Wissens-Zwinker: Smarter Massendurchflussregler

Wissens-Zwinker: Smarter Massendurchflussregler

Wissens-Zwinker: Smarter Massendurchflussregler

Warum dieser Test?

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?

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

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 Durchfluss unseres MFC-Prototypen und einem herkömmlichen MFC 

Welche Sensoren wurden verwendet?

Dichtesensor DGF-i1

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Strömungssensor SFS01

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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.

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Wissens-Zwinker: Überwachung des Biergärprozesses über Dichte und CO2 Bildung

Wissens-Zwinker: Überwachung des Biergärprozesses über Dichte und CO2 Bildung

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.

Welche Sensoren wurden verwendet?

Dichtesensor DLO-M2

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Dichtesensor DGF-i1

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Strömungssensor SFS01

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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. 

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Wissens-Zwinker: Messung der Wasserstoffperoxid Konzentration in Wasser mit

Wissens-Zwinker: Messung der Wasserstoffperoxid Konzentration in Wasser mit <0.025% Messunsicherheit

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.  

Welche Sensoren wurden verwendet?

Dichtesensor VLO-M2

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Vorgehen

Mit dem VLO-M2 und dem Laborgerät DSA 5000 M (Anton Paar) wurden die Dichten einer 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 die verfügbaren Daten in einem Temperaturfenster von ±0.02°C gemittelt und so verwendet. 

Fazit

Dieser Test beantwortet die Fragestellung nach der Messgenauigkeit des VLO-M2 bei wässrigen Wasserstoffperoxidlösungen von 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. Da die Spezifikation auch bei extremeren Temperaturen von -40°C bis 60°C und im gesamten Dichtenbereichen von 0 kg/m3 bis 1200 kg/m3 eingehalten werden muss, kann der Messfehler bei wässrigen Lösungen und Temperaturen nahe der Raumtemperatur um ein Vielfaches kleiner sein wie hier gezeigt. Die gemessenen Fehler (<0.025%) entsprechen etwa einer Genauigkeit von 250ppm für die Konzentrationsbestimmung von H2O2 in Wasser, was bei vielen Anwendungen dieses Gemisches mehr als ausreicht 

 

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Beitrag: Inline-Messungen der physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften von Einkomponenten- und Mehrkomponentenflüssigkeiten

Beitrag: Inline-Messungen der physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften von Einkomponenten- und Mehrkomponentenflüssigkeiten

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.

Veröffentlicht von
De Gruyter

Veröffentlicht am
10. November 2022

Link zum kompletten Dokument

(nur in Englisch verfügbar)

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Wissens-Zwinker: Thermische Durchflussmessung und -korrektur mittels Gaserkennung

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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?

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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
  • Reingaserkennung
  • Multiparametrisches Messsystem (Flow, Dichte, Druck, Temperatur)
  • Mikroleckage-Monitoring
DLO Sensor - Tetrachlorethen - Messergebnisse
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.

 

Abbildung 2: Versuchsaufbau

Welche Sensoren wurden verwendet?

Dichtesensor DGF-i1

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Strömungssensor SFS01

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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.

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Wissens-Zwinker: Medien mit hoher Dichte – DLO Dichtemessgerät für Flüssigkeiten

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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?

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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-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.

TrueDyne_DLO-M1_VLO-M1_rechts
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

  1. Referenz-Dichtemessung mit Labor-Dichtemessgerät DSA 5000 M (Anton Paar)
  2. Einsetzen des Sensors in den Messaufbau gemäss Abbildung 1
  3. Pumpen des Tetrachlorethens durch den Dichtesensor mittels Spritzen

Messaufbau

  1. Spritze mit Tetrachlorethen
  2. Dichtesensor DLO-M1
  3. Datenauswertung
  4. Rückführung des Mediums
  5. Spritze nimmt das Testfluid wieder auf
DLO Sensor - Tetrachlorethen Messaufbau
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.

DLO Sensor - Tetrachlorethen - Messergebnisse
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!

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Wissens-Zwinker: Sole Wasser Konzentrationsmessung – DLO

Wissens-Zwinker: Sole Wasser Konzentrationsmessung – DLO

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?

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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-M1 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.

TrueDyne_DLO-M1_VLO-M1_rechts
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

  1. Ausgangsstoffe: NaCi und Wasser
  2. Flasche: NaCi-Wasser mit unterschiedlichen Konzentrationen
  3. Schlauchpumpe (Ismatec, ISM930C)
  4. DLO Dichtesensor
  5. Datenauswertung
  6. Rückführung des Mediums
Messaufbau: VLO-Sensor | Ethlenglycol-Wasser
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).

Grafik_Sole_NaCI 26 %_Wissenszwinker
Abbildung 2 – Messergebnis NaCi 26%, gemessen während 3 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)
Grafik_Sole_NaCi-15 %_Wissenszwinker
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).

Grafik_Sole_NaCi-15-Langzeit_Wissenszwinker
Abbildung 4 – Messergebnis NaCi 15%, gemessen während 158 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)

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Wissens-Zwinker: Ethylenglykol-Wasser – VLO

Wissens-Zwinker: Ethylenglykol-Wasser – VLO

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-M1 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.

TrueDyne_DLO-M1_VLO-M1_rechts
VLO Dichte- und Viskositätssensor für Flüssigkeiten

Verfahren

  1. Aufreinigung des Ethylenglycols und Bestimmung der Reinheit über Dichtemessung mit Labor-Dichtemessgerät DSA 5000 M (Anton Paar)
  2. Beimischen von Wasser auf Laborwaage (Kern, PCB 1000-2), um verschiedene Zielkonzentrationen (w/w) als Referenz zu erzeugen.
  3. Einsetzen des Viskositätssensors in den Messaufbau gemäss Skizze
  4. Pumpen des Ethylenglycol-Wasser-Gemischs durch den Viskositätssensor

Messaufbau

  1. Ethylenglycol / Wasser-Gemisch
  2. Schlauchpumpe (Ismatec, ISM930C)
  3. Temperaturbecken (Julabo, F 34)
  4. VLO Dichte- und Viskositätssensor
  5. Rechner zur Auswertung
  6. Schlauch (Medienzufuhr)
  7. Schlauch (Meidenabfuhr)
Messaufbau: VLO-Sensor | Ethlenglycol-Wasser
Abbildung 1 – Messaufbau

Ergebnisse

Die folgende Tabelle zeigt die erzielten Messwerte für Ethylenglycol-Konzentrationen zwischen 0…60%.

Ethylenglycol-Wasser_Tabelle_Messwerte Konzentrationen
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.

Grafik_Ethylenglycol-Wasser-Gemisch
Abbildung 2 – Messabweichung im getesteten Messbereich zwischen 0…60%

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Willkommen im 2021

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Wissens-Zwinker: Smarter Massendurchflussregler

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Weihnachten 2020

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Betriebsferien 2020/21

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Gerne stehen wir Ihnen ab dem 4. Januar 2021 wieder zur Verfügung.

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Gratulation! Philipp Gurtner – Elektroniker EFZ – Jahrgangsbester

Gratulation! Philipp Gurtner – Elektroniker EFZ – Jahrgangsbester

LoRaWan Sensorinterface
LoRaWan Sensorinterface – IPA Ergebniss

Mobiles Sensorinterface für den DGF-I1 Gasdichtesensor

Wir gratulieren Philipp Gurtner zu seiner bestandenen Prüfung zum Elektroniker EFZ als Jahrgangsbester!

TrueDyne: Philipp, um was ging es bei Deiner Abschlussarbeit (IPA)?
Philipp: In meiner IPA entwickelte ich ein mobiles Sensorinterface für den DGF-I1 Gasdichtesensor. Das Sensorinterface betreibt den Sensor mittels Akkus und liest die aktuellen Prozesswerte aus. Diese werden mittels des Low-Power IoT Protokolls LoRaWAN versendet. So kann das Sensorinterface mit Sensor als autarke Messstation agieren und kabellos eine Anlage überwachen.

Meine Aufgabe bestand darin, eine Elektronik zu entwickeln welche das Akkumanagement, das Auslesen der Messdaten, Interpretation dieser und versenden an eine Cloudplatform übernimmt.

TrueDyne: Warum hast Du Dich bei der Ausbildung für die TrueDyne Sensors AG entschieden?
Philipp: Die TrueDyne ermöglichte mir gute Unterstützung, viele Möglichkeiten und Freiheiten. Der Teamgeist ist sehr motivierend für die Tägliche Arbeit.

TrueDyne: Was hat Dir an Deinem Projekt am meisten Spass gemacht?
Philipp: Die vielen verschiedenen Aufgaben im Projekt brachten sehr viele spanende Dinge. Ich fand es sehr toll viele neue Dinge kennenzulernen wie auch mit Funktechnik zu arbeiten.

TrueDyne: Welches war die Grösste Herausforderung in Deinem Projekt?
Philipp: Meine Grösste Herausforderung war der Software teil. Ich musste mich in eine steile Lernkurve in Echtzeitbetriebssysteme begeben. Dadurch konnte ich sehr viel Lernen und es bereitete dennoch viel Freude als es dann Funktionierte.

TrueDyne: In welche Richtung gehen Deine Zukunftspläne?
Philipp: Momentan freue mich auf eine weitere tolle Zeit bei der TrueDyne mit vielen Interessanten Projekten. In näherer Zukunft würde ich gerne Elektrotechnik studieren.

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Wissens-Zwinker: Luft (Air) & Stickstoff (N2) – DGF-I1

Wissens-Zwinker: Luft (Air) & Stickstoff (N2) – DGF-I1

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.

Zulässige Messstoffe:

Wasserstoff (H2) • Helium (He) • Stickstoff (N2) • Sauerstoff (O2) • Kohlenstoffdioxid (CO2) • Argon (Ar)

Medien, die von zuvor aufgeführten Messstoffen abweichen, können ggf. nach Einzelabklärung verwendet werden. Zum Beispiel Neon (Ne) und Krypton (Kr).

 

DGF-I1 Dichtemessgerät mit Grössenangabe
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.

 

  1. Gaszufuhr
  2. MFC: Vögtlin red-y GSC-B9SA-BB23 
  3. Statischer Mischer: Swagelok
  4. Dichtesensor: TrueDyne DGF-I1
Aufbau Gasmischer für Wissens-Zwinker-Test
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.

 

  1. Referenzdichte Air – Trockenluft
  2. 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 - Mittelwerte der Messwerte
Tabelle 1 – Berechnung Mittelwerte und Referenzdichte
Wissens-Zwinker_Luft und N2_Grafik
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.

Figure 1 - Verteilung Referenzdichte - N2 Stickstoff
Abbildung 3 – Verteilung Referenzdichte – Air Trockenluft
Figure 2 - Verteilung Referenzdichte - Air Trockenluft
Abbildung 4 – Verteilung Referenzdichte – N2 Stickstoff

Die in der Abbildung 2 markierten Felder A und B zeigt Ihnen die Herkunft der Rohdaten der Tabellen A (Sekunde 5…15) und Tabelle B (Sekunde 160…170).

Wissens-Zwinker_Luft und N2_Ausschnitt Tabelle A
Tabelle A – Messergebnisse Luft und N2 – Sekunde 5..15
Wissens-Zwinker_Luft und N2_Ausschnitt Tabelle B
Tabelle B – Messergebnisse Luft und N2 – Sekunde 160..170

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C. Huber, TrueDyne Sensors AG, Reinach BL (Switzerland), Endress+Hauser Flowtec, Reinach BL (Switzerland)

Abstract

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.

Event
18. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2016
2016-05-10 – 2016-05-11
Nürnberg, Germany

Band
SMSI 2020
Sensors and Instrumentation

Chapter
4.2 Neue Aspekte beim Nachweis von Gasen

DOI
10.5162/sensoren2016/4.2.2

ISBN
978-3-9816876-0-6

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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)

Band
SMSI 2020
Sensors and Instrumentation

Chapter
A6 MEMS Sensors

DOI
10.5162/SMSI2020/A6.1

ISBN
978-3-9819376-2-6

Beitrag MEMS-Cantilever - Seite 1
Beitrag MEMS-Cantilever - Seite 2

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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.

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Grundlagen der Dichtemessung

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

Rethink Workplace – Steffen Zehnle

Rethink Workplace – Steffen Zehnle

Der Fels in der Brandung

Rethink Sensing ist nicht nur unser Claim sondern Teil unserer DNA. Heute stellen wir Ihnen unseren R&D System Engineer​ Dr.-Ing. Steffen Zehnle vor.

Aktiv in der Produktion und die Projekte auf Kurs halten

Gegenwart und Zukunft – Home office und Produktion. In diesen verschiedenen Welten bewegt sich Steffen Zehnle gekonnt während der aktuellen Covid-19 Situation. Ob bei der Eingangskontrolle unserer Omega-Chips (siehe Bild), dem Vergiessen von Sensoren oder dem Vorantreiben der aktuellen Projekte, Steffen ist überall präzise und strukturiert dabei.

Es macht Freude, so flexible und einsatzfreudige Kollegen bei der TrueDyne zu haben.

« Der Charakter offenbart sich nicht an großen Taten; an Kleinigkeiten zeigt sich die Natur des Menschen. »

Wilhelm Busch

Danke für Deinen Einsatz in dieser nicht ganz einfachen Zeit. Deine Unterstützung und deine Flexibilität schätzen wir sehr.

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Rethink Workplace – Joel Becker

Rethink Workplace – Joel Becker

Der Marathon-Man

Rethink Sensing ist nicht nur unser Claim sondern Teil unserer DNA. Heute stellen wir Ihnen unseren Electronics Engineer EFZ  Joel Becker vor.

Trautes Heim, Glück allein – Home sweet home

Während den ersten Covid-19 Fällen war Joel Becker für uns auf einem Ausseneinsatz in Italien. Nach seiner Rückholung in die Schweiz musste er für zwei Wochen in Quarantäne zuhause bleiben. Danach starteten wir mit dem ausgeweiteten Home Office. Wenn einer bei uns nun Home Office Profi ist, dann mit Sicherheit Joel Becker.

Schön zu sehen, dass er trotz diesen Umständen unsere Projekt weiterhin erfolgreich voran bringt.

« Das Glück des Lebens besteht nicht darin, wenig oder keine Schwierigkeiten zu haben,
sondern sie alle siegreich und glorreich zu überwinden. »

Carl Hilty

Danke für Deinen Einsatz in dieser nicht ganz einfachen Zeit. Wir (und die Espressomaschine) freuen uns darauf Dich (hoffentlich) bald wieder im Büro begrüssen zu dürfen. 

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