Mit Wasser kühlen – aber richtig!

Auf was es bei wassergekühlten Ophir Sensoren wirklich ankommt

 

Durchflusskonditionen

 

Ophir Sensoren mit Wasserkühlung wurden zur Messung von hohen Laserleistungen entwickelt, gleichzeitig sind sie sehr kompakt und schnell. Um die korrekte Funktion des Sensors sicherzustellen, müssen sich Durchflussrate, Temperatur und die Temperaturkonstanz des Wassers im vorgegebenen Bereich bewegen. Unsere Empfehlungen basieren dabei auf der Annahme, dass die Wassertemperatur auch bei der maximalen Leistung um nicht mehr als 10 Grad ansteigt. Die Tabelle unten gibt die korrekten Informationen zum Durchfluss bei maximaler Leistung für unterschiedliche Ophir Sensoren an. Hält man sich an die empfohlenen Durchflussmengen, erzielt man die optimale Kühleffizienz im Messkopf und gewährleistet damit auch in Langzeittests unkritische Temperaturbedingungen im Messsystem.

 

Mit Wasser kühlen – aber richtig!

 

Welche Durchflussrate wird benötigt, wenn der Sensor nicht bei voller Leistung betrieben wird?
Prinzipiell sinkt die benötigte Durchflussrate proportional zur Leistung. Allerdings benötigt der Sensor eine minimale Durchflussrate, um korrekt zu arbeiten. Diese liegt bei 20 % der angegebenen Durchflussrate bei maximaler Leistung. Dieser Wert sollte keinesfalls unterschritten werden.

 

Welche Einlasstemperatur sollte das Wasser haben?
Wir geben diese Temperatur in der Regel mit 15 bis 30 Grad Celsius an. Eine geringere Temperatur könnte zu einer Kondensatbildung auf der Absorber-Oberfläche führen, hierzu ist der jeweilige Taupunkt am Einsatzort zu beachten. Stellt dies kein Problem dar, kann die Temperatur unter 15 Grad Celsius liegen. Berücksichtigt werden sollte allerdings, dass es zu einem Versatz des Nullpunkts kommen kann. Da thermophile Sensoren den Temperaturgradienten von der Sensorfläche nach außen zum Gehäuse messen, beeinflusst die Raumtemperatur unter Umständen das Messergebnis. Unterscheidet sich die Umgebungstemperatur deutlich von der Sensortemperatur, wird der Messkopf auch ohne einen auftreffenden Laserstrahl ein positives Messergebnis anzeigen. Dieser Versatz kann in der Software ausgeglichen werden.

 

Was ist mit der Konstanz der Wassertemperatur?
Der Sensor misst den Wärmestrom, der über die integrierte thermopile Schicht fließt. Ändert sich die Wassertemperatur schlagartig, wird das den Wärmefluss und damit auch die Leistungsmessung beeinflussen. Deshalb geben wir an, dass sich die Wassertemperatur nicht um mehr als 1 Grad pro Minute ändern sollte. Das Messergebnis des Leistungssensors kann durch plötzliche Änderungen der Durchflussrate ebenfalls beeinflusst werden, auch diese sollten vermieden werden.

 

Anforderungen an das Wasserkühlsystem:
Ophir liefert keine Kühl- und Wasserdurchfluss-Systeme für den Sensor, aber das Kühlgerät sollte in der Lage sein, die spezifizierte Wassertemperatur und die Durchflussrate auch bei maximaler Hitzebelastung konstant zu halten. Und dies auch ohne dass es - wie oben beschrieben - zu großen Temperaturschwankungen kommt. Manchmal wird das Kühlwasser durch mehrere Systeme geschleift, darunter auch durch das Leistungsmessgerät. In diesem Fall sollte sichergestellt werden, dass sich nicht direkt vor dem Sensor ein Gerät befindet, das das Wasser zu sehr erwärmt oder die Wassertemperatur schwanken lässt. Wird das Kühlsystem dennoch so aufgebaut, dass es zu abrupten Schwankungen in der Temperatur kommt, die die Messungen beeinflussen, können diese reduziert werden, in dem ein Wassertank (>30 Liter) zwischen Kühlgerät und Messkopf geschalten wird, um die Wassertemperatur durch Mischung zu vermitteln.

 

Muss die Wasserkühlung auch bei niedrigen Leistungen kontinuierlich zugeschaltet werden?
Zunächst ist es wichtig, dass der Kühlkreislauf betrieben werden sollte noch bevor die erste Messung durchgeführt wird. Der Sensor benötigt bis zu einer Minute, um sich zu stabilisieren, nachdem das Wasser fließt. Zur Nutzung bei geringen Leistungen: Der Sensor wird nicht korrekt arbeiten, solange er nicht mit Wasser gefüllt ist, um den thermischen Kontakt zwischen Disc und Sensor herzustellen. Wenn der Sensor mit Wasser gefüllt ist und dann die Zu- und Abflüsse verschlossen werden, kann der Sensor bei hohen Leistungen kurzzeitig bei geringen Leistungen kontinuierlich ohne Wasserdurchfluss betrieben werden. Allerdings kann bei dieser Betriebsart die Ansprechzeit des Sensors nicht optimal sein.

 

Mit Wasser kühlen – aber richtig!Korrosion
Korrosion ist eine schleichende Zerstörung des Materials (in der Regel des Metalls) durch dessen chemische Reaktion mit ihrer Umwelt. Metalle werden in eine stabilere Form gebracht und es entstehen Oxide, Hydroxide oder Sulfide. Reagieren die metallischen Komponenten des Sensors mit dem Kühlwasser, das eine Vielzahl nichtgebundener Ionen enthalten kann, entsteht Korrosion. Die meisten Ophir Sensoren mit Wasserkühlung haben ein hartes eloxiertes Gehäuse und nur in seltenen Fällen kann dies – abhängig von der Zusammensetzung des Wassers - korrodieren. Meist beginnt dies mit einem Riss in der Beschichtung, der das blanke Aluminium freilegt. Risse verursachen häufig eine lokale chemische Reaktion, die zu einer Säurebildung und zur Konzentration nicht-flüchtiger Verunreinigungen führt, die Korrosion – bzw. den sogenannten Lochfraß – begünstigen.

 

Wie beeinflusst das Wasser die Korrosion?
Zahlreiche Faktoren beeinflussen das Risiko der Korrosion, die wichtigsten sind dabei der pH-Wert und die Zusammensetzung der Ionen im Wasser. In der Regel tauchen keine Probleme mit Korrosion auf, wenn Leitungswasser oder deionisiertes Wasser (bei kleinen Kühlkreisläufen) verwendet wird. Allerdings begünstigen einige Faktoren der Lochfraß: Nichtgebundener Sauerstoff, Chlorid-Ionen, mehr kathodisch metallisierte Ionen in der Lösung oder extreme pH Werte (kleiner 4 und größer 9).

 

Welche Wasserzusammensetzung eignet sich optimal für Ophir Sensoren?
Wie schon zuvor beschrieben, begünstigen einige Wasserarten Korrosion. Wir empfehlen aus diesem Grund die Verwendung destillierten Wassers in einem geschlossenen Kühlkreislauf. Beim Einsatz von deionisiertem Wasser gilt es hingegen zu beachten, dass es Wasser aufgrund der CO2-Absorption der Atmosphäre leicht sauer ist (pH 5,65). Für ein optimales Ergebnis kann das Kühlwasser neutralisiert werden, in dem 5 ml einer 10mM Lösung NaOH pro Liter Wasser im Kühlsystem hinzugefügt werden. Manchmal wird deionisiertes Wasser als „Ionen-hungrig“ und deshalb korrodierend beschrieben, das gilt aber für geschlossene Kreisläufe mit geringem Wasservolumen so nicht, da sich das Wasser nach kurzer Zeit gesättigt hat.

 

Was ist mit Leitungswasser?
Leitungswasser ist in der Regel in Ordnung, allerdings beinhaltet es zum Teil auch nichtgebundene Ionen, von denen einige die Sensorleistung oder dessen Integrität beeinträchtigen können. Chloride, Sulfate oder schwere Metallionen können Korrosion massiv beschleunigen. Zweiwertige Metalle und Carbonate – ihre Konzentration beschreibt die Wasserhärte – können ausflocken und damit die Wärmeleitung zwischen der Disc und dem Kühlwasser beeinträchtigen. Da die Wasserqualität regional sehr stark schwankt, empfehlen wir die Verwendung destillierten Wassers. Damit werden auch biologische Prozesse durch Bakterien, Pilze oder Algen vermieden, die durch Leitungswasser im Kühlkreislauf beschleunigt werden könnten. Destilliertes Wasser soll auch weniger an Stoffen enthalten, die biologische Prozesse beschleunigen. Sollte das Umkippen des Wassers dennoch ein Problem darstellen, können verschiedene Biozide hinzugefügt werden, um diesen Prozess zu stoppen. Hier sollten bei Bedarf Wasserexperten befragt werden.

 

Können auch Propylen- oder Ethylenglykol-Additive zugefügt werden?
Es ist unklar, warum diese Glykoladditive hinzugefügt werden sollten, wo sie doch die Kühlfähigkeit des Sensors beeinträchtigen und Vergiftungen in unterschiedlichen Stufen auslösen können. Normalerweise werden diese Zusätze nur in Systemen verwendet, um diese vor dem Einfrieren oder Kochen zu hindern, was bei der korrekten Anwendung der Ophir Sensoren kein Problem darstellen sollte. Am Markt erhältliche Glykolmischungen enthalten korrosionsvermindernde Zusätze und können ohne den Zusatz von Propylen- oder Ethylenglykol-Additive verwendet werden. Sollten Glykolmischungen genutzt werden, sollte der pH Wert zwischen 8 und 9 liegen.

 

Mit Wasser kühlen – aber richtig!Was passiert mit dem Sensor, wenn er nicht verwendet wird?
Um Korrosion zu vermeiden, ist es wichtig, dass kein stehendes Wasser im Sensor verdunstet und Verunreinigungen zurücklässt. Sobald der Sensor vom Kühlkreislauf abgekoppelt wird, sollte der mit einem Kompressor überschüssiges Wasser aus dem Kanal entfernt werden.

 

Gibt es einen Ophir Sensor, der immun ist gegen Korrosion?
Kunden, die einer Korrosion auf jeden Fall vorbeugen möchten, empfehlen wir den thermischen Sensor 1000WP-BB-34. Sein spezielles Design gewährleistet, dass alle Materialien, die mit dem Kühlwasser in Kontakt kommen, entweder aus Kupfer oder nichtmetallisch sind. Dieser Sensor wird selbst bei unerwünschten Wasserverhältnissen nicht korrodieren.

 

Ephraim Greenfield und Christian Dini