Nieuwe flowtechnologieën met geïntegreerde sensorfunctionaliteit

Wereldwijd streven onze klanten naar vereenvoudiging en integratie van hun flowprocessen voor gas, vloeistof of damp. Ze zijn op zoek naar compacte, robuuste en betrouwbare geïntegreerde platforms, in sommige gevallen zelfs met verschillende typen sensoren.

In dit blog geef ik een voorproefje van de ‘toolbox’ die momenteel in ontwikkeling is bij Bronkhorst. Met een van de onderdelen hiervan, de micro-Coriolis-massflowsensor, hebt u al kennis gemaakt in ons vorige blog, Miniaturization to the extreme (Miniaturisatie tot het uiterste).

Waarom een ‘toolbox’ van de volgende generatie ontwikkelen?

Dagelijks merken we dat onze klanten behoefte hebben aan miniaturisatie en aan een tool waarmee ze uiteenlopende parameters kunnen regelen om aan de strenge eisen van hun eigen klanten te voldoen. Het gaat dan om bedrijven op het gebied van levenswetenschappen en fabrikanten van analytische apparatuur, maar ook om het online meten van gasconcentratieniveaus.

Technologie op basis van MEMS

Naar aanleiding van dergelijke verzoeken zijn we geavanceerde sensoren gaan ontwikkelen die beantwoorden aan de toekomstige behoeften van onze klanten. Het gaat hier om technologie op basis van MEMS (Micro Electro Mechanical System), waarmee je in één maatwerksysteem naast stroomsnelheid ook andere parameters kunt meten, en waarbij sprake kan zijn van één sensor of een combinatie van sensoren.

Voorbeeld van het gecombineerd meten van parameters

Aan de hand van een gemeten fysische eigenschap kan bijvoorbeeld het type medium worden bepaald (als die eigenschap ten minste uniek is voor dat medium). Als het medium uit twee gassen bestaat, kan aan de hand van een eigenschap de verhouding van de twee delen van het mengsel worden vastgesteld.

Andere parameters waaraan kan worden gedacht zijn het suikergehalte (de Brix-waarde) van een vloeistof, of de warmtecapaciteit waarmee de verhouding olie-water in een mengsel kan worden gemeten.

Dit zijn in het kort de nieuwe concepten waarmee we onze klanten willen helpen hun toekomstige technologische uitdagingen aan te gaan.

Sensorchip voor meerdere parameters

Een voorbeeld van een aanleiding voor een programma voor het verkleinen van apparatuur: Bronkhorst kreeg samen met een aantal partners het verzoek om een aantal fysische gaseigenschappen te meten. Deze eigenschappen waren:

warmtecapaciteit (cp)
dichtheid (ρ)
thermische geleidbaarheid (λ) en
viscositeit (η)

Voor het analyseren van deze eigenschappen waren meerdere afzonderlijke sensoren nodig, zoals een Coriolis-, warmte-, druk- en dichtheidssensor. Om te bewijzen dat de combinatie van meerdere sensoren en elektronica kon voldoen aan de behoeften van de klanten, werd een demonstatiemodel ontwikkeld. Dit model bevatte reeds bestaande producten die in één systeem werden gecombineerd.

Demonstratiemodel

Met behulp van het demonstratiemodel kan het projectteam exact bepalen wat de mogelijkheden zijn voor een chip waarmee meerdere parameters gemeten kunnen worden.

Eén belangrijk aspect van de prestaties van sensoren is de stabiliteit, vooral wanneer meerdere sensoren worden gecombineerd om informatie over het medium in het systeem te verkrijgen. In de afbeelding hieronder is te zien dat de viscositeit kan worden gemeten met een combinatie van massflow, dichtheid en drukverschil. Met het hierboven afgebeelde demonstratiemodel hebben we getest of de viscositeit van een medium gedurende langere tijd nauwkeurig kan worden gemeten ongeacht veranderingen in de omgevingstemperatuur. Viscositeitsmetingen kunnen nuttig zijn voor bepaalde toepassingen, bijvoorbeeld wanneer viscositeit en verbrandingswaarde een sterke correlatie vertonen, zoals bij aardgas. Het onderstaande histogram toont de testresultaten voor een testperiode van 84 uur. Alle meetwaarden voor viscositeit blijken binnen een bandbreedte van 0,5 % te vallen.

Toekomstige sensor

Het volgende niveau is de combinatie van dezelfde functies op een veel kleinere basis. Het onderstaande concept toont de mogelijkheden om de vereiste parameter op chipniveau te combineren.

Testresultaat voor een testperiode van 84 uur

Mogelijke toekomstige situatie

Flow-oplossingen van Bronkhorst®

Machinefabrikanten overal ter wereld willen hun gas-, vloeistof- of dampflowprocessen vereenvoudigen en integreren. Bronkhorst kan daar nu al aan bijdragen door flowoplossingen te ontwikkelen en leveren die 100% maatwerk zijn en dus volledig aan de behoeften van de klant voldoen.

Neem voor informatie over onze toekomstige toolboxconcepten contact op met ons kantoor [email protected]

De resultaten van dit co-creatieproces zijn in enkele eerdere blogs aan bod gekomen:

Klein, kleiner, kleinst: de micro-Coriolis massflowsensor: De ontwikkeling van een op MEMS gebaseerd Coriolis-instrument, de gevoeligste Coriolis-massflowsensor ter wereld.
Bronkhorst, its share of a clean – solar – energy future (Hoe Bronkhorst bijdraagt aan een toekomst met schone (zonne-)energie): een samenwerking waarbij Bronkhorst voor Tempress een ‘fit for purpose’ subsysteem ontwierp voor het genereren van chemische damp voor het diffusiedoteringsproces.