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Differenzdruck-Sensoren So lassen sich mit Sensortechnologie niedrigste Drücke bestimmen

| Autor / Redakteur: Dr. Adriano Pittarelli* / Ines Stotz

Mit einer von First Sensor neu entwickelten Sensortechnologie lassen sich niedrigste Drücke bestimmen. Aufgrund des minimalen Durchflusses sind die Differenzdruck-Sensoren unempfindlich gegenüber feuchter Luft – was sie für medizintechnische Anwendungen prädestiniert.

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Die Differenzdruck-Sensoren von First Sensor eignen sich bestens für Beatmungs- und Atemtherapiegeräte.
Die Differenzdruck-Sensoren von First Sensor eignen sich bestens für Beatmungs- und Atemtherapiegeräte.
(First Sensor )

Aufgrund des Messprinzips kommt es bei durchflussbasierten Differenzdruck-Sensoren während des Betriebs zu einer Gasströmung durch den Sensor. Dies gilt für alle die, die auf dem Prinzip der thermischen Massendurchfluss-Messung beruhen - im Gegensatz zu piezoresistiven Drucksensoren, bei denen das zu messende Gas auf eine undurchlässige Siliziummembran trifft. Vorteil des thermischen Messprinzips ist seine hohe Messempfindlichkeit. Durchflussbasierte Drucksensoren werden daher erfolgreich zur präzisen Messung kleinster Differenzdrücke im Millibarbereich eingesetzt. First Sensors LBA- und LDE-Serie bietet Niedrigstdruckbereiche von 25 bis 500 Pa (0,25 bis 5 mbar) Messbereichsendwert.

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Mit solchen Sensoren wird häufig der Atemfluss in Beatmungsgeräten, Spirometern oder Schlafdiagnosegeräten bestimmt. Der Sensor wird in einem Nebenzweig (Bypass) zur Hauptströmungsleitung eingesetzt und misst den Druckabfall ΔP = P1 – P2 über einem Strömungselement. (Grafik 1). Dieser ist dabei ein Maß für den Volumendurchfluss durch die Hauptleitung. Es gibt verschiedene Elemente zur Erzeugung eines künstlichen Druckabfalls: Blenden, laminare Strömungselemente oder Venturidüsen.

Strömungskanal auf Chip-Ebene

Unter Umständen kann die Kalibration durchflussbasierter Drucksensoren von anderen pneumatischen Komponenten wie Verbindungsschläuchen und Filtern gestört werden. Einige Sensorhersteller empfehlen daher bestimmte maximale Schlauchlängen oder geben Korrekturformeln an, um die Messgenauigkeit des Sensors zu gewährleisten. Außerdem kann feuchte oder staubbeladene Luft einen negativen Einfluss auf das Messergebnis haben. Manche Sensoren verwenden daher interne Filter bzw. Staubfallen.

Durch die Integration des Strömungskanals auf Chip-Ebene (Grafik 2 ) besitzen die Sensoren der LBA- und LDE-Serie sehr hohe pneumatische Widerstände von >10 bis >100 kPa/(ml/s) abhängig vom jeweiligen Druckmessbereich. Grundsätzlich brauchen sie deshalb viel weniger Bypass-Strömung für die Druckmessung als Sensoren mit einem geringeren pneumatischen Widerstand. Dies macht die LBA- und LDE-Differenzdrucksensoren in dieser für viele Anwendungen wichtigen Eigenschaft vergleichbar mit membranbasierten Drucksensoren.

Wichtig ist die Strömung durch den Sensor

Entwickler von Systemen und Geräten, die Differenzdruck-Sensoren nach dem Prinzip der thermischen Massendurchfluss-Messung einsetzen, müssen die Auswirkungen der Strömung durch den Sensor berücksichtigen um die Genauigkeit und Langlebigkeit ihrer Produkte zu gewährleisten. Leider gibt es zu diesem Thema keine standardisierten Test- oder Zertifizierungsverfahren und meist auch keine genauen technischen Informationen. Daher wurden First Sensors durchflussbasierte Drucksensoren mit anderen, herkömmlichen durchflussbasierten Sensoren verglichen, um auf die grundlegende Bedeutung der Strömung durch den Sensor für einen verlässlichen Betrieb unter realen Umgebungsbedingungen hinzuweisen.

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