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1-2021

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Sensoren Unempfindlich

Sensoren Unempfindlich gegen Feuchtigkeit Differenzdrucksensoren nach thermischem Massendurchflussprinzip Differenzdrucksensoren der Reihe LDE von First Sensor kommen beispielweise in den mobilen Spirometern „Spirostik Blue“ von Geratherm Respiratory zum Einsatz. Alle Bilder: First Sensor Spirometer und Beatmungsgeräte verwenden durchflussbasierte Differenzdrucksensoren. Doch die feuchte Atemluft von Patienten kann deren Funktion beeinträchtigen. Weniger empfindlich sind Sensoren mit kleinen, in den Chip integrierten Strömungskanälen und einem hohen Strömungswiderstand, wie Tests belegen. Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren ermitteln Druckdifferenzen, die Gasströmungen in Strömungskanälen verursachen. Autor: Michael Sammüller, Product Manager First Sensor www.first-sensor.com/de Ein Beispiel aus der Medizintechnik ist die Bestimmung des Atemflusses von Patienten. So nutzen Spirometer solche Sensoren, um das Atemvolumen zu messen und den Luftvolumenstrom zu erfassen. Durchflussbasiert Bei der durchflussbasierten Differenzdruckmessung wird der Sensor in einem Nebenzweig (Bypass) der Hauptströmungsleitung platziert. Dort misst er den Druckabfall Δp = p1 – p2 über einem Strömungselement. Die Differenz ist ein Maß für den Volumendurchfluss durch die Hauptleitung. Auf diese Weise lassen sich präzise und kostengünstig Differenzdrücke von wenigen Millibar erfassen. Für dieses Messverfahren eignen sich vor allem Sensoren mit einem hohen pneumatischen Widerstand von >10 bis >100 kPa/(ml/s). Sie benötigen eine viel geringere Bypass-Strömung für die Druckmessung. Dadurch beeinflussen solche Komponenten die Hauptströmung deutlich weniger als Sensoren mit einem niedrigen pneumatischen Widerstand. Sie ermitteln den Differenzdruck Δp anhand einer Gasströmung, die durch einen Strömungskanal im Sensor-Chip fließt. Dabei kommt das Prinzip der thermischen Massendurchfluss-Messung auf MEMS-Ebene (Micro-Electrical Mechanical System) zum Einsatz. Probleme mit der Feuchtigkeit Allerdings ist bei durchflussbasierten Differenzdrucksensoren folgender Punkt zu beachten: Bei Anwendungen wie der Messung des Atemflusses enthält das Gas eine beträchtliche Menge Feuchtigkeit. Denn der Patient atmet feuchte Luft aus, die meist wärmer ist als die Umgebung. Daher kann es zu Kondensation kommen. Dieser Effekt tritt im Hauptströmungskanal, in den Verbindungsleitungen zum Sensor und möglicherweise sogar im Sensor auf und kann die pneumatischen Eigenschaften des Mess-Systems verändern. Im schlimmsten Fall setzt es dem Sensor zu und er fällt aus. Wie hoch die Gefahr ist, hängt stark vom Strömungswiderstand ab, also der pneumatischen Impedanz des Sensors. Vier Testkandidaten Um das Verhalten von durchflussbasierten Differenzdrucksensoren bei Feuchtigkeit zu ermitteln, hat First Sensor Tests mit vier Δp-Sensoren mit unterschiedlichen pneumatischen Widerständen durchgeführt. Zwei stammten vom Unternehmen selbst, zwei Sensormodelle (Sensor 1-1 und 2-1) anderer Hersteller wurden zum Vergleich herangezogen: • Sensor LDES250UF6S mit einem Druckmessbereich von 0…250 Pa und einem pneumatischen Widerstand von ~80 kPa/(ml/s) und • Sensor LDES050UF6S mit 0…50 Pa und ~30 kPa/(ml/s). • Sensor 1-1 mit einem Druckmessbereich von -20…+500 Pa und einem pneumatischen Widerstand von ~300 Pa/(ml/s) sowie • Sensor 2-1 mit 0…±20 Pa und ~15 kPa/(ml/s). Alle Sensoren waren beim Test parallel angeschlossen und somit denselben Differenzdrücken und Testbedingungen ausgesetzt. Test 1: Gleiche Bedingungen für alle Sensoren. Beim ersten Testlauf wurden alle vier Sensoren mit Kunststoffschläuchen von 10 cm Länge und 1/8 Zoll Durchmesser mit einem Typische Anordnung für die Durchflussmessung nach dem Differenzdruckverfahren Der Versuchsaufbau, mit dem sich das Verhalten von durchflussbasierten Drucksensoren in feuchter Luft ermitteln lässt. 38 meditronic-journal 1/2021

Sensoren Bei Test 1 zeigten sich bereits nach etwa 10 Sekunden Wasseransammlungen beim Sensor eines anderen Herstellers mit geringem Strömungswiderstand Testvolumen verbunden, in dem eine Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent herrschte. Als Strömungswiderstand diente ein 5 cm langer Kunststoffschlauch mit einem Innendurchmesser von 1/16 Inch (1,6 mm). Der Druck im Testvolumen entsprach dem der Umgebung. Der Differenzdruck Δp lag bei etwa 230 Pa. Er wurde von einem membranbasierten Differenzdrucksensor überwacht. Bereits nach 30 Sekunden zeigten sich erste Kondensationsspuren im Inneren des Verbindungsschlauchs zum Sensor 2-1. Dieser wies den geringsten pneumatischen Widerstand der Testkandidaten auf. Nach einer Minute fiel bei diesem Sensor das Ausgangssignal stark ab. Nach weiteren 60 Sekunden war außerdem eine starke Reduzierung der Ausgangsspannung zu beobachten, von ~120 mV bis auf ~0 mV. Die Ursache war die Verstopfung des Verbindungsschlauchs mit Kondenswasser. Das wiederum führte zu einem plötzlichen Anstieg der Temperatur im Testvolumen und einer kurzen Druckspitze, bis die Regelung des Gebläses wieder einen konstanten Differenzdruck Δp herstellte. Auch beim Sensor 1-1 fiel nach etwa vier Minuten die Ausgangsspannung auf den Wert 0, ebenfalls bedingt durch Kondenswasser im Verbindungsschlauch. Zum Vergleich Bei den beiden LDE-Sensoren kam es nicht zu einer Wasseransammlung am Anschluss zum Testvolumen. Außerdem trat während des gesamten Testlaufs von 55 Minuten keine Kondensation in den Verbindungsschläuchen auf. Der Sensor LDES250UF6S zeigte während des gesamten Tests ein gleichbleibendes Ausgangssignal, meditronic-journal 1/2021 entsprechend der kalibrierten Messgenauigkeit. Das Ausgangssignal des LDES050UF6S-Sensors war gesättigt, weil der beim Test verwendete Differenzdruck Δp über dessen Messbereich von 50 Pa lag. Test 2: Handicap für LDE-Sensoren Beim zweiten Versuch wurden die LDE-Sensoren „benachteiligt“: Der Innendurchmesser des Verbindungsschlauchs zum Sensor 1-1 war nun mit 1/4 Inch (6,4 mm) doppelt so groß. Dadurch konnte der Sensor mehr Kondenswasser aufnehmen. Bei den LDE-Sensoren lag der Durchmesser unverändert bei 1/8 Inch. Allerdings kürzten die Testfachleute die Schlauchlänge von 10 cm auf 3 cm. Dadurch lagen die LDE- Sensoren näher am Testvolumen. Wie erwartet funktionierte Sensor 1-1 beim zweiten Test länger. Erst nach etwa 60 Minuten verstopften Wasseransammlungen den Verbindungsschlauch, was zu einem starken Abfall des Ausgangssignals führte. Doch bereits nach 20 beziehungsweise 40 Minuten war bei konstantem Differenzdruck Δp der Versuchsanordnung kurzzeitig ein Abfall des Ausgangssignals zu beobachten. Der Grund war, dass Kondenswasser den Verbindungsschlauchs beziehungsweise die inneren Strömungskanäle verengte. Da der Sensor kontinuierlich von Luft durchströmt wird, löst diese Strömung geringere Wasseransammlungen teilweise wieder auf. Das ist auch der Grund, warum der Signalwert kurzfristig sinkt und das Ausgangssignals anschließend wieder den vollen Signalwert erreicht - etwa 2 V bei einem Differenzdruck Δp ≈ 230 Pa. Wie schon im ersten Test zeigten beide LDE-Sensoren auch beim zweistündigen Testlauf mit dem gekürztem Verbindungsschlauch keine Anzeichen einer Verstopfung oder Verschlechterung des Signals. Bewertung der Ergebnisse Beide Testreihen machen deutlich, wie wichtig ein hoher Strömungswiderstand bei durchflussbasierten Differenzdrucksensoren ist, wenn diese in Systemen zur Messung warmer und feuchter Luft eingesetzt werden. Dazu gehören neben Spirometern auch Systeme für die Beatmung und Anästhesie, außerdem Schlafapnoe-Therapiegeräte. Ein hoher Strömungswiderstand reduziert die Menge feuchter Luft, die durch den Sensor und seine Verbindungsschläuche fließt und damit auch die Menge an Feuchtigkeit, die überhaupt kondensieren und möglicherweise die Strömungsleitungen verstopfen könnte. Je weniger Luftströmung ein durchflussbasierter Drucksensor für seine Messungen benötigt, desto besser ist grundsätzlich sein Verhalten und seine Beständigkeit gegenüber feuchter Luft. Ist der pneumatische Widerstand niedrig, fließen größere Mengen Luft durch den Sensor und die Verbindungsschläuche. Bei hoher Luftfeuchtigkeit sind die Schläuche daher anfällig für Kondensation. Außerdem können Wasseransammlungen an den Verbindungsstellen zu einer Verstopfung und zum Ausfall der Sensoren führen. Wassertropfen Weiterhin ließen sich bei den Untersuchungen auch an den Wänden des Testvolumens größere Wassertropfen beobachten, die aus der Hauptströmung kondensierten. Auch diese Tropfen können Verbindungsschläuchen zusetzen. Das ist etwa dann der Fall, wenn sich die Tropfen unter dem Einfluss der Schwerkraft oder einer Oberflächenspannung verbinden und verschieben. Auch wenn dies bei der Testreihe nicht beobachtet wurde, kann dieser Effekt jeden Sensor betreffen, unabhängig von seinem Strömungswiderstand. Die Entwickler von Messgeräten und medizinischen Systemen sollten daher diesen Faktor berücksichtigen und eine Eignungsüberprüfung der Sensoren nach oben genanntem Beispiel durchführen sowie Vorkehrungen treffen, dass keine Kondensation auftritt. ◄ Die Ergebnisse der ersten Tests von vier durchflussbasierten Differenzdrucksensoren: Bei den Sensoren 1-1 und 2-1 ist ein Abfall der Ausgangssignale festzustellen, bedingt durch Kondenswasser. Bei den beiden Sensoren von First Sensor traten keine Probleme auf. 39

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