Nieuwe flowtechnologieën met geïntegreerde sensorfunctionaliteit

Bronkhorst High-Tech B.V. ontwikkeld een ‘toolbox’ om klanten vereenvoudiging en integratie van hun flowprocessen voor gas, vloeistof en damp te kunnen bieden.

Egbert van der Wouden
Cover Image

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’ waar Bronkhorst High-Tech B.V. momenteel aan werkt. 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.

Afbeelding 1: voorbeeld van het gecombineerd meten van parameters 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.

Afbeelding 2: demonstratiemodel 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.

Afbeelding 3: Testresultaat voor een testperiode van 84 uur Testresultaat voor een testperiode van 84 uur

De volgende stap is dezelfde functies te combineren op een veel kleiner oppervlak. In het onderstaande voorbeeld is te zien hoe de vereiste parameters op chipniveau kunnen worden gecombineerd.

Afbeelding 4: mogelijke toekomstige situatie 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 (info@bronkhorst.nl)

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

Wilt u minder voedselverspilling?

waarom het gebruik van een Controlled Evaporation and Mixing-system tot minder voedselverspilling kan leiden.

James Walton
Cover Image

Waarom het gebruik van een Controlled Evaporation and Mixing-systeem tot minder voedselverspilling kan leiden

Het lijdt geen twijfel dat het huidige niveau van voedselverspilling niet vol te houden is als we iets willen doen aan het mondiale voedseltekort. Dit is niet alleen een probleem van het Westen; wereldwijd vindt op meerdere punten in de toeleveringsketen verlies of verspilling van voedsel plaats.

Deze verspilling is met moderne technologieën zoals sterilisatie deels te verhelpen. Als gevolg van strenge eisen in verband met compliance zal deze technologie echter voortdurend moeten worden verbeterd. In een analyse van de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties worden enkele discrepanties nadrukkelijk genoemd:

• In ontwikkelingslanden vinden verspilling en verlies van voedsel voornamelijk plaats in de eerste stadia van de voedselwaardeketen; beide zijn te herleiden tot financiële, bestuurlijke en technische beperkingen in oogsttechnieken en opslag- en koelingsfaciliteiten.

• In gemiddeld en bovengemiddeld welvarende landen vinden verspilling en verlies van voedsel voornamelijk plaats in de latere stadia van de toeleveringsketen. Anders dan in ontwikkelingslanden speelt in geïndustrialiseerde landen het gedrag van consumenten een belangrijke rol.

Hoe kunnen we het verschil maken?

Uit onderstaande grafiek van voedselverlies en bovenstaande vaststellingen blijkt dat het de moeite waard is om te investeren in productietechnieken die de houdbaarheid van verpakt voedsel kunnen verbeteren. Dit zou een gunstig effect hebben op de verspilling van voedsel in ontwikkelde landen.

grafiek voedselverlies

[bron: http://www.fao.org/save-food/resources/keyfindings/en/]

Een van de manieren om deze resultaten te verbeteren is het voedsel beter gesteriliseerd te verpakken, zodat minder voedsel verloren gaat en het voedsel langer houdbaar blijft. Hierbij kunnen Controlled Evaporation Mixing (CEM)-systemen een rol spelen.

Bronkhorst draagt bij aan betere houdbaarheid

Sterilisatie van verpakkingen voor betere houdbaarheid is niet nieuw, maar gebeurt al jaren. De eerste aseptische afvulfabriek voor melk heeft naar ik meen al in 1961 haar deuren geopend. In de loop van de jaren is de technologie echter enorm verbeterd, en die verbetering gaat nog steeds door. Bronkhorst heeft een uitgebreid scala aan instrumenten die u bij dit proces kunnen ondersteunen.

Een ingenieuze ontwikkeling op dit gebied is een Controlled Evaporation and Mixing-systeem (oftewel CEM) - één compacte oplossing voor industriële processen zoals sterilisatie. De compacte oplossingen bestaan uit verschillende typen instrumenten, zoals vloeistof- en gasstroommeters en een verdamper.

Controlled Evaporation Mixing (CEM)-systemen gebruiken voor sterilisatie

Via een klant kreeg Bronkhorst het uitdagende verzoek om met een mengsel van 35% waterstofperoxide (H2O2) en water kartonnen en plastic verpakkingen voor vloeistof en room te ontsmetten. Een mengsel met H2O2 is een uitstekende manier om dit te doen, omdat dit bacteriën grondig doodt en eenvoudig kan worden geëvaporeerd. Bronkhorst heeft ervaring met het leveren van dit soort oplossingen.

Controlled Evaporation Mixing (CEM)-systeem

Om de beste productie met zo min mogelijk afval te verkrijgen moet u:

  1. De juiste hoeveelheid H2O2-mengsel doseren:
    • met een te grote hoeveelheid bederft het eindproduct
    • met een te kleine hoeveelheid blijven er te veel bacteriën achter
  2. Voorkomen dat ontgassing van het H2O2-mengsel plaatsvindt;
  3. Zorgen voor een beheerste stroom die aan de binnenkant van de verpakking condenseert;
  4. De stroom beperken. Een te hoge stroom leidt tot een langere droogtijd aan het eind van het sterilisatieproces.

Gasvorming in combinatie met een coriolismassflowmeter gaf het beste resultaat voor deze toepassing. Omdat H2O2-mengsels niet bijzonder stabiel zijn, veranderen de fysische eigenschappen ervan. Met een extra coriolismassflowmeter in het CEM-systeem werd het mogelijk het massflowmedium onafhankelijk van de eigenschappen ervan te meten. Omdat het coriolis-instrument bovendien de dichtheid van het medium kan meten, kan het worden gebruikt om de concentratie van de waterstofperoxide en daarmee de kwaliteit ervan te bewaken.

Een CEM-systeem heeft enkele concrete voordelen:

  • Stabiele temperatuur van gas
  • Stabiele concentratie van condensatie dankzij een beheerst dauwpunt van het mengsel
  • Al het bovenstaande is mogelijk omdat het gas, de vloeistof en de mengtemperatuur geregeld worden

Voordelen voor de klant

  • Stabiele massflow van vloeistof, ook als de fysische eigenschappen variëren
  • Bewaking van de concentratie en kwaliteit van het waterstofperoxide
  • Bewaking en traceerbaarheid van het sterilisatieproces
  • Massflowregeling van vloeistof
  • Massflowregeling van gas
  • Rechtstreekse regeling van dauwpunt via regeling van mengsel van gas en vloeistof
  • Verbeterde houdbaarheid
  • Langere houdbaarheid van vers voedsel

Lees hier meer over onze vloeistofleversystemen met gasregeling, het CEM-systeem.