Erik Tiemensma
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Big Data oder auf Deutsch große Datenmengen sind generell der aktuelle Trend in der Digitalisierung; auch wir bei Bronkhorst sehen deutlich, dass Big Data auch die Welt der Durchflussmessung immer mehr beeinflusst. Die Menge und die Geschwindigkeit der Datenübertragung nehmen immer weiter zu und digitale Massendurchflussmesser finden immer mehr Anwendungen in der Forschung und Entwicklung genauso wie im Anlagenbau und der Prozesstechnik.

Thermische Massendurchflussmesser sind weitverbreitete Instrumente in diesem Bereich. Sie messen den Massenstrom von Gasen mit einer Kombination von beheizten Elementen und Temperatursensoren mit thermodynamischen Prinzipien, die zur Ableitung eines tatsächlichen Flusses verwendet werden. Massendurchflussmesser benötigen nur wenige Korrekturen für Temperatur-, Druck- oder Dichteänderungen und sind extrem genau.

Insbesondere bei der Messung von niedrigen und sehr niedrigen Durchflussraten sind sie nicht mehr wegzudenken und werden als sinnvolle Investition betrachtet. Im Laufe der Jahre hat sich die Technik von einfachen VA-Metern bis zum heutigen "smarten" Messgerät wie dem Bronkhorst's EL-FLOW Prestige Massendurchflussmesser entwickelt. Bronkhorst hat große Daten zur Verbesserung der Technologie innerhalb der Massendurchflussmesser verwendet und wir machen es weiterhin, um die Geräte intelligent zu halten. Die verbesserte Technologie innerhalb des Gerätes ermöglicht es, entsprechende Gaseigenschaften, wie z. B. Dichte und Wärmekapazität, aus der im Gerät hinterlegten Datenbank auszuwählen. Messwerte für Umwelteinflüsse wie Druck und Temperatur werden automatisch oder vom Anwender eingestellt. All dies sorgt für eine hervorragende Sensorstabilität, höchste Flexibilität und daraus resultierend eine optimierte Prozessführung.

Aufbau EL-FLOW Prestige

Es gibt viele Parameter wie Temperatur, Druck oder Gaszusammensetzung, die Einfluss auf die Genauigkeit, Stabilität und Reproduzierbarkeit eines Massendurchflussmessers oder -reglers haben. Dies sind in Forschungslaboratorien sehr wichtige Voraussetzungen. Um den Einfluß von so vielen Gasen wie möglich in einer bestimmten Zeitspanne zu untersuchen, bedarf es kurzer Einschwingzeiten sowie einer schnellen Umstellung auf ein neues Gas mit einer sehr kurzen Ausfallzeit. Einem Multi-Gas / Multi-Range-Gerät bietet hier entscheidende Vorteile, weil es die Möglichkeit bietet, mit nur einem Gerät mehrere Gase bei verschiedenen Prozessbedingungen zu verwenden. Umbauzeiten oder das Betreiben mehrerer paralleler Massendurchflussmesser/-regler ist nicht mehr notwendig.

Registrieren Sie sich hier für den Download des Whitepapers EL-FLOW Prestige

Sie sind interessiert, wie Bronkhorst Big Data für die Optimierung thermischer Massendurchflussmesser und Massendurchflussregler der EL-FLOW Prestige-Serie nutzt? In unserem Whitepaper finden Sie detaillierte Informationen über die verschiedenen Einflussfaktoren und deren Auswirkungen auf Genauigkeit, Stabilität, Linearität sowie zur Druckkorrektur.

Bitte füllen Sie das Formular aus und Sie erhalten das Whitepaper.

Weitere Informationen zum EL-FLOW Prestige finden Sie in unserem Blog , auf Youtube und auf unserer Homepage

Maarten Nijland
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Bronkhorst ist Marktführer in der Massendurchflussmessung und –regelung kleiner Durchflüsse. Veco ist seit 35 Jahren ein verlässlicher Partner für Bronkhorst. Gemeinsam wurden Schlüsselkomponenten entwickelt und so die Grenzen in der Massenduchflusstechnologie neu definiert.

Stimmen Sie für unseren Produkt, wenn Sie wie wir alle bei Bronkhorst der Meinung sind, dass die EL-FLOW Prestige Serie mit der Präzisionstechnologie von Veco diesen Innovationspreis verdient hat.

Nomminierungen für den Innovationspreis

Wissenswertes über Durchflussmessungen bei Gasen

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 Durchflussmessergenauigkeit oft der entscheidende Faktor zwischen optimaler Qualität und Fehlcharge. In Bereichen wie Laborforschung, Pilotanlagen oder eichpflichtigen Prozessen ist eine präzise und reproduzierbare Messung gleichermaßen unerlässlich.

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.

Kritische Komponenten

Der Messbereichseinsatz (Laminar Flow Element, LFE) wie in Abbildung 1 und 2 dargestellt ist eine kritische Komponente bei thermischen Massendurchflussmessern, die mit dem Bypass-Prinzip arbeiten. Das LFE erzeugt einen Druckabfall, der dafür sorgt, dass seine 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 LFE herrschen hier die gleichen Druck- und Durchflussbedingungen wie in der Kapillare des Bypasses.

Abbildung 1: EL-Flow Prestige Abb. 1: EL-Flow Prestige

Das LFE besteht aus dünnen Strömungsscheiben mit eingeätzten Kanälen. Die Kombination einer größeren Anzahl von Scheiben ermöglicht einen kontrollierten Durchfluss von sehr kleinen (weit unter 1 mln/min) ebenso wie mittlere Durchflussraten (20 ln/min). Diese Strömungsscheiben werden von Veco in einem chemischen Ätzprozess hergestellt

Shunt-Prinzip LFE, nur ein Teil des Gases fließt durch den Sensor, der Rest fließ durch das LFE

Abb. 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 über 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 haben wir den chemischen Ätzprozess angewendet, ein subtraktives Herstellungsverfahren für Mikropräzisionsteile.

Chemisches Ätzen (auch bekannt als Photo-Chemical Machining (PCM) und Chemical Milling) ist so 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. In kürzester Zeit können Prototypen nach den Vorgaben des Kunden gefertigt werden (Rapid Prototyping).

Wesentliche Vorteile:

  • Spannungsfreie, entgratete Teile
  • Mikrometergenaue Fertigung
  • Enge Toleranzbreite
  • Anwendbar für verschiedenste Materialien
  • Durchmesser von 25 um bis 2 mm
  • Runde Löcher, scharfe Kanten, gerade oder profilierte Kanten
  • Rapid Prototyping
  • Kosteneffiziente Fertigung
  • Flexibel, Modifikationen können schnell umgesetzt werden

EL-FLOW Prestige

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 bisher unerreichte Sensorstabilität gewährleistet.

Hier können Sie sich für das White Paper “A holistic view based on data to design components which offer optimal performance of a thermal mass flow meter/controller” registrieren. In dieser Veröffentlichung von Bronkhorst werden die Innovationen des EL-FLOW Prestige genau beschrieben.

Lesen Sie mehr zum Thema:

Broschüre EL-FLOW Prestige

Video EL-FLOW Prestige

Homepage Veco

Chris King
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In der Regel kommt uns bei der Frage nach thermischen Massendurchflussmessern und Massendurchflussreglern als erstes ein Bypass-Sensor in den Sinn, aber auch ein CTA-Sensor ist in vielen Fällen gut oder sogar besser geeignet.

Wo liegen die Unterschiede?

Bei thermischen Massendurchflussmessern und Reglern wird immer der Sensor elektrisch beheizt. Beim Bypass wird z.B. an einer Position der Sensor aufgeheizt und die Temperatur der Sensorkapillare an 2 Punkten im gleichen Abstand von der Heizung gemessen. Wenn kein Medium fließt, ist die Temperatur an beiden Positionen gleich, die Temperaturdifferenz ist also null. Wenn das Medium durch den Sensor fließt, wird damit auch Wärme transportiert. Die Temperatur am ersten Messpunkt sinkt also, weil durch den Massenfluss dort Wärme wegtransportiert wird. Am zweiten Messpunkt erhöht sich die Temperatur, weil der Massenfluss die Wärme in Fließrichtung transportiert; eine Temperaturdifferenz entsteht. Je höher der Durchfluss, desto höher größer ist die resultierende Temperaturdifferenz. Diese Temperaturdifferenz ist direkt proportional zum Massenfluss. Diese Aussage ist nur dann richtig, wenn entweder der gesamte Massenstrom durch den Sensor fließt (bei kleinen Durchflüssen, wenige ml/min) oder über sog. LFE (Laminar Flow Element) eine Teilung des Durchflusses erfolgt und das Verhältnis zwischen Massendurchfluss durch den Sensor und durch das LFE genau bekannt ist.

Die CTA-Methode (Constant Temperature Anemometry) basiert ebenfalls auf einem thermischen Messprinzip. Hier werden zwei Sensoren direkt im Massenstrom positioniert. Der erste Sensor misst sowohl die Temperatur und fungiert gleichzeitig als Heizer. Der zweite Sensor („downstream“, also flussabwärts) misst die Temperatur des Mediums. Es ist also auch ohne Durchfluss eine gewisse Temperaturdifferenz vorhanden. Ebenso wie beim Bypass-Prinzip wird Wärme vom Heizer zum zweiten Sensor transportiert, wenn das Medium fließt und die Temperaturdifferenz ändert sich. Die Heizleistung des Heizers wird nun so variiert, dass die Temperaturdifferenz immer konstant bleibt, somit ist die Leistung, die proportional dem Massendurchfluss ist.

Beide Techniken haben applikationsspezifische Vorteile und Nachteile. Das Bypass-Prinzip ist sehr gut geeignet für trockene, saubere Gase und bietet neben einer sehr guten Reproduzierbarkeit auch eine sehr gute Genauigkeit. Solche Instrumente sind z.B. der EL-Flow Select, IN-Flow Select und der EL-Flow Prestige.

EL-Flow Prestige

Wenn das fließende Medium (Gas) nicht sauber oder mit Feuchtigkeit beladen ist und vor allem eine sehr gute Reproduzierbarkeit und Robustheit wichtig ist, ist das CTA-Prinzip die bessere Wahl. Die Mass-Stream-Serie bietet robuste und kostengünstige Geräte über einen großen Durchflussbereich.

Mass-Stream

Sie möchten mehr wissen über das CTA-Prinzip? Lesen Sie weiter in unseren Blog-Beiträgen:

5 Gründe für das CTA-Prinzip

Vom König, einer Brücke und einem Massendurchfluss