistive Heizerstruktur auf einer verglichen zum Medium konstanten Übertemperatur. Somit können Toleranzen in der Passivierungsschichtdicke der Sensoren und Oberflächenverunreinigungen das Messsignal beeinflussen, dass heisst den Wärmeübergangskoeffizienten . Dieser hängt aber nicht nur von der Sensorausrichtung im Fluid und der Art des Fluids ab, sondern auch von der Fluidtemperatur.

Die Gleichung für ein ruhendes Fluid ist:

Das bedeutet, jede Abweichung der Anemometercharakteristik, hervorgerufen durch Veränderung der freien Konvektion bei Flow = 0, kann durch eine Justage von U_o kompensiert werden. Sozusagen durch eine 1- Punkt- Kalibration. Um den k- Wert zu ermitteln, ist mindestens noch ein zusätzlicher Punkt bei v ≠ 0 erforderlich. Aber fluidisch bedingte Fehler sind meist durch Ausrichtungsabweichungen des Sensors begründet. Wenn die Sensorarretierung durch die Modulkonstruktion gut gewährleistet ist, führt eine 1- Punkt- Kalibration in den meisten Fällen zu ausreichend guten Messergebnissen über den kompletten Messbereich.

Thermisch optimierte Sensorchip- Layouts

Wie erwähnt, bietet IST die Entwicklung und Produktion kundenspezifischer Sensorelemente an. Hierfür erarbeitet die Sensorentwicklung Design Rules für die Realisierung optimaler Sensorlayouts. Bei thermischen Flowsensoren ist ein wichtiger Parameter das Verhältnis:

FS = full scale

Mit U= Anemometerausgang (FS) und U_o= Nullpunktsignal.

Betrachtet man das thermische Verhalten eines Heissfilm- Chips, so liegt das Optimum bei minimaler freier Konvektion und maximaler erzwungener Konvektion unter Anwendung einer möglichst grossen Temperaturdifferenz ΔT.

Um die freie Konvektion zu minimieren, muss der Mikroheizer eine sehr kleine Fläche haben und es darf nur wenig Wärme in die Randbereiche abgeführt werden (ein punktueller Hot Spot ist am besten). Weiterhin muss die Wärmeleitung von der Sensorspitze in die Anschlussdrähte minimiert werden und für den CTA-mode muss für eine minimale thermische Kopplung zwischen Heizer und Temperatursensor gesorgt werden. Um all das zu erreichen, muss eine gute Materialauswahl sowie ein optimiertes Sensorlayout realisiert werden.

Genau genommen repräsentiert α₀ bzw. U_o die freie Konvektion sowie den Wärmeverlust durch Wärmeableitung und Strahlung bei = 0. (Mehr Infos nach dem Seitenwechsel)

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