Beitrag: Warum Multiparameter-Sensorik die Zukunft der Prozessmesstechnik ist

Zukünftige Multiparameter Messtechnik – Analogie zum Schweizer Taschenmesser

Multiparameter-Sensorik verbindet mehrere Messgrößen in einem kompakten System. Am Beispiel der Gasdurchflussmessung zeigt TrueDyne, wie integrierte Dichte- und Durchflussmessung Gasgemische erkennt, Messfehler kompensiert und eine präzisere Prozessüberwachung in Echtzeit ermöglicht.

Die Anforderungen an moderne Prozessanlagen steigen kontinuierlich. Medien werden komplexer, Prozesse dynamischer und gleichzeitig wächst der Druck, Kosten zu reduzieren und die Verfügbarkeit von Anlagen zu erhöhen. Klassische Sensorik stösst dabei zunehmend an Grenzen. Oft werden einzelne Messgrössen wie Durchfluss, Druck, Temperatur oder Dichte mit separaten Sensoren erfasst. Das erhöht nicht nur den Installationsaufwand, sondern schafft zusätzliche Fehlerquellen und erschwert die Interpretation der Messdaten. Genau an diesem Punkt setzt der Ansatz von TrueDyne Sensors AG an: Weg vom isolierten Messwert, hin zu einem intelligenten, integrierten Sensorsystem. Unter dem Leitgedanken „Rethink Sensing“ entwickelt das Unternehmen Embedded OEM Sensoren, die mehrere physikalische Grössen gleichzeitig erfassen und daraus direkt verwertbare Prozessinformationen ableiten. Das Ziel lautet dabei nicht mehr nur zu messen, sondern den tatsächlichen Nutzen für den Anwender bereitzustellen.

Kombinierte Messtechnik – Durchfluss und Qualitätsmessung vereint

Vom Sensor zum virtuellen Labor im Prozess

Viele industrielle Prozesse werden heute von Eigenschaften beeinflusst, die über den reinen Durchfluss hinausgehen. Dichte, Konzentration, Viskosität oder Gaszusammensetzung spielen oftmals eine ebenso wichtige Rolle. Werden diese Informationen nicht berücksichtigt, entstehen Messfehler oder Prozessabweichungen. Multiparameter Sensorik verfolgt deshalb einen anderen Ansatz. Mehrere MEMS-Sensortechnologien werden in einem einzigen kompakten System kombiniert. Abhängig von der jeweiligen Anwendung können gleichzeitig Parameter wie Durchfluss, Dichte, Druck, Temperatur oder Feuchtigkeit erfasst werden. Der Anwender erhält damit nicht nur einzelne Messwerte, sondern einen physikalisch konsistenten Datensatz von exakt derselben Messstelle. Dies reduziert Unsicherheiten und eröffnet völlig neue Möglichkeiten für Prozessüberwachung, Diagnose und Automatisierung. Die Philosophie dahinter beschreibt TrueDyne als „Labor im Prozess“. Qualitätsparameter werden nicht mehr durch zeitaufwendige Laboranalysen oder komplexe externe Analysatoren bestimmt, sondern direkt inline und in Echtzeit erfasst. Anwendungen reichen von Brennstoffen und Erdgasen über Wasserstoffgemische bis hin zu Schmierstoffen, Tinten oder chemischen Produktionsprozessen.

TrueDyne Eval-Kit für schnelle Testmöglichkeiten

Das zentrale Problem thermischer Durchflusssensoren

Ein besonders anschauliches Beispiel liefert die Gasdurchflussmessung. Thermische Durchflusssensoren gehören heute zu den am häufigsten eingesetzten Technologien. Sie sind kompakt, kostengünstig und flexibel einsetzbar. Ihr grösster Nachteil liegt jedoch in der Abhängigkeit vom jeweiligen Gas. Der Sensorsignalverlauf verändert sich nicht nur mit dem Durchfluss, sondern auch mit der Art des Gases. Ändert sich beispielsweise die Zusammensetzung eines Gasgemisches, kann der Sensor nicht unterscheiden, ob tatsächlich der Durchfluss oder lediglich die Gasart verändert wurde. Deshalb müssen herkömmliche Systeme häufig für jedes einzelne Gas speziell kalibriert werden. Besonders problematisch wird dies bei wechselnden Gasgemischen, wie sie beispielsweise bei Wasserstoffbeimischungen oder industriellen Mischprozessen auftreten.

Basic Flow Chip der IST AG – MFS02

Der wissenschaftlich validierte Lösungsansatz

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte TrueDyne gemeinsam mit der Innovative Sensor Technology IST AG einen neuartigen Multiparameter Sensor. Im Kern kombiniert das System einen thermischen Durchflusssensor mit einem vibronischen Dichtesensor. Der Durchflusssensor basiert auf einem kalorimetrischen Messprinzip und liefert die eigentliche Strömungsinformation. Ergänzt wird er durch einen miniaturisierten Quarz Resonator, der die Dichte des Mediums misst. Aus der Dichte lässt sich wiederum die Gasart oder bei binären Gemischen sogar die Konzentration bestimmen. Dadurch wird erstmals eine automatische Korrektur des Durchflusssignals möglich. Der Sensor erkennt Veränderungen der Gaszusammensetzung selbstständig und passt die Berechnung des Durchflusses in Echtzeit an. Das System liefert somit einen gasunabhängigen Durchflusswert, ohne dass eine aufwendige Neukalibrierung erforderlich wird. Das zugrunde liegende Sensorkonzept zeigt sich besonders eindrucksvoll im kompakten Aufbau. Auf engstem Raum werden thermischer Durchflusssensor, Quarz Oszillator, Drucksensor und Temperatursensor integriert. Das Ergebnis ist ein vollständig kalibriertes OEM-Modul mit digitalen Ausgängen, das sich direkt in kundenspezifische Geräte einbinden lässt.

TrueDyne Dichtesensor DGF-I1 – Quarz Oszillator

Nachweis aus realen Messungen

Dass dieser Ansatz nicht nur theoretisch funktioniert, wurde im Rahmen einer wissenschaftlichen Untersuchung nachgewiesen. Die veröffentlichten Messergebnisse zeigen, dass das System verschiedene Reingase automatisch erkennen und die jeweiligen Korrekturfaktoren anwenden kann. Noch interessanter sind die Ergebnisse bei binären Gasgemischen. Mithilfe der kontinuierlichen Dichtemessung kann die Konzentration eines Gasgemisches nahezu in Echtzeit bestimmt werden. Das System kompensiert anschliessend automatisch die Auswirkungen auf die Durchflussmessung. Selbst bei sich verändernder Zusammensetzung wurden Genauigkeiten von besser als fünf Prozent des Messbereichsendwertes erzielt. Damit erreicht der Sensor Leistungswerte, die bislang häufig nur über gasartspezifische Kalibrierungen möglich waren. Die gezeigten Messungen für CO₂/N₂ Gemische verdeutlichen diesen Effekt ebenfalls. Ohne Korrektur entstehen deutliche Abweichungen. Wird das Gasgemisch über die integrierte Analyse erkannt und in die Berechnung einbezogen, stabilisiert sich das Durchflusssignal und liefert konsistente Ergebnisse über den gesamten Konzentrationsbereich.

Vom Sensor zum intelligenten Analysewerkzeug

Multiparameter Sensorik markiert einen grundlegenden Wandel in der industriellen Messtechnik. Statt einzelne Prozessgrössen isoliert zu betrachten, werden Messwerte direkt miteinander verknüpft und zu verwertbaren Prozessinformationen zusammengeführt. Der von TrueDyne entwickelte Ansatz zeigt eindrucksvoll, wie sich Durchflussmessung und Qualitätsanalyse in einem einzigen Sensor vereinen lassen. Die Kombination von thermischer Durchflussmessung und integrierter Dichteanalyse ermöglicht eine selbstkompensierende, gasunabhängige Messung und schafft damit die Grundlage für präzisere, robuster arbeitende und digitalisierungsfähige Prozesse. Aus einem Sensor wird ein intelligentes Analysewerkzeug. Genau darin liegt das eigentliche Potenzial der nächsten Generation von Prozesssensoren.