Waar ben je naar op zoek?
Bronkhorst
Datasheet Op weg naar gas onafhankelijke thermische flow meting

Op weg naar gas onafhankelijke thermische flow meting

23 januari, 2024 Joost Lötters

In de toekomst van de geneeskunde wordt verwacht dat gepersonaliseerde behandelmethoden zullen leiden tot efficiëntere genezingsprocessen. Nauwkeurige meting van de flow en samenstelling van gasmengsels – met name die aanwezig zijn in de adem – zal een cruciale rol spelen bij het bereiken van dit doel. Aangezien thermische flow meters afhankelijk zijn van de eigenschappen van het gasmengsel richt Bronkhorst het onderzoek op thermische massa flow meters, zoals bijvoorbeeld de FLEXI-FLOW-serie, om gasonafhankelijke en consistent nauwkeurige meetresultaten te bereiken.

Project voor Gas Monitoring Module voor Adem Analyse

In 2021 is er een project gestart tussen de Universiteit Twente en Bronkhorst om de mogelijkheden te verkennen van het gebruik van thermische flow sensoren voor zowel de flow- als de samenstellingsmeting van gasmengsels. Verwacht wordt dat deze samenwerking zal leiden tot een demonstratiemodel van een gasmonitoringmodule voor ademhalingsapparatuur, die gebruikt kan worden voor gepersonaliseerde therapie voor patiënten met ademhalings- en longziekten (zie figuur 1). 

De taak van de gasmonitoringmodule is om verschillende gassen in de uitgeademde lucht te analyseren om therapeutische mogelijkheden te evalueren. Het systeem moet nauwkeurig de realtime concentraties van meerdere gassen meten, kosteneffectief blijven en een compact formaat behouden.

Flow measurement for breath analysis
Figuur 1. Voorbeeld van een ventilatiesysteem voor patiënten met luchtweg- en longaandoeningen.

MEMS-Gebaseerde Thermische Mass Flow Sensoren als een Mogelijke Oplossing

De kern van de gasmonitoringmodule is een, op MEMS-technologie gebaseerde, thermische massa flow sensor. Deze sensoren hebben de potentie om een cruciale rol te spelen bij de behandeling van ademhalingsaandoeningen. Ze zijn klein, snel reagerend en kosteneffectief. Er moeten echter nog verschillende fundamentele kwesties worden opgelost, zoals het gelijktijdig meten van zowel de flow rate als de gascompositie.

Gassoort Detecteren met een Thermische Geleidbaarheidssensor

Een eerste ontwerp van de thermische flow- en samenstellingsmeter is ontwikkeld op basis van modellering en begrip van fysische transductieprincipes. Dit ontwerp is in de MESA+ cleanroom aan de Universiteit Twente vervaardigd en vervolgens gekarakteriseerd.

Drie paar draden worden gebruikt als calorimetrische flow sensoren om het flow profiel en de richting binnen een flow kanaal te meten (zie figuur 2). Een onafhankelijke thermische geleidbaarheidssensor detecteert het gastype door middel van een eenvoudige gelijkspanningsmeting.

Thermal conductivity sensor
Figuur 2. Sensor ontwerp met drie aderparen voor meting van flow profiel en richting [met toestemming overgenomen van[1]].

Validatie door meetresultaten

Om de thermische geleidbaarheid te meten, zijn gassen met verschillende eigenschappen geselecteerd: helium (He), koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2) en argon (Ar). De eerste bevindingen wijzen op een goede overeenkomst tussen gemeten uitgangsspanningen en theoretische berekeningen, waardoor de flow rates kunnen worden bepaald.

Als testgas werd zuivere lucht gebruikt. De thermische geleidbaarheid daarvan is bepaald uit de gemeten spanning met behulp van een theoretisch model. Er werd een empirische relatie afgeleid voor de thermische mass flow sensor, die de thermische eigenschappen van het gas koppelt aan de flow rate. Deze relatie werd gebruikt om het debiet te meten door te compenseren voor de werkelijke thermische geleidbaarheid.

Conclusie en toekomstperspectieven

Uiteindelijk suggereert het project dat een gasonafhankelijke thermische mass flow meter een essentieel onderdeel zou kunnen worden voor farmaceutische en biotechnologische bedrijven bij het realiseren van gepersonaliseerde geneeskunde. Toekomstige metingen van gaseigenschappen zoals dichtheid en warmtecapaciteit, evenals snel veranderende variërende gasmengsels, zijn nodig om de gasmonitoringmodule voor te bereiden op experimentele validatie in een klinische omgeving.

Overige toepassing?
Ziet u andere gebieden waar gasonafhankelijke thermische flow meting voordelig zou kunnen zijn? Neem dan contact met ons op en deel uw suggesties.

Wilt u meer weten?
Meer informatie over het onderzoek vind je hier:
[1] S. Azadi Kenari, R.J. Wiegerink, H.W. Veltkamp, R.G.P. Sanders, J.C. Lötters, Thermal flow meter with integrated thermal conductivity sensor, Micromachines 2023, 14, 1280.

Neem contact op
Terug naar overzicht

Bronkhorst High-Tech designs and manufactures innovative instruments and subsystems for low-flow measurement and control for use in laboratories, machinery and industry. Driven by a strong sense of sustainability and with many years of experience, we offer an extensive range of (mass) flow meters and controllers for gases and liquids, based on thermal, Coriolis and ultrasonic measuring principles. Our global sales and service network provides local support in more than 40 countries. Discover Bronkhorst®!