Durchflussmesssung – Angst+Pfister setzt mit Thermal Time of Flight auf ein zeitbasiertes Messprinzip für präzise Durchflussmessung. TTOF erweitert den Dynamikbereich, reduziert die Abhängigkeit von den Medieneigenschaften und ermöglicht Anwendungen mit wechselnden Gasen und kleinen bis hohen Flussraten.

Die thermische Durchflussmessung gehört zu den erfolgreichsten Messprinzip der Durchflussmesstechnik. Seit der ersten kommerziellen Realisierung eines Strömungssensors auf Basis des kalorimetrischen Prinzips werden heute jährlich mehr als 25 Millionen Sensorchips für Flow (So genannte MEMS) ausgeliefert, dominiert vom thermischen Messprinzip. In der Medizintechnik, in der Prozessautomation und in der Analytik ist die thermische Sensorik eine etablierte Größe (Silvestri & Schena, 2012). Zwei Verfahren prägen dieses Feld: die Kalorimetrie und die Anemometrie.

Beide Verfahren beruhen auf der Auswertung eines stationären Wärmetransports. Beim kalorimetrischen Prinzip wird ein Heizelement zwischen zwei symmetrisch angeordneten Temperaturfühlern platziert. Die Strömung verschiebt das Temperaturprofil, und die Differenz zwischen stromauf und stromab gelegenem Fühler ist ein Mass für den Massendurchfluss. Bei der Anemometrie (Constant Temperature Anemometry, CTA) wird ein beheiztes Element auf konstanter Temperatur gehalten: Der Heizstrom, der zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz nötig ist, bildet die Messgröße (Angst+Pfister Sensors and Power AG [APSP], o. D.-a; Kuo et al., 2012). 

Diese Verfahren stoßen jedoch an Grenzen, sobald kleine und stark variierende Flussraten präzise erfasst werden sollen. Kalorimetrische Sensoren liefern bei sehr niedrigen Flüssen ein flaches, rauschbehaftetes Signal und sättigen bei hohen Geschwindigkeiten. Die maximal messbare Strömungsgeschwindigkeit handelsüblicher kalorimetrischer Sensoren liegt typischerweise unterhalb von 15 m/s (APSP, o. D.-a). Vor allem aber ist das Signal von den thermischen Eigenschaften des Mediums abhängig: Ändert sich die Gaszusammensetzung, muss neu kalibriert werden. Der Grund liegt in der Messgröße selbst: Der kalorimetrische Messwert hängt von der spezifischen Wärmekapazität des Gases und von Verlusten durch Wärmeableitung in die Aufbau- und Verbindungstechnik (End Conduction Loss) ab, sodass die beste Genauigkeit eine Realgaskalibrierung erfordert (ISO 14511). In der Fertigung ist diese oft unpraktikabel, weil Prozessgase teuer oder aus Sicherheitsgründen nicht verfügbar sind; eine Luftkalibrierung mit theoretischem Konversionsfaktor erzeugt dagegen Fehler, die sich nicht präzise kontrollieren lassen, sowie zusätzliche Nichtlinearität im Dynamikbereich. Für Anwendungen mit verschiedenen Medien, hoher geforderter Dynamik und gleichzeitig niedrigen Grundflüssen ist das ein struktureller Nachteil.

Messprinzip Thermal Time of Flight (TTOF)

Das TTOF-Verfahren misst nicht die stationäre Wärmeableitung, sondern die Laufzeit einer Wärmefront. Ein Heizelement erzeugt einen kurzen thermischen Puls. Dieser Puls wird von der Strömung mitgeführt und erreicht ein stromab liegendes Sensorelement nach einer messbaren Zeit. Ist der Abstand zwischen Heizer und Sensor L und die Laufzeit der Wärmefront t, so ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar aus V = L/t. In realen Anwendungen wird die konvektive Ausbreitung des Wärmepulses durch Wärmediffusion im Medium überlagert. Die Auswertung korrigiert die gemessene Laufzeit deshalb um den Diffusionsanteil, der sich aus der Lösung der Wärmetransportgleichung ergibt; erst diese Korrektur macht die Messung weitgehend unabhängig von den Wärmeableitungsverlusten des Aufbaus. 

Der entscheidende Unterschied zur reinen Wärmeableitung bei der Kalorimetrie liegt in der Größe, die ausgewertet wird. Die Kalorimetrie misst eine Amplitude, nämlich die Temperaturdifferenz, und diese Amplitude hängt direkt von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Mediums ab. Das TTOF-Verfahren misst dagegen eine Zeit im transienten Signalverlauf. Zeitbasierte Signale sind gegenüber Hintergrundstörungen deutlich robuster als amplitudenbasierte. Dass sich kalorimetrisches und Laufzeitprinzip auf einem Chip kombinieren lassen und der Laufzeitmodus den nutzbaren Messbereich deutlich erweitert, wurde bereits Ende der 1990er Jahre experimentell demonstriert (Ashauer et al., 1999). Genau diesen Ansatz verfolgt Angst+Pfister mit der PFLOW-Serie: Die Sensoren implementieren das TTOF-Prinzip in Kombination mit der kalorimetrischen Auswertung auf einem MEMS-Chip und verbinden so den erweiterten Messbereich des Laufzeitverfahrens mit der Empfindlichkeit der Kalorimetrie bei kleinen Flüssen.

In der mikromechanischen Ausführung wird der Heizer nicht mit einem, sondern mit mindestens zwei stromab angeordneten Sensorelementen kombiniert, deren Abstände (x1 und x2) durch die Fotomaske exakt definiert sind. Die Elemente sitzen auf einer dünnen, thermisch isolierenden Membran über einer geätzten Silizium-Kavität. Aus den beiden Laufzeiten lassen sich rechnerisch sowohl die Temperaturleitfähigkeit des Fluids als auch eine von den Fluideigenschaften unabhängige Strömungsgeschwindigkeit gewinnen. Damit liefert TTOF im Gegensatz zu Kalorimetrie und Anemometrie mehr als nur die Flussrate: Es erlaubt eine Mehrgrössenmessung, aus der zusätzliche Rückschlüsse auf die Medieneigenschaften möglich sind. 

Technische Vorteile von TTOF

Gegenüber den amplitudenbasierten Verfahren bietet TTOF vier strukturelle Vorteile:

Großer dynamischer Messbereich: Das Turndown-Verhältnis gibt an, um welchen Faktor der größte messbare Fluss über dem kleinsten liegt, der sich innerhalb der spezifizierten Genauigkeit noch erfassen lässt. In der Literatur werden für mikromechanische TTOF-Strukturen dynamische Bereiche bis 1400:1 berichtet; in der Praxis erreichen moderne MEMS-Strömungssensoren Turndown-Verhältnisse bis zu 500:1. Wie stark das Messprinzip hier durchschlägt, zeigen Herstellerdaten zu Methan: Wird ein luftkalibrierter kalorimetrischer Sensor rechnerisch auf Methan umgerechnet, gehen rund 30% des Dynamikbereichs verloren; bei zeitbasierter Auswertung entfällt dieser Verlust, da sich die Temperaturleitfähigkeiten von Luft und Methan nur geringfügig unterscheiden (APSP, o. D.-a).

Selbstkalibrierungspotenzial: Da Zeit und geometrisch definierter Abstand direkt ausgewertet werden, kann eine einfache Kalibrierung mit einem verfügbaren Fluid (etwa Luft oder Wasser) genügen, um andere Medien ohne Genauigkeitsverlust zu erfassen. Massgebend ist die Temperaturleitfähigkeit: Gase mit gleicher Temperaturleitfähigkeit, etwa Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Argon, liefern nahezu identische Messwerte und lassen sich daher alle mit Luft kalibrieren, was beispielsweise Argonanwendungen wie die Schweissprozesskontrolle vereinfacht.

Medienunabhängigkeit und Biokompatibilität: TTOF adressiert die Mediumabhängigkeit, an der Kalorimetrie und Anemometrie scheitern; zugleich schont die geringe Wärmeeinbringung (Temperaturerhöhung um rund 5 Grad) temperatursensible Medikamente und biologische Proben (Doh et al., 2022). Wie deutlich der Gewinn bei der Gaskonversion ausfällt, zeigen Herstellerdaten aus der Anästhesie: Bei der Umrechnung einer Luftkalibrierung auf Lachgas (N2O) bleibt der Konversionsfaktor der zeitbasierten Auswertung über den gesamten Messbereich linear (R² = 1.000), während die kalorimetrische Auswertung eine ausgeprägte Nichtlinearität aufweist (R² = 0.997).

Geringe thermische Drift: Weil eine Laufzeit statt einer absoluten Amplitude gemessen wird, ist das Verfahren unempfindlich gegenüber Basislinienverschiebungen; Thermopiles und gute thermische Isolation reduzieren die Drift zusätzlich.

Anwendungsfälle

Drei Anwendungen aus der Praxis zeigen, wie die beschriebenen Prinzipien in konkreten Systemen wirken, und wie unterschiedlich die Rolle des Sensors dabei ausfallen kann.

Prozessgasregelung in der Halbleiterbeschichtung. In Sputter- und PVD-Anlagen für die Dünnschichtabscheidung hängen Schichtdicke, Uniformität und Reproduzierbarkeit unmittelbar von der exakten Dosierung der Prozessgase ab, etwa von Argon als Sputtergas oder von reaktiven Gasen wie Sauerstoff und Stickstoff. Die Regelung arbeitet an der Schnittstelle zum Vakuumprozess, muss schnelle Übergänge zwischen Prozessschritten abbilden und über lange Kampagnen wiederholgenau bleiben; wechselt der Prozess das Gas, darf die Messgenauigkeit nicht verloren gehen. Der Massendurchflussregler PFLOWC5002 kombiniert dafür ein thermisches MEMS-Sensorelement mit integriertem Regelventil und wird werkseitig auf zwei Prozessgase kalibriert, wobei die Umschaltung zwischen den Kalibrierkurven softwareseitig durch die Anlagensteuerung erfolgt (APSP, o. D.-b).

CO₂-Insufflation in der Endoskopie. In der minimalinvasiven Chirurgie erzeugen Insufflatoren mit CO₂ einen definierten Arbeitsraum im Körper, etwa das Pneumoperitoneum bei der Laparoskopie. Der Durchflusssensor liefert dabei die Rückführgröße für die geschlossene Druck- und Flussregelung: Er misst den tatsächlich abgegebenen CO₂-Fluss, aus dem das Gerät die Volumenbilanz führt und den intraabdominalen Druck im therapeutischen Fenster hält. Die Messaufgabe fordert beide Enden des Messbereichs gleichzeitig, nämlich feinste Flüsse für die druckgeführte Nachregelung und die Pädiatrie sowie hohe Flussraten von mehreren zehn Litern pro Minute, wenn Leckagen oder die Rauchgasabsaugung kompensiert werden müssen. Dazu kommen pulsierende Abgabeprofile, die eine schnelle Ansprechzeit verlangen. Für diese Aufgabe wird der PFLOW9015CL erfolgreich eingesetzt (APSP, o. D.-b).

Pneumatische Integritätsüberwachung in der Genomik-Analytik. In Instrumenten für die Einzelzellanalyse und die Probenvorbereitung für die Sequenzierung der nächsten Generation werden Proben und Reagenzien über mikrofluidische Kartuschen partitioniert und verarbeitet (Lin et al., 2022). Bewegt werden sie nicht durch Pumpen im Flüssigkeitspfad, sondern pneumatisch über einen gesteuerten Gasdruck. Die Zuverlässigkeit dieses pneumatischen Pfades entscheidet damit unmittelbar über die Qualität des Analyseergebnisses, denn eine blockierte Leitung führt zu einem stillen Ausfall, der ohne eigene Überwachung erst am fehlerhaften Resultat sichtbar würde. Der Durchflusssensor übernimmt hier keine Dosieraufgabe, sondern eine Diagnosefunktion: Er verifiziert kontinuierlich, dass überhaupt und in der erwarteten Größenordnung Gas fließt. Zum Einsatz kommt eine kundenspezifische Variante des PFLOW2001 mit 30 sccm Endwert, gaskalibriert und mit digitaler I2C-Schnittstelle (APSP, o. D.-c). Entscheidend ist hier nicht die Genauigkeit im Nennpunkt, sondern die verlässliche Auflösung sehr kleiner Flüsse und ein eindeutiges Signalverhalten an der unteren Bereichsgrenze.

Herausforderungen

Warum hat TTOF die etablierten Verfahren dann nicht verdrängt? Die Auswertung eines transienten Laufzeitsignals erforderte in diskreter Ausführung deutlich mehr Schaltungsaufwand als die einfache Amplitudenmessung kalorimetrischer Sensoren. Genau dieser Aufwand war historisch ein wesentlicher Grund für die geringere Verbreitung. In modernen MEMS-Sensoren ist diese Auswertung jedoch in die integrierte Elektronik verlagert, sodass der Mehraufwand auf Bauteilebene praktisch keinen Kostennachteil mehr darstellt; auf Systemebene kehrt sich die Rechnung sogar um, weil die vereinfachte Kalibrierung teure Realgaskalibrierungen und zusätzliche Sensorvarianten einspart. Hinzu kommen physikalische Grenzen an beiden Enden des Messbereichs: Am oberen Ende wird eine sehr feine Zeitauflösung nötig, am unteren verschwimmt das Signal. Auch der Leistungsbedarf liegt je nach Auslegung über dem der Kalorimetrie, lässt sich durch gepulsten Betrieb aber bis in den Bereich weniger Milliwatt senken.

Die untere Bereichsgrenze ist dabei keine Frage der Elektronik, sondern eine physikalische. Unterhalb des spezifizierten Turndown-Verhältnisses sinkt die Genauigkeit nicht graduell, sondern das Nutzsignal verschwindet in Effekten, die mit der Strömung nichts zu tun haben. Bei TTOF dominiert die Wärmediffusion die Laufzeit, sobald die Strömungsgeschwindigkeit klein gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärme im Medium wird: Der Puls erreicht das Sensorelement dann auch ohne Fluss, und die gemessene Zeit wird zunehmend unabhängig von der Strömung. Bei den amplitudenbasierten Verfahren wirkt derselbe Mechanismus über die freie Konvektion. Für einen thermischen Sensor mit Thermopile-Auswertung wurde die praktisch erreichbare Nachweisgrenze zu 0.8 mm/s bestimmt, während die reine Rauschgrenze bei 0.13 mm/s liegt; die Differenz geht im Wesentlichen auf natürliche Konvektion zurück, die als eigentliches Haupthindernis der Kleinstflussmessung identifiziert wurde (Issa & Lang, 2013). Hinzu kommt der Nullpunkt-Offset der Auswertekette, der einen Fluss vortäuscht, wo keiner ist, und dessen Drift sich bei der Integration zu einem Volumen unbegrenzt aufsummiert (Piotto et al., 2017).

Praktisch heißt das: Unterhalb einer bestimmten Flussrate kann ein thermischer Sensor nicht mehr zuverlässig unterscheiden, ob das Medium sehr langsam fließt oder gar nicht. Wo genau diese Unterscheidung die eigentliche Messaufgabe ist, etwa bei der Verifikation, dass eine Leitung nicht blockiert ist, oder bei der Erkennung eines Leerlaufs, ist deshalb nicht die Genauigkeit im Nennpunkt das Auslegungskriterium, sondern das Signalverhalten an der unteren Bereichsgrenze. Die Auslegung bleibt damit ein Kompromiss: Ein größerer Abstand zwischen Heizer und Sensor liefert ein stärkeres Laufzeitsignal, verlangt aber mehr Leistung und verringert den nutzbaren dynamischen Bereich.

Fazit und Ausblick

Der Unterschied zwischen den thermischen Messprinzipien lässt sich auf einen einzigen Punkt zurückführen: Kalorimetrie und Anemometrie werten eine Amplitude aus, Thermal Time of Flight eine Zeit. Weil eine Laufzeit über eine geometrisch definierte Strecke gemessen wird, hängt das Ergebnis weit weniger von den Stoffwerten des Mediums ab, ist unempfindlicher gegenüber Drift und Hintergrundstörungen, und aus zwei Sensorabständen lassen sich Strömungsgeschwindigkeit und Fluideigenschaft getrennt bestimmen (Huang, 2022). Was der Prinzipwechsel nicht aufhebt, ist die untere Bereichsgrenze: Sie folgt aus der Physik der Wärmeausbreitung und aus dem Nullpunkt der Auswertekette und gilt für zeit- und amplitudenbasierte Verfahren gleichermaßen (Issa & Lang, 2013; Piotto et al., 2017).

Die Wahl des Messprinzips ist eine Systementscheidung: Ob die Fähigkeit zum Gaswechsel, der Dynamikbereich oder ein eindeutiges Signal an der unteren Bereichsgrenze im Vordergrund steht, entscheidet die Applikation, nicht die Technologie. Die Kalorimetrie bleibt dabei das mit Abstand verbreitetste Verfahren, und die Auslegung eines TTOF-Sensors bleibt eine Abwägung zwischen Signalstärke, Leistungsbedarf und Dynamik. Die Hürde, die TTOF lange gebremst hat, ist dagegen gefallen: Mit der Integration der Signalverarbeitung in die Sensorelektronik ist der einst hohe Schaltungsaufwand zu einem einmaligen Entwicklungsaufwand geworden, der sich über die Stückzahl amortisiert. Zugleich verschiebt sich die Erwartung an Durchflusssensoren: Sie sollen erkennen, mit welchem Medium sie arbeiten, und melden, wenn etwas nicht stimmt. Für diesen Schritt vom Messwertgeber zur Informationsquelle im System bringt das zeitbasierte Verfahren die besseren Voraussetzungen mit.

Genau dieser Systemlogik folgt Angst+Pfister: In den PFLOW-Produkten kommen je nach Anforderung das kalorimetrische oder das TTOF-Prinzip zur Anwendung, und wo die Messaufgabe es verlangt, werden beide Verfahren auf demselben MEMS-Chip kombiniert.

So ergänzen sich die Empfindlichkeit der Kalorimetrie bei kleinen Flüssen und der große Dynamikbereich sowie die Medienunabhängigkeit des Laufzeitverfahrens zu einem Ergebnis, das keines der beiden Prinzipien allein erreicht.

Autor: Marius Lamm ist Product Manager Pressure & Flow Sensors bei der Angst+Pfister Sensors and Power AG

https://sensorsandpower.angst-pfister.com