Wissens-Zwinker: Verbessertes Methanol/Wasser Konzentrationsmodell für Brennstoffzellen
Warum dieser Test?
Die Methanol-Brennstoffzelle ist eine wichtige Technologie für die Energiewende. Obwohl die heutige Methanol Produktion noch stark von fossilen Quellen abhängt, werden erneuerbare Rohstoffe wie Biogas, Klärschlamm oder sogar atmosphärisches CO2 immer wichtiger. Eine Brennstoffzelle wie z.B. die direct methanol fuel cell (DMFC) erzeugt aus diesem Methanol dann Strom analog zu einem klassischen Generator. Wichtig für das effiziente und sichere betreiben solcher Brennstoffzellen ist das Einspeisen eines Methanol / Wasser Gemisches mit konstanter Konzentration – dabei hängt die optimale Konzentration vom Typ der Brennstoffzelle ab. Erschwert wird die Prozesskontrolle durch die unvollständige Umsetzung des Methanols. Ein variierender Anteil des Gemischs tritt unverbraucht wieder aus der Brennstoffzelle aus und soll kontinuierlich rezykliert werden. Abbildung 1 zeigt den Prozess dazu schematisch:
Abbildung 1: Schema einer Direktmethanolbrennstoffzelle mit diversen möglichen Messpunkten.
Das Bereitstellen eines kontrollierten Gemisches aus dem Rezyklat und einer Methanol-Stammlösung stellt entsprechend eine Herausforderung dar. Genau hier kommt die Konzentrationsmessung mittels Dichtesensor DLO-M2 ins Spiel (oranger Messpunkt 2 in Abbildung 1).
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Müssen Sie schnell etwas messen, zeichnen oder bauen? Die Geschwindigkeit, mit der das Ergebnis erzielt wird, zählt mehr als der perfekte (wissenschaftliche) Ansatz. Aus diesem Grund haben wir den „Wink of Knowledge“ eingeführt. Wissenschaft im Handumdrehen, sozusagen. Wir wollen nichts wissenschaftlich beweisen. Wir wollen lediglich etwas schnell und pragmatisch demonstrieren. Wenn Sie Interesse haben, besprechen wir diese Ergebnisse gerne ausführlicher mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
Bestehenden Daten zu wässrigen Methanol Lösungen wurden mit eigenen Messungen mit einem DSA 5000 M Labor-Dichtmessgerät (Anton Paar) kombiniert. Die eigenen Messungen umfassten hierbei vor allem typische Betriebsbedingungen von Brennstoffzellen wie Konzentrationen <10% bei Temperaturen >40°C.
Die gesammelten Daten wurden in ein Konzentrationsmodell für unseren Dichtesensor DLO-M2 verarbeitet. Als Resultat kann dieser nun aus dem Dichtemesswert direkt die Methanol-Konzentration einer Lösung mit einer Genauigkeit von ±0.2%w/w berechnen und ausgeben:
Abbildung 2: Genauigkeitsbetrachtung des neuen Konzentrationsmodells Methanol in Wasser nach %w/w
Natürlich ist neben der Modellgenauigkeit auch die Messgenauigkeit des Sensors ausschlaggebend. Im Falle des VLO-M2 beträgt diese ca. ±0.2 kg/m3 für die betrachteten Gemische (Der DLO-M2 erreicht nach Abgleich eine vergleichbare Performance). Für den gesamten Konzentrationsbereich und eine Beispiel-Temperatur von 25°C zeigt sich somit folgendes Bild:
Abbildung 3: Gesamtgenauigkeit der Messung unter Einbezug der Messgenauigkeit des Dichtesensors DLO-M2
Im kompletten Messbereich von 0-100%w/w bleibt die Gesamtgenauigkeit sehr gut und bewegt sich um ±0.3 %w/w (grau schattiert in Abbildung 3). Dank der hervorragenden Messgenauigkeit der TrueDyne MEMS-Sensorik beeinflusst der Fehler durch die Dichtemessung den Gesamtfehler in diesem Fall sogar weniger als die reine Modellgenauigkeit (dargestellt durch die orange Linie auf ± 0.2%w/w).
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Fazit
Ein neues, wesentlich genaueres Methanol/Wasser Konzentrationsmodell wurde in der DML Produktfamilie (DLO-M2 / VLO-M2) integriert. Hintergrund für dieses Update ist der zunehmende Einsatz von Methanol als Energieträger zum Beispiel zur Stromversorgung via Brennstoffzellen. Das Modell ermöglicht im Zusammenspiel mit der hochpräzisen Dichtemessung unserer Sensorik eine Echtzeit-Konzentrationsüberwachung des Methanol/Wasser Gemisches und somit einen effizienten und sicheren Betrieb der Brennstoffzelle. Dadurch können ein optimaler Wirkungsgrad bei maximaler Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht werden.
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Bei herkömmlichen thermischen Massendurchflussmessern und -reglern (MFM/MFC) müssen für jedes spezifische Gas oder binäres Gasgemisch zugehörige Parameter manuell eingestellt werden.
In Zusammenarbeit mit der Innovative Sensor Technology (IST AG) wird derzeit an der Entwicklung eines thermischen Durchflussmessers namens FGF gearbeitet. Dieses Modul misst gleichzeitig die Dichte, die Temperatur, den Druck, sowie den Massefluss und berechnet daraus abgeleitete Messgrössen in einem einzigen Gerät. Die Dichtemessung ermöglicht die Unterscheidung von Reingasen und die Bestimmung der Konzentration binärer Gasgemische. Dadurch kann der gemessene Durchfluss korrigiert und der Massefluss in Echtzeit in einen Volumenstrom umgerechnet werden. So kann ein Sensor mit einer einmaligen, generischen Gaskalibration für (fast) beliebig viele Gase verwendet werden.
Basierend auf dem FGF wurde nun ein Prototyp eines Massendurchflussreglers entwickelt. Dank der vielseitigen und präzisen Sensorik kann der Volumenstrom exakt und gasunabhängig gesteuert werden. Dabei werden die Regelparameter des Ventils automatisch für das aktuelle Gas, beziehungsweise das binäre Gasgemisch, optimiert.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Müssen Sie schnell etwas messen, zeichnen oder bauen? Die Geschwindigkeit, mit der das Ergebnis erzielt wird, zählt mehr als der perfekte (wissenschaftliche) Ansatz. Aus diesem Grund haben wir den „Wink of Knowledge“ eingeführt. Wissenschaft im Handumdrehen, sozusagen. Wir wollen nichts wissenschaftlich beweisen. Wir wollen lediglich etwas schnell und pragmatisch demonstrieren. Wenn Sie Interesse haben, besprechen wir diese Ergebnisse gerne ausführlicher mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
Nach einer Reihe von Messungen mit dem Massendurchflussregler wurde festgestellt, dass ein deutlicher Zusammenhang zwischen den idealen Regelparametern und der Dichte besteht, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Der Zusammenhang zwischen den optimalen Regelparametern und der Dichte ergibt sich aus der Tatsache, dass das Gas mit zunehmender Dichte schwerer wird, was wiederum zu einer trägeren Reaktion des Ventils führt.
Der benötigte Strom, um das Ventil zu öffnen, fällt deutlich geringer aus bei zunehmender Dichte des Gases. Diesen Ventilparameter bezeichnen wir auch als Nullpunkt Offset. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein schwereres Gas im geschlossenen Zustand mehr Druck auf das Ventil ausübt als ein leichteres Gas.
Mit Hilfe der Funktion der Trendlinie können nun die jeweiligen Parameter für den Regler und den Nullpunkt Offset berechnet werden. Somit können alle Ventilparameter für beliebige Gase oder binäre Gasgemische innerhalb eines bekannten Dichtebereichs, ohne manuelle Korrektur, optimal eingestellt werden.
Abbildung 1: Dichteabhängigkeit der Parameter
Abbildung 2 zeigt den Unterschied zwischen dem gemessenen Durchfluss unseres MFC-Prototypen, ohne spezifische Parameter für das Gasgemisch einzustellen, und dem eines herkömmlichen Massendurchflussreglers für ein binäres Gemisch aus 50% Stickstoff und 50% Kohlenstoffdioxid.
Die orangene Messkurve zeigt deutlich, dass der Regler des herkömmlichen MFCs besonders bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten nicht in einen stabilen Zustand einschwingt. Durch die integrierte Dichtemessung und Konzentrationsbestimmung des FGF werden automatisch die optimalen Ventilparameter eingestellt. Somit ergeben sich kurze Einschwingzeiten und eine stabile Durchflussregelung, in der roten Messkurve erkennbar, unabhängig des Mischverhältnisses über den gesamten Durchflussbereich hinweg – eine patentierte Weltneuheit!
Abbildung 2:Gemessener Durchflussunseres MFC-Prototypenund einem herkömmlichen MFC
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Die Messung der Dichte, auf der die Reingaserkennung sowie die Konzentrationsbestimmung beruht, wurde mit dem DGF Dichtesensor für Gase von TrueDyne Sensors AG durchgeführt.
Der Gasfluss und dessen Richtung wurden mit dem thermischen Strömungssensor SFS01 von IST AG ermittelt.
Fazit
Unser Prototyp eines Massendurchflussregler auf Basis des FGFs zeigt deutliche Vorteile bei der gasabhängigen Steuerung von Durchflüssen gegenüber herkömmlichen MFCs. Durch die automatische Anpassung der Ventilparameter in Abhängigkeit von der Dichte kann der Massendurchfluss präzise und gasunabhängig geregelt werden. Dies ermöglicht eine stabile, flexible und präzise Durchflussmessung und -regelung in verschiedensten Anwendungen, ohne jegliche Parameter manuell anpassen zu müssen.
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Wissens-Zwinker: Überwachung des Biergärprozesses über Dichte und CO2 Bildung
Warum dieser Test?
Die Dichte wird bereits in den meisten Brauereien zur Überwachung des Gärprozesses und der Bestimmung des finalen Alkoholgehalts gemessen. Vor allem in Klein- und Mikrobrauereien geschieht dies meist noch immer durch «Spindeln». Hierzu muss für jeden Messpunkt eine Probe aus dem Gärtank entnommen werden, welche dann mittels Aräometer vermessen wird. Um den Gärverlauf verfolgen zu können benötigt man nun viele solcher Messungen und dementsprechend einen hohen Aufwand an Zeit und Bier. Wir stellen in diesem Wissenszwinker zwei automatisierbare Alternativen vor, einerseits die direkte Inline – Dichtemessung mittels DLO-M2 und andrerseits die (Durchfluss-) Messung des gebildeten CO2 mit einem DGF-SFS Modul.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
Die Stammwürze wurde gemessen und betrug 15,82° Plato gemäss DLO mit proprietärem Konzentrationspaket, die Verifikationsmessung mit dem Laborgerät DSA 5000 M (Anton Paar) ergaben 15.75 °Plato was ausgezeichnet übereinstimmt (typische Messfehler mit dem Aräometer sind im Bereich 0.1° Plato – 0.2° Plato für geübte Benutzer, mit üblichen Handheld-Geräten bei 0.25°Plato). Der Dichteverlauf wurde während dem gesamten Gärprozess kontinuierlich gemessen und ist zusammen mit dem daraus berechneten, scheinbaren Extrakt auf Abbildung 1 zu sehen. Der Verlauf ist wie erwartet: Nach einer kurzen, stabilen Anlaufphase beschleunigt sich die Reaktion, bevor sie dann in eine Sättigung läuft und der Gärprozess schlussendlich wieder zum Stillstand kommt.
Abbildung 1: Verlauf von Dichte und scheinbarem Extrakt während des Gärprozesses
Das gegensätzliche Verhalten ist für den Alkoholgehalt zu beobachten, welcher aus diesen Daten ebenfalls berechnet werden kann (Abbildung 2)
Abbildung 2: Verlauf von Alkoholgehalt und realem Extrakt während dem Gärprozess
Somit konnten durch die Dichtemessung alle relevanten Parameter der Biergärung in Echtzeit überwacht werden und Extrakt sowie Alkoholgehalt des fertigen Bieres sind ebenfalls bekannt.
Die zweite Möglichkeit zur Bestimmung derselben Parameter besteht in der Messung des entstehenden CO2, da dies in einem festen stöchiometrischen Verhältnis zum Ethanol gebildet wird:
C6H1206 -> 2 C2H5OH+ 2CO2
Oder als Massenbilanz in g/mol:
180.16 -> 2 * 46.07 + 2* 44.01
Die summierte Strömung des mittels SFS-DGF Strömungsmodul gemessenen CO2 Flusses ergibt die insgesamt gebildete Menge CO2, aus welcher entsprechend der obigen Formel ebenfalls auf die Masse an Alkohol und somit auf den Alkoholgehalt geschlossen werden kann. Im Experiment fiel der gemessene CO2-Fluss insgesamt um einen Faktor 1.29 tiefer aus als gemäss der Dichtemessung zu erwarten wäre (Abbildung 3, Abbildung 4 zeigt dann die entsprechend korrigierte Rückrechnung des Extraktes/Alkoholgehalts). Der Reaktionsverlauf wird sehr gut durch die Strömungsmessung abgebildet, sodass eine Steuerung des Gärprozesses unter Verwendung des Korrekturfaktors bereits möglich wäre.
Abbildung 3: Gemessener CO2 Fluss im Vergleich zum erwarteten CO2 Fluss (gemäss Dichtedaten)
Abbildung 4: Rückrechnung des Alkoholgehalts sowie des Extraktes aus der CO2 Strömungsmessung mit Korrekturfaktor
Gründe für die tieferen Messwerte beim CO2 Strom könnte neben kleinen Leckagen die Feuchtigkeit sowie der Ethanolgehalt im gemessenen Gas sein (Ein thermisches Messprinzip wurde verwendet, welches sensibel auf die Gaszusammensetzung ist). Zukünftig ist für solche Messungen deshalb eine zusätzliche Bestimmung der Feuchtigkeit bzw. des Ethanolgehalts empfehlenswert. Erstere kann mittels zusätzlichem HYT-Feuchtemodul bewerkstelligt werden. Nach Messung der Feuchtigkeit kann der bereits verwendete DGF-Dichtesensor dann die Konzentration der übrigen beiden Komponenten CO2 und Ethanol bestimmen. Somit kann das thermische Durchfluss-Signal des SFS-Strömungsmoduls korrigiert und die tatsächlich gebildete Menge CO2 genauer bestimmt werden.
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Vorgehen
Stammwürze (15.75 °Plato) wurde in eine 3l Laborflasche abgefüllt und durch Zugabe von Hefe innerhalb von < 2 Tagen vergoren (herzlichen Dank an Severin Ramseyer für Würze + Hefe). Dabei wurde das Gemisch kontinuierlich unter Verwendung eines 140um Maschenfilters durch einen DLO-M2 Dichtesensor gepumpt. Gleichzeitig wurde das entstehende CO2 durch eine Waschflasche (gefüllt mit Wasser) zu einem DGF-SFS Modul geleitet. Das Modul war auf ein Gemisch aus Luft+CO2 eingestellt. Die Daten wurden jeweils auf einem Laptop mittels «Remote Control» Software geloggt. Der gesamte Aufbau ist auf Abbildung 5 zu sehen.
Abbildung 5: Versuchsaufbau
Fazit
Eine kontinuierliche Dichtemessung mittels DLO-M2 wurde erfolgreich zur Verfolgung des Biergärprozesses umgesetzt und Extrakt sowie Alkoholgehalt des fertigen Produktes konnten bestimmt werden. Die Strömungsmessung des entstehenden CO2 stimmte qualitativ sehr gut mit der Dichtemessung überein und könnte für die Steuerung des Gärprozesses ebenfalls verwendet werden. Zur quantitativen Rückrechnung auf Alkoholgehalt und Extrakt aus den Strömungsdaten muss vorerst ein Korrekturfaktor verwendet werden. In Zukunft würde aber eine Messung der Feuchtigkeit und des Ethanolgehalts im CO2 vorgenommen, um die CO2 Menge genauer bestimmen zu können.
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Wissens-Zwinker: Messung der Wasserstoffperoxid Konzentration in Wasser mit <0.025% Messunsicherheit
Warum dieser Test?
Wasserstoffperoxid wird in Bereichen wie Medizin, Lebensmittelindustrie, Pharmatechnik oder Biologie eingesetzt zur Dekontamination beziehungsweise Sterilisation jeglicher Oberflächen. Auch Anwendungen am menschlichen Körper z.B. zur Desinfektion sind weit verbreitet. Um einerseits wirksam zu sein aber andrerseits keine unerwünschten Nebenwirkungen zu zeigen, muss das Wasserstoffperoxid in der richtigen Konzentration vorliegen. Erschwert wird die richtige Dosierung durch das spontane Zerfallen des Wasserstoffperoxids in Wasser + Sauerstoff. Um sicherzustellen, dass das Wasserstoffperoxid immer in der erwünschten Konzentration vorliegt, empfiehlt sich eine kontinuierliche Messung. Die Dichte bietet sich als Messgrösse zur Konzentrationsbestimmung von wässrigen Wasserstoffperoxidlösungen an und dieser Wissenszwinker befasst sich deshalb mit der erreichbaren Genauigkeit dieser Messung bei typischen Bedingungen.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
Die erreichbare Messgenauigkeit des VLO-M2 wurde auf die Probe gestellt in dem seine Dichtemessungen denjenigen eines Laborinstruments gegenübergestellt wurde. Bei(nominellen) Wasserstoffperoxidkonzentrationen zwischen 0% und 6% wurde mit dem VLO-M2 sowie dem Laborgerät DSA 5000 M (Anton Paar) folgendes gemessen:
Dichtemessung [kg/m3]
Konzentration [w/w%]
DSA 5000 M
VLO-M2
Differenz
6.00%
1017.068
1017.045
-0.023
0.547%
998.849
998.889
0.040
0.059%
997.168
997.183
0.015
0.030%
996.890
996.872
-0.018
0%
996.840
996.879
0.039
Über die gesamte Konzentrationsspanne war der Unterschied zwischen dem Laborgerät und dem VLO-M2 <0.05 kg/m3. Dies ist weit unter dem spezifizierten Messfehler des VLO-M2 von ± 0.2kg/m3 und näher am spezifizierten Messfehler des Laborgerätes von ± 0.007kg/m3, wie auch in folgender Grafik eindrücklich zu sehen ist:
Umgerechnet auf den Dichteunterschied von 20.23 kg/m3 zwischen der 6%igen Stammlösung und deionisiertem Wasser entspricht die maximale gemessene Abweichung von ±0.04 kg/m3 einer Unsicherheit in der Konzentration von <0.025% (250ppm) oder <0.0125% (125ppm). Obwohl die Abhängigkeit zwischen Konzentration und Dichte in Realität nicht linear ist, gibt dieser Wert einen guten Anhaltspunkt.
Abschliessend ist der gemessene Dichteunterschied zwischen den gemessenen Wasserstoffperoxidlösungen und dem theoretischen Wert von reinem Wasser (nach REFPROP, NIST) hier nochmals grafisch dargestellt:
Für beide Messmethoden ist bei reinem deionisiertem Wasser und der niedrigsten Konzentration von 0.03% H2O2 ein fast identischer Offset zum Referenzwert zu sehen. Mögliche Erklärungen könnten ein rascher Zerfall von H2O2 bei sehr geringen Konzentrationen sein oder ein schwacher Einfluss des H2O2 auf die Dichte in diesem Bereich. Falls die Dichte linear ansteigen würde, müsste zumindest das Laborgerät den Dichteunterschied zwischen 0% und 0.03% problemlos auflösen können, ein Messfehler scheint daher unwahrscheinlich.
Ein klarer Anstieg in der Dichte ist dann aber mit beiden Geräten bei einer Verdoppelung der H2O2 Konzentration auf 0.059% zu sehen (man beachte die logarithmischen Skalen). Die Übereinstimmung der Messungen ist auch hier ausgezeichnet, was für die Messgenauigkeit des VLO-M2 spricht.
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Vorgehen
Mit dem VLO-M2 und dem Laborgerät DSA 5000 M (Anton Paar) wurden die Dichteneiner Wasserstoffperoxid Stammlösung von 6% sowie deren Verdünnungen auf 0.547%, 0.059%, 0.030% und 0% Wasserstoffperoxid in deionisiertem Wasser gemessen. Konzentrationen <0.1% wurden volumetrisch erstellt und mittels gemessener Dichte auf Gewichtsprozente zurückgerechnet, die höhere Konzentration wurde direkt eingewogen. Die Messungen auf den beiden Geräten fand jeweils gleichzeitig statt. Die Temperatur auf dem Laborgerät wurde an die Temperatur im VLO-M2 angepasst, um den direkten Vergleich zu ermöglichen (25.2 – 25.7°C). Der VLO-M2 hat keine aktive Temperaturstabilisierung wie das Labormessgerät, darum wurden jeweils dieverfügbaren Daten in einem Temperaturfenster von ±0.02°C gemittelt und so verwendet.
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In enger Zusammenarbeit mit der Firma Imagine Systems wurde ein kompaktes und intelligentes Analysegerät geschaffen, das höchste Präzision mit einfacher Bedienbarkeit vereint. Die Kombination aus MEMS-Technologie und smarter Probensteuerung macht das System zu einer leistungsstarken Lösung für die Konzentrations- und Dichtebestimmung in Echtzeit. Das System verfügt über eine integrierte Steuerung, die eine automatisierte Probenahme, Pumpensteuerung und Analysefunktion umfasst. Die Probe kann bequem aus einem beliebigen Behälter angesaugt werden – ideal für Laboranwendungen, Prozessüberwachung oder mobile Einsätze.
Fazit
Dieser Test beantwortet die Fragestellung nach der Messgenauigkeit des VLO-M2 bei wässrigen Wasserstoffperoxidlösungenvon 0% – 6% unter Umgebungsbedingungen: Der Messfehler war<0.05 kg/m3 in unserem Test.Dies ist weit unter den spezifizierten ± 0.2kg/m3 für den VLO-M2. Dadie Spezifikation auchbei extremeren Temperaturen von -40°C bis60°C und im gesamten Dichtenbereichen von 0 kg/m3 bis 1200 kg/m3eingehalten werdenmuss, kann der Messfehler bei wässrigen Lösungen und Temperaturen nahe der Raumtemperatur um ein Vielfaches kleiner sein wie hier gezeigt. Die gemessenen Fehler (<0.025%) entsprechenetwa einer Genauigkeit von 250ppm für die Konzentrationsbestimmung von H2O2 in Wasser, was beivielen Anwendungen dieses Gemisches mehr als ausreicht.
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Inline-Messungen der physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften von Einkomponenten- und Mehrkomponentenflüssigkeiten
Autoren: Hugo Bissig, Oliver Büker, Emmelyn Graham, Leslie Wales, Andreia Furtado, Sara Moura, Zoe Metaxiotou, Seok Hwan Lee, Sabrina Kartmann, Jarno Groenesteijn und Joost C. Lötters
Abstract
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden. Die Kalibrierung mit Wasser spiegelt jedoch nicht immer das Verhalten der in den verschiedenen Anwendungen verwendeten Flüssigkeiten wider. Daher haben mehrere nationale Metrologieinstitute (NMI) im Rahmen des Projekts EMPIR 18HLT08 MeDDII Mikro-Rohrviskosimeter für die rückführbare Inline-Messung der dynamischen Viskosität von Flüssigkeiten entwickelt, die in Durchflussanwendungen eingesetzt werden. Diese Mikro-Rohrviskosimeter ermöglichen die Kalibrierung eines beliebigen Durchflussgeräts bei verschiedenen Durchflussraten und die Kalibrierung der dynamischen Viskosität der verwendeten Flüssigkeit oder Flüssigkeitsmischung unter tatsächlichen Durchflussbedingungen. Die Validierung der Mikro-Rohrviskosimeter erfolgte entweder mit rückverfolgbaren Referenzölen oder mit verschiedenen Flüssigkeiten, die typischerweise in Krankenhäusern verabreicht werden, wie Kochsalz- und/oder Glukoselösungen oder sogar Glycerin-Wasser-Gemische für höhere dynamische Viskositäten. Darüber hinaus werden in diesem Beitrag Messergebnisse eines kommerziell erhältlichen Geräts und eines Technologiedemonstrators für die Inline-Messung von dynamischer Viskosität und Dichte vorgestellt.
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Wissens-Zwinker: Thermische Durchflussmessung und -korrektur mittels Gaserkennung
Warum dieser Test?
Kalorimetrische Strömungssensoren werden typischerweise auf ein bestimmtes Medium justiert, da der ermittelte Messwert von der Wärmeleitfähigkeit und -kapazität des Gases beeinflusst wird. Somit wird für jedes Gas ein eigens kalibrierter Sensor benötigt. In Kombination mit einer Dichtemessung zur Reingaserkennung oder Konzentrationsbestimmung binärer Gasgemische können Kalibrierdaten und Korrekturfaktoren flexibel und im laufenden Prozess zugeordnet werden. Dadurch wird unabhängig vom Reingas bzw. Mischverhältnis des Gemisches jederzeit der korrekte Strömungswert berechnet und es wird nur noch eine Sensorlösung für diese Messstelle benötigt.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
In Abbildung 1 sind die Roh-Durchflusswerte auf der rechten Achse in blau und der korrigierte Volumenfluss auf der linken Achse in orange eingezeichnet. Der blaue lineare fit zeigt deutlich, wie die unterschiedlichen thermischen Parameter von CO2 und N2 den ermittelten Messwert ohne Dichte- bzw. Konzentrationskorrektur verfälschen. Durch Zuschalten einer inline-Dichtemessung kann der Durchfluss jedoch bis auf ca. 2% genau auf die eingestellten 100 sccm korrigiert werden, wie der orangene lineare fit zeigt. Es wurde somit nachgewiesen, dass die Kombination des TrueDyne Dichtesensors DGF-I1 und des IST Strömungssensors SFS01 die Strömungsgeschwindigkeit unabhängig der Konzentrationsverhältnisse des binären Gasgemisches präzise bestimmen kann.
Dieses Prinzip kann neben binären Gasgemischen aus bekannten Gaskomponenten auch auf die Umschaltung zwischen Gasen mit unterschiedlichen Dichten erweitert werden. Anhand einer Reingaserkennung ist es so möglich, die passenden Kalibrierdaten oder Korrekturfaktoren zu wählen und den Messwert in Echtzeit zu korrigieren. Damit kann eine flexible, Preis-Leistungs-optimierte Durchflussmessung mit allen Vorteilen des thermischen Messprinzips realisiert werden:
Langzeitstabile und vibrationsbeständige Messung
Kompakte Bauform
Eignung zur Prozesssteuerung dank besonders schnellen Ansprechzeiten (<10 msek.)
Hohe Sensitivität ab kleinsten Strömungsgeschwindigkeiten inklusive Richtungserkennung
Abbildung 1: Vergleich zwischen korrigiertem und rohem Durchfluss
Versuchsaufbau
Abbildung 2 zeigt den Aufbau der Versuchsstation. Über parallel geschaltete thermische Massendurchflussregler (MFC 1-5) wurde der gewünschte Durchflusswert für verschiedene Reingase und Gasgemische eingestellt. Die Massendurchflussregler sind dabei jeweils auf das entsprechende Reingas kalibriert, wodurch das Mischungsverhältnis präzise geregelt werden kann. Das Gasgemisch durchströmt anschliessend die beiden in Reihe geschalteten Dichte- und Strömungssensoren.
Das I2C Messsignal des Strömungssensors wird direkt an den Gasdichtesensor übertragen, welcher anhand der gemessenen Dichte und der daraus abgeleiteten Konzentration den Rohwert mit einem Korrekturfaktor verrechnet. Der daraus resultierende Durchflussmesswert kann nun mit dem eingestellten Soll-Wert der Gasmischer verglichen werden, um die Funktionalität des Prototypen zu verifizieren.
Klicken Sie hier um mehr über den Strömungssensor der IST AG zu erfahren.
Vorgehen
Die Messung der Dichte, auf der die Reingaserkennung sowie Konzentrationsbestimmung beruht, wurde mit dem DGF-I1 Dichtesensor für Gase von TrueDyne durchgeführt. Der Gasfluss und dessen Richtung wurden mit dem thermischen Strömungssensor SFS01 Evalkit von Innovative Sensor Technology (IST AG) ermittelt.
Über zwei externe thermische Massendurchflussregler (MFC) wurden mehrere Konzentrationen eines binären Gasgemisches aus CO2 und N2 eingestellt und die Sensoren konstant mit durchströmt. Mittels Protokollfunktion wurden pro Sekunde drei Messwerte für die folgenden Parameter aufgezeichnet: Konzentration, Durchfluss Rohwert und korrigierter Durchfluss.
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Wissens-Zwinker: Medien mit hoher Dichte – DLO Dichtemessgerät für Flüssigkeiten
Jahrgang 2 | Nummer 3
Warum dieser Test?
Die durchgeführten Messungen zeigen, dass unser DLO auch in Medien mit einer Dichte weit über den bisher spezifizierten Maximalwert sehr präzise misst.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Welche Flüssigkeiten wurden verwendet?
• Tetrachlorethen (Carl Roth, Art.-Nr.: 4737.1)
Tetrachlorethen, C2Cl4
Carl Roth, Art.-Nr.: 4737.1
Molare Masse: 165.83 g/mol
Dichte: 1.61 g/cm³
Dichtemessung
Die Messung der Dichte wurde mit den DLO-M1 Dichtesensoren für Flüssigkeiten durchgeführt. Dazu wurden die Sensoren jeweils mit Tetrachlorethen durchströmt. Mittels Protokollfunktion wurde pro Sekunde ein Messwert für Dichte und Temperatur aufgezeichnet. Als Referenz wurde die Dichte mit dem Labormessgerät DSA 5000 M (Anton Paar) gemessen. Dabei wurden die Referenz-Messwerte bei 20 °C und 30 °C linear interpoliert, um die Temperatur abhängige Dichte von Tetrachlorethen zu erhalten.
Der TrueDyne-Sensor
Der DLO-M2 Sensor misst die Dichte von Flüssigkeiten in einem mikroelektromechanischen System (MEMS-System). Innerhalb des MEMS-Systems wird die Flüssigkeit zu einem omegaförmigen Mikrokanal geleitet, dem sogenannten Omega-Chip. Dieses winzige Siliziumrohr – es ist kaum dicker als ein Haar – wird für die Messung in Schwingung versetzt. Aus der Eigenfrequenz dieser Schwingung kann die Dichte des Messstoffes abgeleitet werden: Sie ist umso kleiner, je dichter der Messstoff ist.
DLO Dichtesensor für Flüssigkeiten
Das Messsystem in Submillimetergrösse ermöglicht den kompakten Bau des Sensors. Er ist lediglich 80 x 30 x 15 mm³ klein und findet so auch bei engen Verhältnissen Platz. Die Messwerte gelangen über eine RS232-Schnittstelle und im ASCII-Befehlsprotokoll im TrueDyne Sensors-Standard an das übergeordnete System.
Verfahren
Referenz-Dichtemessung mit Labor-Dichtemessgerät DSA 5000 M (Anton Paar)
Einsetzen des Sensors in den Messaufbau gemäss Abbildung 1
Pumpen des Tetrachlorethens durch den Dichtesensor mittels Spritzen
Messaufbau
Spritze mit Tetrachlorethen
Dichtesensor DLO-M1
Datenauswertung
Rückführung des Mediums
Spritze nimmt das Testfluid wieder auf
Abbildung 1 – Messaufbau
Ergebnisse
Die Messergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt. Die schwarze gestrichelte Linie markiert die temperaturabhängige Referenzdichte, die mit dem Labormessgerät DSA 5000 M (Anton Paar) ermittelt wurde. Die durchgezogenen schwarzen Linien markieren die Referenzdichte mit einer Toleranz von ±0.5 kg/m³ (±0.0005 g/cm³). Dies entspricht der maximalen Messabweichung des TrueDyne Dichtesensors DLO-M1.
Abbildung 2: Messergebnisse der TrueDyne DLO-M1 Dichtesensoren mit Tetrachlorethen
Die farbigen Punkte markieren die Messwerte drei unterschiedlicher TrueDyne DLO-M1 Sensoren. Dabei ist zu beachten, dass während der Durchströmung der Sensoren dynamische Messabweichungen entstehen («Dynamic measurement deviations»): Aufgrund der Eigenerwärmung des Sensors, weicht die Sensortemperatur von der Temperatur des einströmenden, kälteren Fluids ab. Bei geringerer Durchflussrate nähern sich diese beiden Temperaturen an, so dass im statischen Fall die Messabweichungen von den Referenz-Dichtenwerten weniger als ±0.1 kg/m³ (±0.0001 g/cm³) betragen.
Fazit
Die dargestellten Messergebnisse zeigen, dass die TrueDyne DLO-M1 Sensoren auch weit über den spezifizierten Dichtebereich (>1600 kg/m³ anstatt ≤1000 kg/m³) die spezifizierte Genauigkeit von ±0.5 kg/m³ in der Dichtemessung erreichen. Durch Kompensation der Eigenerwärmung des Sensors sind sogar Genauigkeiten von ±0.1 kg/m³ möglich.
Haben Sie Anwendungen in diesem erweiterten Messbereich? Melden Sie sich bei uns!
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Wissens-Zwinker: Sole Wasser Konzentrationsmessung – DLO Dichtesensor
Jahrgang 2 | Nummer 2
Warum dieser Test?
Bei Messungen in Bohrlöcher zur Salzgewinnung, stellt die Konzentrationsmessung ein grösseres Problem dar. Bei gesättigter Sole kommt es schon bei geringen Veränderungen im Prozess zu Salzablagerungen, welche über Kurz oder Lang zu einem Ausfall von jedem Messgerät führt. Mit diesem Test wollten wir zeigen, dass es möglich ist, die Konzentration von Sole mit unserem DLO zu messen
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Welche Flüssigkeiten wurden verwendet?
Sole-Wasser mit verschiedenen Konzentrationen:
26% Sole
15% Sole
Dichtemessung
Die Messung der Dichte wurde mit dem DLO-M1 Dichtesensor für Flüssigkeiten durchgeführt. Dazu wurde der Sensor jeweils mit den aufgeführten Konzentrationen bei konstantem Durchfluss durchströmt. Mittels Protokollfunktion wurde pro Sekunde ein Messwert für Dichte und Temperatur geloggt.
Sole (26.1%)
1197.109 kg/m³
bei 20 °C, 1.01325 bar abs
Sole (15%)
1108.9 kg/m³
bei 20 °C, 1.01325 bar abs
Der TrueDyne-Sensor
Der DLO-M2 Dichtesensor misst die Dichte eines Fluides in einem mikroelektromechanischen System (MEMS-System). Der Messstoff wird im Sensor über ein Druckgefälle zum sogenannten Omega-Chip geleitet, der einen omegaförmigen Mikrokanal enthält. Dieses vibronische Messsystem generiert die Messwerte, indem ein Siliziumrohr im Chip in resonante Schwingung versetzt und diese analysiert wird. Denn die Schwingungsgüte hängt von der Viskosität der Flüssigkeit im Mikrokanal ab. Gleichzeitig – und unabhängig von der Viskosität – lässt sich über die Frequenz des Mikrokanals die Dichte des Messstoffes bestimmen. Da die Temperatur sowohl Viskosität als auch Dichte beeinflusst, wird im Chip auch die Temperatur des Messstoffes in Echtzeit erfasst. So kann der Temperatureffekt ausgeglichen werden.
DLO Dichtesensor für Flüssigkeiten
Das Messsystem in Submillimetergrösse ermöglicht den kompakten Bau des Sensors. Er ist lediglich 80 x 30 x 15 mm³ klein und findet so auch bei engen Verhältnissen Platz. Die Messwerte gelangen über eine RS232-Schnittstelle und im ASCII-Befehlsprotokoll im TrueDyne Sensors-Standard an das übergeordnete System.
Prüfaufbau
Bestimmung der Dichte bei 20°C mit Labor-Dichtemessgerät DSA 5000 M (Anton Paar)
Einsetzen des Dichtesensors in den Messaufbau gemäss Bild
Rundlaufsystem mit Pumpe aufgebaut zur Messung von Sole Konzentration
Messaufbau
Ausgangsstoffe: NaCi und Wasser
Flasche: NaCi-Wasser mit unterschiedlichen Konzentrationen
Schlauchpumpe (Ismatec, ISM930C)
DLO Dichtesensor
Datenauswertung
Rückführung des Mediums
Abbildung 1 – Messaufbau
Ergebnisse
Nach kurzer Zeit hat auch bei unserem Sensor die gesättigte Sole zu Drifts geführt (Abbildung 2). Dies ist für eine kontinuierliche Messung natürlich keine befriedigende Lösung. Aufgrund des geringen Messvolumens in unserem unseren Sensor kam uns die passende Idee: Wir verdünnen die Sole mit reinem Wasser und rechnen danach zurück auf das Gesamtvolumen. Der Durchfluss wird dabei mit unseren eigenen Coriolis Sensoren für kleinste Durchflüsse gemessen bzw. geregelt. Bei einer Reduktion des Salzgehalts <15% konnten die anfänglichen Drifts eliminiert werden, was eine kontinuierliche Messung ermöglicht (Abbildung 3).
Abbildung 2 – Messergebnis NaCi 26%, gemessen während 3 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)
Abbildung 3 – Messergebnis NaCi 15%, gemessen während 3 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)
Wie kann dies nun in der Praxis umgesetzt werden. Wird der Durchfluss der Zufuhr vom Frischwasser, sowie das Gesamtvolumen am Ausgang gemessen, kann anhand einer linearen Funktion die Konzentration sehr genau bestimmt werden (Abbildung 4). Aufgrund des geringeren Salzgehaltes kommt es auch nicht mehr zu Drifts, was eine Langzeitmessung im Feld ermöglicht. Die leichte Abweichung in Abbildung 4 ist auf den Messaufbau zurückzuführen. Dadurch konnte über den langen Messzeitraum Wasser verdampfen, (weshalb der Anteil an NaCl in der Konzentration zunimmt).
Abbildung 4 – Messergebnis NaCi 15%, gemessen während 158 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Wissens-Zwinker: Ethylenglycol-Wasser-Gemisch – VLO Dichte- und Viskositätsmessgerät für Flüssigkeiten
Jahrgang 2 | Nummer 1
Warum dieser Test?
Die durchgeführten Messungen sollen in einer Serie von diversen Schnelltests aufzeigen, wie die Konzentration zweier Flüssigkeiten mit dem VLO Dichte- und Viskositätssensor im Betrieb kontrolliert werden können. Die vorliegenden Messergebnisse zeigen die Top-Leistung unseres kleinen Sensors auf.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis, manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Welche Flüssigkeiten wurden verwendet?
Ethylenglycol Carl Roth (Art.-Nr.: 2441.4)
De-ionisiertes Wasser
Dichtemessung
Die Messung der Dichte wurde mit dem VLO Dichte- und Viskositätssensor für Flüssigkeiten durchgeführt. Dazu wurde der Sensor jeweils von den aufgeführten Gemischen bei konstantem Durchfluss durchströmt. Mittels Protokollfunktion wurde pro Sekunde ein Messwert für Dichte, Temperatur, Druck sowie Referenzdichte aufgezeichnet.
Ethylenglycol (C2H6O2)
1113.37 kg/m³ 2
bei 20 °C, 1.01325 bar abs
Wasser (H2O)
998.21 kg/m³
bei 20 °C, 1.01325 bar abs
Der TrueDyne-Sensor
Der VLO-M2 Viskositätssensor misst die Viskosität eines Fluides in einem mikroelektromechanischen System (MEMS-System). Der Messstoff wird im Sensor über ein Druckgefälle zum sogenannten Omega-Chip geleitet, der einen omegaförmigen Mikrokanal enthält. Dieses vibronische Messsystem generiert die Messwerte, indem ein Siliziumrohr im Chip in resonante Schwingung versetzt und diese analysiert wird. Denn die Schwingungsgüte hängt von der Viskosität der Flüssigkeit im Mikrokanal ab. Gleichzeitig – und unabhängig von der Viskosität – lässt sich über die Frequenz des Mikrokanals die Dichte des Messstoffes bestimmen. Da die Temperatur sowohl Viskosität als auch Dichte beeinflusst, wird im Chip auch die Temperatur des Messstoffes in Echtzeit erfasst. So kann der Temperatureffekt ausgeglichen werden.
Das Messsystem in Submillimetergrösse ermöglicht den kompakten Bau des Sensors. Er ist lediglich 80 x 30 x 15 mm³ klein und findet so auch bei engen Verhältnissen Platz. Die Messwerte gelangen über eine RS232-Schnittstelle und im ASCII-Befehlsprotokoll im TrueDyne Sensors-Standard an das übergeordnete System.
VLO Dichte- und Viskositätssensor für Flüssigkeiten
Verfahren
Aufreinigung des Ethylenglycols und Bestimmung der Reinheit über Dichtemessung mit Labor-Dichtemessgerät DSA 5000 M (Anton Paar)
Beimischen von Wasser auf Laborwaage (Kern, PCB 1000-2), um verschiedene Zielkonzentrationen (w/w) als Referenz zu erzeugen.
Einsetzen des Viskositätssensors in den Messaufbau gemäss Skizze
Pumpen des Ethylenglycol-Wasser-Gemischs durch den Viskositätssensor
Messaufbau
Ethylenglycol / Wasser-Gemisch
Schlauchpumpe (Ismatec, ISM930C)
Temperaturbecken (Julabo, F 34)
VLO Dichte- und Viskositätssensor
Rechner zur Auswertung
Schlauch (Medienzufuhr)
Schlauch (Meidenabfuhr)
Abbildung 1 – Messaufbau
Ergebnisse
Die folgende Tabelle zeigt die erzielten Messwerte für Ethylenglycol-Konzentrationen zwischen 0…60%.
Tabelle 1 – Messwerte für Konzentrationen zwischen 0…60%
In der folgenden Grafik ist die Messabweichung auf die Referenz-Ethylenglycol-Konzentration aufgetragen. Über den gesamten Messbereich (0…60% Ethylenglycol) hinweg beträgt die maximale Konzentrationsabweichung weniger als 0.4%.
Neben der direkten Ausgabe der Ethylenglycol-Konzentration sind weitere Anwendungen denkbar, wie z.B. die direkte Ausgabe des Gefrierpunkts des Ethylenglycol-Wasser-Gemischs.
Abbildung 2 – Messabweichung im getesteten Messbereich zwischen 0…60%
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Wissens-Zwinker: Luft & N2 – DGF-I1 Dichtemessgerät für Gase
Jahrgang 1 | Nummer 1
Warum dieser Test?
Die durchgeführten Messungen sollen in einer Serie von diversen Schnelltests aufzeigen wie präzise der DGF-I1 Dichtesensor für Gase im Betrieb arbeitet. Da Luft und Stickstoff einen ähnlichen Dichtebereich haben bestätigen die Testergebnisse unsere Erwartungen an den DGF-I1 Dichtesensor.
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Welche Gase wurden verwendet?
Stickstoff 4.5 PanGas (Materialnummer 6430112)
Trockenluft Druckluft-Kompressor
Dichtemessung
Die Messung der Dichte wurde mit dem Gasdichtesensor DGF-I1 durchgeführt. Dazu wurde der Sensor jeweils einige Zeit von den aufgeführten Gasen bei konstantem Durchfluss durchströmt. Mittels Protokollfunktion wurde pro Sekunde ein Messwert für die Dichte, Temperatur, Druck sowie Referenzdichte aufgezeichnet.
Stickstoff (N2)
1.2503 kg/m³
bei 0 °C, 1.01325 bar abs
Trockenluft (Air)
1.292 kg/m³
bei 0 °C, 1.01325 bar abs
Der TrueDyne-Sensor
Der DGF-I1 Dichtesensor ist mit einem Durchmesser von 33.5 mm und einer Länge von 63 mm sehr kompakt gebaut und findet auch auf kleinstem Raum Platz. Er wird mit dem integrierten Anschluss direkt in die Gasleitung oder den Gastank geschraubt, ein Filter schützt vor Verschmutzung. Die Messwerte werden über eine RS485-Schnittstelle an das übergeordnete System übertragen. Die Ansprechzeit von 5 Sekunden macht eine Dichtemessung direkt im Prozess möglich – die Messung muss nicht unterbrochen werden.
Medien, die von zuvor aufgeführten Messstoffen abweichen, können ggf. nach Einzelabklärung verwendet werden. Zum Beispiel Neon (Ne) und Krypton (Kr).
DGF-I1 Dichemessgerät für Gase
Max. Messabweichung:
Dichte: <0,1 kg/m³ Temperatur: <0,8 °C Druck: <0,04 bar Mit Feldabgleich Dichte <0,05 kg/m³
Wiederholbarkeit:
Dichte: <0,015 kg/m³ Temperatur: <0,06 °C Druck: <0,005 bar
Zulässiger Dichtemessbereich:
0,2 … 19 kg/m³
Zulässiger Druckbereich:
Max. Messbereich: 1…10 bar (absolut) Gasgemische mit Argon (Ar) nur bis max 9 bar (abs) verwenden. Berstdruck 30 bar
Prüfaufbau
Abbildung 1 zeigt den Aufbau der Versuchsstation. Über fünf parallel geschaltete thermische Massendurchflussregler (MFC) konnte der Sensor abwechselnd von den verschiedenen Reingasen durchströmt werden. Die Installation der Abfuhr an der seitlichen Öffnung des Sensors begünstigt dabei den Gasaustausch im Gehäuse, wodurch die Reaktionszeit optimiert werden kann.
Gaszufuhr
MFC: Vögtlin red-y GSC-B9SA-BB23
Statischer Mischer: Swagelok
Dichtesensor: TrueDyne DGF-I1
Abbildung 1 – Aufbau Gasmischanlage
Ergebnisse
Um das Ergebnis der Messungen besser beurteilen zu können wurden die Mittelwerte von Dichte, Druck, Temperatur, und Referenzdichte (bei T = 0 °C, p = 1.01325 bar abs) berechnet. Dafür wurden pro Medium 100 Messpunkte im eingeschwungenen Zustand verwendet.
In Abbildung 2 werden sowohl die Reaktionszeit und Stabilität der Messwerte als auch die vom DGF-I1 ausgegebene Referenzdichte sowie die berechnete Referenzdichte bei 0 °C unter atmosphärischem Druck von 1.01325 bar abs dargestellt.
Referenzdichte Air – Trockenluft
Referenzdichte N2 – Stickstoff
A. Datenauszug Tabelle A B. Datenauszug Tabelle B
Die maximale Messabweichung des DGF-I1 (Dichte: <0,1 kg/m³) liegt deutlich ausserhalb der Skala von Abbildung 2
Tabelle 1 – Berechnung Mittelwerte und Referenzdichte
Abbildung 2 – Messergebnisse Luft und N2
Abbildung 3 und 4 stellen die Häufigkeitsverteilungen der gemessenen Referenzdichten dar und hilft die Wiederholbarkeit des Gasdichtesensors zu visualisieren. Hierbei wurden dieselben Messwerte wie für die Mittelwertberechnungen verwendet, als Klassenbreite wurde für beide Medien 0.001 kg/m³ definiert.
Abbildung 3 – Verteilung Referenzdichte – Air Trockenluft
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und ViskositätA. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva²¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole...
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen.
Die MEMS-TechnologieAuf einen BlickIm Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück...
Die Schwinger-Dichtemessung Auf einen BlickIn Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser...
Ein auf MEMS-Cantilever basierender resonanter Sensor zur Gasüberwachung, welcher piezoelektrisch betrieben und ausgelesen wird, wurde entworfen, simuliert, hergestellt und getestet. Als aktives Material für den piezoelektrischen Aktor und Sensor wurde Aluminiumnitrid (AlN) verwendet. Die mit COMSOL durchgeführte Simulation und die Messungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung. Das endgültige System, der Vollsensor für die Gasüberwachung, ermöglicht die Messung der Gasdichte und -viskosität bei Temperaturen zwischen 0 und 60 °C und Drücken zwischen 1 und 10 bar abs. mit Genauigkeiten von <0.03 kg/m³ bzw. 6%. Ein zweiter technologischer Lauf zur Verbesserung der Viskositätsmessgenauigkeit ist im Gange.
Eine enge Zusammenarbeit für zuverlässige Messergebnisse von Dichtesensoren
Über die letzten Jahre konnte sich die TrueDyne Sensors AG ein grosses Know-how im Bereich der Mikrosensorik und zu schwingenden Systemen aneignen. Ein Biegeschwinger-Messsystem in MEMS-Technologie mit einem Messkanal in Sub-Millimetergrösse – das ist das Dichtemodul der TrueDyne Sensors AG. Messsysteme wie diese ermöglichen zahlreichen Unternehmen neue Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung ihrer Produkte und Produktionsabläufe innerhalb des Prozesses. Die hohe Genauigkeit, die äusserst kompakte Bauweise und die Messung in Echtzeit spielen bei diesen Dichtemodulen eine zentrale Rolle.
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Entwurf, Simulation, Herstellung und Charakterisierung von piezoelektrischen MEMS-Cantilever als Gassensor zur Messung von Dichte- und Viskosität
A. Mehdaoui¹, C. Huber¹, J. Becker¹, F. Schraner¹, L. Villanueva² ¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), ²Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne (Switzerland)
Abstract
Diese Publikation untersucht Anwendungen des kürzlich zum Verkauf freigegebenen MEMS (Micro Electro Mechanical System) – basierten Prozess-Densitometers für Gas. Der Kern des Sensors ist ein in Resonanz schwingendes Silizium-Mikrorohr, das vom Prozessgas durchströmt wird. Aufgrund der sehr geringen Eigengewichtes von Siliziums und der Tatsache, dass das Messrohr in einem Vakuumhohlraum schwingt, wird selbst bei geringen Fluiddichten eine sehr gute Dichteempfindlichkeit erreicht. Der Sensor eignet sich daher perfekt für Gasdichteanwendungen mit einem mittleren Druckbereich zwischen 5 und 20 bar. Der mikrofluidische Sensor kann sowohl die Dichte wie auch die Temperatur messen. Zusätzlich wird der Druck entlang des fluidischen Pfades überwacht. Aus diesen gemessenen physikalischen Eigenschaften können in Echtzeit Qualitätsinformationen des gemessenen Gases wie Molmasse, Referenzdichte, spezifisches Gewicht, Gaszusammensetzung und Brennwert abgeleitet werden. Verschieden Prozessanwendungen werden mit experimentellen und theoretischen Ergebnissen dargestellt.
Event SMSI 2020 (did not take place because of Covid-19 virus pandemic)
Eine enge Zusammenarbeit für zuverlässige Messergebnisse von Dichtesensoren
Über die letzten Jahre konnte sich die TrueDyne Sensors AG ein grosses Know-how im Bereich der Mikrosensorik und zu schwingenden Systemen aneignen. Ein Biegeschwinger-Messsystem in MEMS-Technologie mit einem Messkanal in Sub-Millimetergrösse – das ist das Dichtemodul der TrueDyne Sensors AG. Messsysteme wie diese ermöglichen zahlreichen Unternehmen neue Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung ihrer Produkte und Produktionsabläufe innerhalb des Prozesses. Die hohe Genauigkeit, die äusserst kompakte Bauweise und die Messung in Echtzeit spielen bei diesen Dichtemodulen eine zentrale Rolle.
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A Multiparameter Gas-Monitoring System Combining Functionalized and Non-Functionalized Microcantilevers
C. Huber¹, A. Mehdaoui¹, M. P. P. Pina² ³, J.J. Morales²,
¹TrueDyne Sensors AG, 4153 Reinach BL, Switzerland, ²Nanoscience Institute of Aragon (INA), University of Zaragoza, 50009 Zaragoza, Spain, ³Instituto de Ciencia de Materiales de Aragon (ICMA), Universidad de Zaragoza-CSIC, 50009 Zaragoza, Spain
Abstract
Ziel der Arbeit ist es, ein kompaktes, robustes und wartungsfreies Gaskonzentrations- und Feuchteüberwachungssystem für den industriellen Einsatz im Bereich der inerten Prozessgase zu entwickeln. Unser Prototyp eines Multiparameter-Gasüberwachungssystems ermöglicht die gleichzeitige Messung der thermophysikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität) sowie des Wasserdampfgehalts (im ppm-Bereich) unter verschiedenen Prozessbedingungen. Dieser Ansatz wird durch die Kombination von funktionalisierten und nicht funktionalisierten Mikro-Cantilevern in einer einzigen Messplattform ermöglicht. Die Genauigkeit der Dichte- und Viskositätsmessung mit nicht funktionalisierten Mikro-Cantilevern wird für verschiedenen Gase über einen breiten Temperatur- und Druck- Bereich ausgewertet. Für die Feuchtemessung werden mikroporöses Y-Typ-Zeolith und mesoporöses Siliciumdioxid MCM48 als Sensormaterialien verwendet und charakterisiert. Eine leicht skalierbare Funktionalisierungsmethode für die Produktion mit hohem Durchsatz wird dabei angestrebt. Experimentelle Ergebnisse mit funktionalisierten Mikro-Cantilevern, die Wasserdampf (im ppm-Bereich) ausgesetzt sind, zeigen, dass Frequenzveränderungen nicht allein auf einen Masseneffekt zurückzuführen sind, sondern dass auch Steifigkeitseffekte in Abhängigkeit von der Wasser-Adsorption und der Temperatur berücksichtigt werden müssen. Um diese Hypothese zu stützen, wurde die mechanische Reaktion solcher Mikro-Cantilever modelliert, wobei sowohl die Effekte als auch die simulierten Ergebnisse durch Vergleich mit experimentellen Daten validiert wurden.
Eine enge Zusammenarbeit für zuverlässige Messergebnisse von Dichtesensoren
Über die letzten Jahre konnte sich die TrueDyne Sensors AG ein grosses Know-how im Bereich der Mikrosensorik und zu schwingenden Systemen aneignen. Ein Biegeschwinger-Messsystem in MEMS-Technologie mit einem Messkanal in Sub-Millimetergrösse – das ist das Dichtemodul der TrueDyne Sensors AG. Messsysteme wie diese ermöglichen zahlreichen Unternehmen neue Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung ihrer Produkte und Produktionsabläufe innerhalb des Prozesses. Die hohe Genauigkeit, die äusserst kompakte Bauweise und die Messung in Echtzeit spielen bei diesen Dichtemodulen eine zentrale Rolle.
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Auf einen Blick Im Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück ein schwingender Silizium-Messkanal ist. Im Vergleich zur konventionellen Schwinger-Technologie vereint er zahlreiche Vorteile. Diese reichen von seiner geringen Grösse und einem breiten Anwendungsbereich über die exakte Dichtebestimmung von Gasen, auch bei geringem Druck, bis hin zu einer überaus schnellen Reaktionszeit.
Auf einen Blick In Teil 1 haben wir die Grundlagen der Dichtemessung sowie die Definition von Dichte kennengelernt. Die aktuellen Seite widmet sich der Schwingungsmethode, die auch Dichtesensoren für die Dichtemessung verwendet. Aus dieser Methode ergeben sich einige Vor- und Nachteile, die ausführlich beleuchtet werden.
Auf einen Blick Hier erhalten Sie einen ersten Einblick in die Grundlagen der Dichtemessung. Sie erfahren, dass es sich bei der Dichte um eine temperatur- und druckabhängige Stoffeigenschaft handelt, die häufig mit der Einheit kg/m3 bzw. lb/ft3 angegeben wird. Der Dichtewert wird für die Bestimmung von Konzentration, mittlerer Molmasse und Gehalt benötigt. Wird die Dichte von Gasen ermittelt, muss beachtet werden, dass sie vom jeweiligen Druck abhängig ist. Die Dichte von Flüssigkeiten ist abhängig von der Temperatur
Die Norm DIN EN ISO 9001:2015 ist ein internationaler Standard, mit dem ein hoher Qualitätsanspruch gegenüber Kunden und Dritten ausgewiesen wird.
Sie dient als Vorgabekatalog für ein Qualitätsmanagementsystem.
Als Resultat sind optimierte unternehmensinterne Prozesse, minimierter Ausschuss, Ressourcenschonung sowie erhöhte Kunden- und Mitarbeiterzufriedenheit zu nennen.
Die Bestätigung der Erfüllung dieser Normvorgaben erfolgt durch eine unabhängige Zertifizierungsstelle.
Ziel der Norm ist es, die Anforderungen interessierter Parteien an das Unternehmen zu verstehen und umzusetzen!
Die sieben Grundsätze des Qualitätsmanagements
In der Norm ISO 9000 sind die sieben Grundsätze des Qualitätsmanagements erläutert. Sie bilden die Basis von Qualitätsmanagement und sind wichtig, um ISO 9001:2015 angemessen anzuwenden. Sie lauten:
Kundenorientierung
Verantwortung der Führung
Engagement von Personen
Prozessorientierter Ansatz
Kontinuierliche Verbesserung
Faktengestützte Entscheidungsfindung
Beziehungsmanagement
Somit erstrecken sich unter anderem das risikobasierte Denken, der prozessorientierte Ansatz sowie der «PDCA-Zyklus» über unser gesamtes Qualitätsmanagementsystem!
Der PDCA-Zyklus
Der PDCA-Zyklus ist ein Modell zur nachhaltigen Optimierung des Qualitätsmanagementsystems in Unternehmen. Dabei handelt es sich um eine vierstufige Methode:
Plan – Verbesserungsziel bestimmen und erforderliche Massnahmen definieren
Do – Massnahmen aus der Planungsphase umsetzen, Ergebnisse dokumentieren
Check – Gesammelte Daten auswerten, um objektiv die Zielerreichung zu bewerten
Act – Prozess reflektieren und wirksame Verbesserungsmassnahmen integrieren
Dieser Zyklus hilft bei einer effizienten Problemlösung und bietet zudem mehrere Vorteile. So können beispielsweise wiederkehrende Fehler vermieden und Arbeitsprozesse kontinuierlich verbessert werden.
Unternehmenspolitik der TrueDyne Sensors AG
Die TrueDyne Sensors AG schliesst sich der Entscheidung der Endress+Hauser Flowtec AG an, keine vollständig integrierte Managementpolitik zu formulieren. Dies ermöglicht unserer Meinung nach klarere, zielführendere Formulierungen und Aussagen, erleichtert das Verständnis für Mitarbeiter und Kunden, lässt schnellere und flexiblere Änderungen zu und bietet aus unserer Sicht, keinerlei Nachteile.
Qualität = Kundenzufriedenheit
Wir wollen zufriedene und loyale Kunden
Darum definieren wir Qualität als Kundenzufriedenheit und fokussieren uns auf das Generieren von überragendem Kundennutzen. Über die Zufriedenheit wollen wir die Loyalität, die Bindung der Kunden an uns erreichen. Darauf muss alles Denken und Handeln ausgerichtet sein. Alles, was wir tun, müssen wir auch aus der Sichtweise des Kunden betrachten. Die Frage muss immer lauten: „Dient und nützt das, was wir tun oder vorhaben, den Kunden, oder dient es lediglich dazu, uns mit uns selbst zu beschäftigen?“. Kundenorientierung ist ein zentraler Punkt unseres Selbstverständnisses.
Wir streben nach Null-Fehlern in Produkten und Dienstleistungen
Das ist unabdingbare Grundvoraussetzung für Kundenzufriedenheit und -loyalität. Jeder Fehler beeinträchtigt den Kunden, stört seinen normalen Ablauf, kann schwere, ja unabsehbare Folgen haben. Jeder Fehler kostet unsere Kunden Zeit und Geld, verursacht Ärger und schliesslich Unzufriedenheit. Unzufriedene Kunden werden mit der Zeit zu illoyalen Kunden und gehen verloren. Jeder verlorene Kunde schwächt uns und stärkt den Wettbewerb. Es ist extrem schwer, ihn zurück zu gewinnen. Null-Fehler können nur erreicht werden, wenn der gesamte Produktlebenszyklus betrachtet und entsprechend ausgerichtet wird, beginnend bei Marktanalyse und Produktdefinition über Entwicklung, Herstellung bis zu Vertrieb und Versand, wenn also jeder Mitarbeiter dazu seinen Beitrag leistet.
Wir streben nach Operational Excellence
In unserem Unternehmen wenden wir das „LEAN-Prinzip“ an, um den Fokus auf „Operational Excellence“ zu stärken, und somit Qualität und Flexibilität der Produkte sowie die Geschäftsprozesse gezielt zu optimieren. Wir erkennen und beseitigen damit durch kontinuierliche Verbesserung systematisch Verschwendung, d.h. nicht-wertschöpfende Tätigkeiten und Abläufe. KVP/KAIZEN ist dafür unsere grundlegende Herangehensweise. Wir übertragen die „LEAN-Kultur“ auf unsere Hauptlieferanten.
Wir erstellen Produkte und Dienstleistungen, auf die wir stolz sein können
Wir entwickeln, produzieren und vertreiben Produkte und Dienstleistung, die einen überragenden Kundennutzen bieten und mit ihrer Null-Fehler-Qualität wesentlich zur Kundenbindung und -loyalität beitragen. Deshalb sind wir stolz auf das, was wir tun. D.h. auch, dass Produkte und Dienstleistungen nur dann dem Kunden zur Verfügung gestellt bzw. ausgeliefert werden, wenn wir davon überzeugt sind, dass diese den geforderten und versprochenen Kundennutzen erbringen sowie einwandfrei und fehlerfrei sind.
Wir wollen eine Fehlerkultur, die Fehler auch als Chance begreift, Verbesserungen zu erzielen
Jeder macht Fehler, man muss sie korrigieren und aus ihnen lernen. In unserer Kultur wird niemand wegen eines Fehlers getadelt oder gemassregelt; aber: Fehler dürfen sich nicht wiederholen. Vertuschen ist verboten! Fehler müssen aufgedeckt und beseitigt werden, dafür ist jeder selbst verantwortlich. Potentielle Fehler und mögliche Fehlerquellen müssen gesucht, erkannt und vorbeugend behoben werden. Dazu nutzen wir entsprechende Abläufe und Systeme.
Führt ein Fehler zu einer Reklamation beim Kunden, so hat die Wiederherstellung der Kundenzufriedenheit oberste Priorität. Reklamationen, wie Fehler, sind auch Chancen, uns zu verbessern und den Kunden besser verstehen zu lernen. Sollte die Wiederherstellung der Kundenzufriedenheit trotz aller Anstrengungen einmal nicht gelingen, so ist es im Sinne von „Lessons learned“ unabdingbar notwendig, die Ursachen dafür aufzudecken und zu erkennen. Daraus müssen dann Verbesserungen für die zukünftige Vorgehensweise abgeleitet werden.
Wir sind verlässlich
Was wir sagen, halten wir auch ein. Das gilt im Inneren und erst recht unseren Kunden gegenüber. Im Inneren arbeiten wir allen Kolleginnen und Kollegen zu. Was ich ihnen weitergebe, ist zweifelsfrei in Ordnung und kommt zur rechten Zeit. Wir informieren verantwortungsbewusst, richtig und rechtzeitig. Nach aussen, zum Kunden hin, gilt dies erst recht.
ICH als Mitarbeiter bin für Qualität und ständige Verbesserung verantwortlich
ICH selbst – und nicht nur alle Anderen – bin für Qualität, ständige Verbesserung und Kundenzufriedenheit verantwortlich. Wir müssen uns, unsere Prozesse und unser Managementsystem ständig verbessern, auch dafür bin ICH verantwortlich. Was heute noch gut ist, kann morgen schon ungenügend sein. Um zufriedene und loyale Kunden auf Dauer zu halten, genügt es nicht, sich auf einmal erworbenen „Lorbeeren“ auszuruhen. Deshalb spielt KVP, der „kontinuierliche Verbesserungsprozess“, eine zentrale Rolle in unserem Qualitätsverständnis, bestimmt unser tägliches Handeln und sichert unser Vorwärtskommen.
Dr. phil. nat. Christof Huber, Chief Technologist, TrueDyne Sensors AG @ the 4th conference on microfluidic handling systems – MFHS Enschede – October 2019
Multiparameterisches Gasüberwachungssystem, basierend auf der Kombination von einem funktionalisierten und einem nicht-funktionalisierten Micro-Cantilever
C. Huber¹, A. Mehdaoui¹, M. P. P. Pina², J.J. Morales², ¹TrueDyne Sensors AG, Reinach BL, Schweiz, ²Universität von Saragossa, Nanowissenschaftliches Institut von Aragon, Saragossa, Spanien
ABSTRACT
Ein neuartiges Multiparameter-Online-Gasüberwachungssystem wird vorgestellt, das einen Druck- und einen Temperatursensor mit zwei Mikro-Cantilever kombiniert, von denen einer mit einem hochempfindlichen hydrophilen nanoporösen Material funktionalisiert wurde. Durch die gleichzeitige Beobachtung von Eigenfrequenzen und Qualitätsfaktoren der beiden Cantilever können die Dichte und die Viskosität sowie die Feuchte des Gases bestimmt werden. Mit diesen Sensorinformationen können wir die Konzentrationen von binären oder sogar ternären Gasgemischen im %-Bereich und das die Wasserdampf-Konzentration in einem mittleren bis niedrigen ppm-Bereich bestimmen.
EINFÜHRUNG
Ziel des vorgestellten Sensorprojekts ist die Entwicklung eines kompakten, robusten und wartungsfreien Gasüberwachungssystems für den industriellen Einsatz im Bereich der Schutzgase, z.B. Schweissgas oder Verpackungsgasmischanwendungen. In solchen Anwendungen werden typischerweise binäre oder ternäre Gemische aus Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Wasserstoff verwendet. Die Gaskonzentrationen müssen mit Genauigkeiten im %-Bereich geregelt werden. In den meisten Fällen muss bei diesen Anwendungen auch die Luftfeuchtigkeit überwacht werden. Typische Schwellenwerte liegen zwischen 200 und 40 ppm[1]. Der Stand der Technik ist die Reihenschaltung mehrerer unabhängiger Sensoren, z.B. ein Wärmeleitfähigkeitssensor und spezifische optischen Absorptions- und Taupunktsensoren. Solche Installationen sind sperrig und erfordern häufige Neukalibrierungen. Um die gleiche Funktionalität in einem Multiparameter-Sensorsystem zu vereinen, haben wir zwei resonante Mikro-Cantilever zusammen mit einem Druck- und einem Temperatursensor auf einer Leiterplatte kombiniert, die dem Prozessgas ausgesetzt ist.
Es wurden handelsübliche Silizium-Mikro-Cantilever von SCL-Sensor.Tech verwendet, die ursprünglich für die Rasterkraftmikroskopie. vorgesehen waren (siehe Abbildung 1). Ein Cantilever wurde verwendet, um die Dichte und Viskosität des Gases zu messen, wie von Badarlis et al.[2] oder Huber et al.[3] berichtet, und der andere, um Wasserdampf in niedriger Konzentration zu messen, indem eine funktionalisierte Oberflächenschicht auf Basis eines hydrophilen nanoporösen Materials hinzugefügt wurde, wie beispielsweise von Urbiztondo et al.[4] berichtet.
Abbildung 1: Sensor PCB with the a first microcantilever in front of a permanent magnet. The second cantilever is placed on the backside of the PCB. Actuation occurs by sending a small AC current over the metal coil on the cantilever tip.
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MFHS Enschede (Link)
REFERENCES
[1] ISO 14175:2008, “Welding consumables — Gases and gas mixtures for fusion welding and allied processes” [2] A. Badarlis, A. Pfau, A. Kalfas., “Measurement and Evaluation of the Gas Density and Viscosity of Pure Gases and Mixtures Using a Micro-Cantilever Beam”, Sensors, 15(9), pp. 24318-24342, 2015 [3] C. Huber, P. Reith, A. Badarlis, “Gas Density and Viscosity Measurement with a Micro-cantilever for Online Combustion Gas Monitoring”, 19.GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme, Nürnberg Germany, 2018 [4] M. A. Urbiztondo, A. Peralta, I. Pellejero, J. Sesé, M.P. Pina, I. Dufour, J. Santamaría, “Detection of organic vapours with Si cantilevers coated with inorganic (zeolites) or organic (polymer) layers”, Sens. Actuators B, Chem., v. 171–172, pp. 822–831, 2012.
Die Dichte einer Flüssigkeit ist abhängig von ihrer Zusammensetzung. Werden verschiedene Flüssigkeiten gemischt, kann das richtige Mischverhältnis mit Dichtemessungen geprüft werden. So zum Beispiel beim Heizöl: Gemäss den gesetzlichen Vorgaben dürfen dem Heizöl 7 % Biodiesel beigemischt werden. Da dieses steuerfrei ist, wird hier oft an der Grenze der Legalität operiert. Mit dem Dichtesensor DLO-M1 von TrueDyne überwachen sie die Qualität des Heizöls im laufenden Prozess.
1. Tanklastwagen für die Lieferung von Heizöl. 2. Der Sensor misst die Dichte des Heizöls direkt am Übergabepunkt. Die vor Ort erhobenen Daten zeigen, ob die richtigen Medien im korrekten Verhältnis betankt werden. 3. Das Produkt wird dem Kunden übergeben. Eine gute Qualität ist garantiert.
Sensoren für diese Applikation
Dichtesensor DLO-M1 für Flüssigkeiten
Der DLO-M1 Sensor misst die Dichte von Flüssigkeiten in einem mikroelektromechanischen System (MEMS-System). Innerhalb des MEMS-Systems wird die Flüssigkeit zu einem omegaförmigen Mikrokanal geleitet, dem sogenannten Omega-Chip. Dieses winzige Siliziumrohr – es ist kaum dicker als ein Haar – wird für die Messung in Schwingung versetzt. Aus der Eigenfrequenz dieser Schwingung kann die Dichte des Messstoffes abgeleitet werden: Sie ist umso kleiner, je dichter der Messstoff ist.
Mehr
Datenblatt
Kontakt
VLO-M1 Viskositätssensor für Flüssigkeiten
Aus Daten zur Viskosität kann auf die Eigenschaften von Flüssigkeiten schliessen und ihre Qualität überwachen. Der Sensor misst die Viskosität im laufenden Prozess – auch auf engstem Raum. Unabhängig von der Viskosität erfasst der Sensor auch Dichte und Temperatur des Messstoffes.
Mehr
Datenblatt
Kontakt
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Mark Twain soll einmall gesagt haben: «Schreiben ist leicht. Man muss nur die falschen Wörter weglassen.» In unserem Fall ist es ein kompletter Satz, den wir im Datenblatt des VLO-M1 Viskositäts- und Dichtesensors weglassen können.
Bis es soweit war, benötigten wir viel Entwickler-Schweiss, Hirnschmalz und einen langen Atem.
Nun ist es soweit und wir können den folgenden Satz aus dem Datenblatt im Kapitel «Zulässige Messstoffe» streichen:
– Keine wässrigen Medien verwenden. –
Mit dem aktuellen VLO-M1 Viskositäts- und Dichtesenso sowie mit dem DLO-M1 Dichtesensor können Sie ab sofort auch wässrige Medien messen.
Wir freuen uns auf viele neue Anwendungsmöglichkeiten. Haben Sie schon eine Idee? Melden Sie sich bei uns – info@truedyne.com
Hersteller & Dienstleister: Erfahrungsaustausch in der Dichte-Messtechnik
«Die höchste Genauigkeit unserer Messsysteme zeichnet uns aus. Mit unserem Partner und Kalibrierexperten Testo Industrial Services GmbH können wir diesen Qualitätsanspruch kontinuierlich prüfen und beweisen. Die Messergebnisse unterstützen zudem dabei, unsere Produkte für zukünftige Kalibrierprozesse zu standardisieren.»
Josua Ritter
Managing Director,TrueDyne Sensors AG
Eine enge Zusammenarbeit für zuverlässige Messergebnisse von Dichtesensoren
Über die letzten Jahre konnte sich die TrueDyne Sensors AG ein grosses Know-how im Bereich der Mikrosensorik und zu schwingenden Systemen aneignen. Ein Biegeschwinger-Messsystem in MEMS-Technologie mit einem Messkanal in Sub-Millimetergrösse – das ist das Dichtemodul der TrueDyne Sensors AG. Messsysteme wie diese ermöglichen zahlreichen Unternehmen neue Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung ihrer Produkte und Produktionsabläufe innerhalb des Prozesses. Die hohe Genauigkeit, die äusserst kompakte Bauweise und die Messung in Echtzeit spielen bei diesen Dichtemodulen eine zentrale Rolle.
Die Testo Industrial Services GmbH unterstützt den Hersteller von Dichtesensoren bei der Sicherstellung dieser Qualitätskriterien. Denn detaillierte Messungen in einem unabhängigen Kalibrierlabor sorgen für Sicherheit beim Kunden. Die beiden Unternehmen, Hersteller und Dienstleister spezialisiert auf den Bereich Durchfluss, führten 2018 ein enges Kooperationsprojekt ein.
Das Ziel – Kooperation Testo & TrueDyne
Das Ziel des Kooperationsprojektes war es, den Dichtesensor DLO-M1 der TrueDyne Sensors AG bei einem herstellerunabhängigen Kalibrierdienstleister unter Laborbedingungen verifizieren zu lassen. Dabei sollte vor allem die „Alltagstauglichkeit“ des Sensors geprüft werden. Dies dient als Grundlage, den Dichtesensor bei den Anwendern für Kalibriersysteme empfehlen zu können.
Leistungen der Testo Industrial Services GmbH
Bereitstellung der Laborfläche
Bereitstellung der Kalibrierprüfstände
Langjähriges Know-how im Bereich der Kalibriertechnik
Definition der Testabläufe und Messverfahren
Ableitung von Argumentationsansätzen anhand der Ergebnisse
Das Vorgehen – Durchführung von Dichtemessungen
Eingesetztes Equipment bei den Messungen:
Kalibrierstand flüssig – Testo KKF80 MU ± 0,08 % v.M.
Die Herausforderungen Berücksichtigung bei der Dichtemessung
Messfehler durch kleinste Temperaturunterschiede
Berücksichtigung von Referenzsystemen wie z. B. Dichtetabelle von Wasser, Mineralgehalt, Kompressibilität des Mediums
Reproduzierbarkeit der Messungen für den Vergleich der Messresultate
Das Ergebnis Messergebnisse langfristig nutzen
Die Verifizierung des Dichtesensors DLO-M1 durch das herstellerunabhängige Kalibrierlabor Testo Industrial Services GmbH konnte innerhalb des Kooperationsprojekts erfolgreich durchgeführt werden. Die Verifizierung des Dichtesensors DLO-M1 durch das herstellerunabhängige Kalibrierlabor Testo Industrial Services GmbH konnte innerhalb des Kooperationsprojekts erfolgreich durchgeführt werden.
Folgende Ergebnisse können abgeleitet werden:
Die Messresultate waren sehr überzeugend. Die Dichteabweichung war deutlich unter ± 0.2 kg/m³, was zu einer Messunsicherheit von < 0.02 % vom Messwert führt.
Die Messwerte konnten reproduzierbar über diverse Druckstufen geprüft werden.
Die Tauglichkeit vom Dichtesensor DLO-M1 der TrueDyne Sensors AG für Kalibriersysteme ist sichergestellt.
Flüssigkeitskalibrator für kleine Durchflussmengen 0,8 ml/min – 40 l/minngs.
Testo Industrial Services GmbH
Kalibrierdienstleister für mehr als 300 akkreditierte Kalibrierverfahren
Die Testo Industrial Services GmbH ist einer der führenden Kalibrierdienstleister in Deutschland. In dem Kalibrierlabor für Durchflussmesser werden hersteller- und medienunabhängige Kalibrierungen für Flüssigkeiten und Gase durchgeführt. Die Vielseitigkeit im Bereich Kalibrierung erfordert ein breites Spektrum an Prüfständen und Kalibratoren. Daher kommen bei Testo selbst entwickelte Prüfstände zum Einsatz. Dies ermöglicht die Kalibrierung unterschiedlicher Durchflussmengen bei sehr geringen Messunsicherheiten.
TrueDyne Sensors AG
Hersteller von Dichte- und Viskositätssensoren in Sub-Millimetergrösse.
Die TrueDyne Sensors AG ist eine Tochtergesellschaft von Endress+Hauser. Mit der Firmengründung im Jahr 2015 wurde der Kompetenzschwerpunkt auf die Entwicklung kleinster Sensorik gelegt. Herzstück ist dabei der OMEGA-Chip, dessen Funktion auf dem Biegeschwinger-Messprinzip basiert. Der Chip in MEMS-Technologie besteht aus einem Messkanal in Sub-Millimetergröße und einem integrierten Platin-Temperatursensor zur Echtzeit-OnBoard-Temperaturmessung. Der Messkanal ist kaum dicker als ein Haar und eröffnet damit neue Perspektiven für die Dichtemesstechnik direkt im Prozess.
Der German Innovation Award zeichnet branchenübergreifend Produkte und Lösungen aus, die sich vor allem durch Nutzerzentrierung und einen Mehrwert gegenüber bisherigen Lösungen unterscheiden. Denn: Innovationen, die Zukunft gestalten und das Leben verbessern, gibt es in allen Branchen.
Manchmal sieht man sie auf den ersten Blick – oftmals aber auch nicht. Das will der German Innovation Award ändern. Er macht grossartige Leistungen für ein breites Publikum sichtbar und sorgt für eine erfolgreiche Positionierung am Markt.
Wir sind stolz den German Innovation Award mit unserem neu entwickelten Gasdichtesensor DGF-I1 gewnonnen zu haben.
Der Gasdichtesensor DGF-I1 der TrueDyne Sensors AG vereint Kleinstsensorik (MEMS = Micro Electro Mechanical Systems), physikalische Modelle und höchste Kalibrierkompetenz auf geringster Baugrösse. Mit unserem Sensor definieren wir den Stand der Technik neu und bieten unseren Kunden an jenen Orten einen Mehrwert, wo eine Messung bis heute nicht möglich war, z.B. in der Qualitätsüberwachung für Lebensmittelverpackungen. Unser Messsystem basiert auf einer Mikro-Stimmgabel, welche in Schwingung versetzt wird. Die resultierende Resonanzfrequenz der Stimmgabel ist von der Dichte des umgebenen Mediums abhängig. Das Qualitätslabor verschiebt sich durch die Möglichkeiten der MEMS-Technologie und darauf basierender Sensorik somit nicht nur näher an den Prozess („Lab to Process“), sondern wird gar in den Prozess integriert – dementsprechend unsere Unternehmensmission „Lab into the Process“.
Die Dichte eines Gases direkt in der Gasleitung oder im Gastank messen: Das ermöglicht der DGF-I1 Dichtesensor von TrueDyne. Herzstück des Sensors ist ein mikromechanisches System (MEMS-System) mit einem Schwinger in Form einer Stimmgabel. Für die Messung wird das Metallgehäuse, welches das MEMS-System umgibt, mit dem Messstoff befüllt. Die Resonanzfrequenz des Schwingers variiert je nach Dichte des Gases, das ihn umgibt. Um Temperatureffekte zu kompensieren, ist ein Platinwiderstand in den Sensor eingebaut, der die lokale Temperatur präzise erfasst.
Der Sensor ist mit einem Durchmesser von 31 mm und einer Länge von 63 mm sehr kompakt gebaut und findet auch auf kleinstem Raum Platz. Er wird mit dem integrierten Anschluss direkt in die Gasleitung oder den Gastank geschraubt, ein Filter schützt vor Verschmutzung. Die Messwerte werden über eine RS485-Schnittstelle an das übergeordnete System übertragen. Die Ansprechzeit von 5 Sekunden macht eine Dichtemessung direkt im Prozess möglich – die Messung muss nicht unterbrochen werden.
Anwendungen
Überwachung von Schweissgasgemischen
Überwachung von Reingas
Überwachung von Gasgemischen für Lebensmittelverpackungen
Leider hat es für uns nicht über eine Final-Teilnahme hinaus gereicht. Wir gratulieren den Gewinnern #Polyphor zu Ihren Forschungen im Bereich der Entwicklung von Antibiotika. Wir freuen uns über das Zertifikat und die bisher erreichten Leistungen und bleiben am Ball.
Geschafft! Wir gehören zu den Finalisten, Top 3 in der Kategorie Innovation Leaders beim diesjährigen Swiss Technology Award.
Am 22. November wird zum 30. mal der bedeutendste Technologiepreis der Schweiz im Rahmen des Swiss Innovation Forums vergeben.
In der Kategorie Innovation Leaders werden Firmen ausgezeichnet, die Produkte/Technologien auf den Markt bringen, die klare, verbesserte Leistungen erbringen.
Es freut uns ausserordentlich, dass wir, als junges Unternehmen es in dieser Kategorie unter die Top drei geschafft haben.
Jetzt heisst es Daumen drücken für den 22. November 2018 wenn der Gewinner bekannt gegeben wird.
Als Experte für Dichte möchten wir Sie nicht nur bei einer optimalen Produktlösung unterstützen, sondern auch erster Ansprechpartner in diesem Bereich sein. Gerne teilen wir unser Dichte-Know-how in Form einer Grundlagenschulung, welche wir für Sie zusammengestellt haben.
Die Überwachung der Zusammensetzung Ihrer Schweissgasmischung führt zu besser kontrollierten Prozessen, spart Geld und sichert die Qualität. Aus diesem Grund haben die TrueDyne Sensors AG und die HTK Hamburg eine Überwachungslösung mit neuester Datenintegrationstechnologie entwickelt.
Haben Sie Interesse mehr darüber zu erfahren? Dann zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren!
Referenz: Endress+Hauser Flowtec AG (führender Hersteller von Messgeräten und Lösungen für die Prozessautomatisierung)
Patrick Reith, R&D Project Manager MEMS der TrueDyne Sensors AG und Dr. Jana Knall, Product Manager Coriolis von Endress+Hauser hatten am Kongress Biogas am Mittwoch, den 31. Januar einen Vortrag über «Resonante Sensoren für die Qualitätsüberwachung von Biogas» gehalten.
Haben Sie Interesse mehr darüber zu erfahren?
Ab sofort steht Ihnen die Kongress-Bibliothek der Biogas 2018 online zur Verfügung:
Link leider nicht mehr verfügbar.
Testen Sie unser Dichtemodul bis zu zwei Monate kostenfrei!
Die Dichtemessung von Treibstoff bietet folgende Möglichkeiten:
Direkte Massenberechnung – Müssen Sie Ihr bestehendes volumetrisches System aufgrund von gesetzlichen Anforderungen aktualisieren? Unser Dichtemodul bietet Ihnen eine Messung direkt im Prozess.
Qualitätsparameter – Weist Ihre Anwendung Qualitätsprobleme auf? Die Dichte kann sowohl beim Transport als auch bei der Lagerung von Medien als unmittelbares Qualitätskriterium herangezogen werden, so beispielsweise zur Kontrolle von Treibstofffälschungen.
Als starker Partner für Forschung und Produktion für seine MEMS-Sensorik, setzt die TrueDyne Sensors AG von Anfang an auf die Kompetenz von Hahn-Schickard.
Lesen Sie hier mehr Details dieser Erfolgsgeschichte!
Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten und Gasen bestimmen auf Basis vibronischer MEMS Sensoren.
In Resonanz schwingende Mikrostrukturen bilden die Grundlagen für die Messmodule der TrueDyne Sensors AG in Reinach, Schweiz. Durch Interaktion mit dem Fluid verändern sich Schwingungseigenschaften wie Resonanzfrequenz und Schwingungsgüte der Strukturen. Über physikalische Modelle kann aus diesen Parametern die Dichte und Viskosität von Gasen und Flüssigkeiten bestimmt werden. Die mannigfaltigen Applikationsmöglichkeiten der Messgeräte umfassen Motorenprüfstände, Brennersteuerung oder die Überwachung von Gasqualität. Beschreiten Sie mit uns den Weg von der Schwingung zum Messwert, im folgenden Artikel.
Patrick Reith, R&D Project Manager MEMS
TrueDyne Sensors AG
