Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 9 Jahren

3-2014

  • Text
  • Einsatz
  • Medizintechnik
  • Anwendungen
  • Anforderungen
  • Laser
  • Komponenten
  • Bild
  • Stromversorgung
  • Hohen
  • Serie
  • Meditronicjournal
Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Sensoren Messung des

Sensoren Messung des Atemflusses in der Medizintechnik Neuartige Sensortechnologie ermöglicht Anwendungsvorteile bei der Atemflussmessung Bild 1: Typische Anordnung zur Volumenstrommessung mit einem Differenzdrucksensor Bei der Messung des Atemflusses in der Medizintechnik kann die Messgenauigkeit der eingesetzten Sensorik durch Feuchtigkeit, Staub oder Partikel in der Strömung negativ beeinflusst werden. Für Beatmungsgeräte, Spirometer oder Schlafapnoegeräte werden daher neue und innovative Sensortechnologien gefordert, die die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit der Systeme verbessern. Eine typische Methode zur Bestimmung des Atemflusses ist die Messung eines in der Strömungsleitung erzeugten Differenzdrucks. Der Strömungskanal wird z.B. durch eine Blende künstlich verengt, wodurch es zu einem Druckabfall in der Strömung kommt, die ein Maß für den Volumendurchfluss ist. Dieser Druckabfall über dem Strömungselement kann mit Hilfe eines Differenzdrucksensors gemessen werden. Dazu wird der Sensor z.B. über Schläuche mit der Hauptströmungsleitung verbunden wodurch sich ein Abzweig (Bypass) bildet (siehe Bild 1). Um den Atemvorgang des Patienten nicht unnötig zu belasten ist es wichtig, den Strömungswiderstand der Blende so gering wie möglich zu halten. Die über dem Strömungselement erzeugten Differenzdrücke sind daher sehr niedrig - im Bereich von unter 100 Pa bis zu einigen tausend Pa. Durchflussbasierte Drucksensoren First Sensors LDE-Differenzdrucksensoren basieren auf einer neuen Technologie zur thermischen Massendurchflussmessung von Gas durch einen sehr kleinen, im Sensor-Chip integrierten Strömungskanal. Die Sensoren können kostengünstig in Halbleitermassenfertigung hergestellt werden und erfüllen die hohen Anforderungen für Anwendungen in Beatmungsgeräten. Durchflussbasierte Drucksensoren werden schon seit längerer Zeit in der Medizintechnik und Industrie eingesetzt. Ihre Einschränkungen stellten aber Autor Dr. Adriano Pittarelli (Product Manager) First Sensor AG Bild 2: Prinzipieller Aufbau des LDE-Differenzdrucksensors (Querschnitt) 38 meditronic-journal 3/2014

isher für die Geräteentwickler zum Teil große Herausforderungen und beträchtlichen Entwicklungsaufwand dar. Speziell Feuchtigkeit, Staub oder Partikel in der Strömung können sich im Inneren des Sensors oder in den Zuleitungen absetzen und die Messgenauigkeit nachhaltig verschlechtern. Im schlimmsten Fall kann dies zu einem Totalausfall des Sensors führen. Die Strömung durch den Sensor wird vom Druckunterschied zwischen seinen Anschlüssen und von seinem Strömungswiderstand bestimmt. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass der Strömungswiderstand des Sensors möglichst groß ist, um die Strömung in der Bypass- Leitung so klein wie möglich zu halten und den Druckabfall über dem Strömungselement in der Hauptleitung nicht zu beeinflussen. Bei herkömmlichen durchflussbasierten Drucksensoren ist dies jedoch oft nicht der Fall, da die Größe des Strömungskanals durch das Spritzgussgehäuse des Sensors definiert wird. Die auf diese Weise hergestellten Strömungskanäle sind meist relativ groß und unterliegen zusätzlich starken Toleranzen während der Herstellung und Montage. Strömungskanal auf Chip-Ebene Die LDE-Differenzdrucksensoren vermeiden diese Probleme indem sie den Strömungskanal auf Chip-Ebene integrieren (siehe Bild 2). Mit Hilfe einer neuartigen MEMS-Sensortechnologie wird dabei während des Halbleiterprozesses ein miniaturisierter Strömungskanal in den Silizium-Chip geätzt. Dies erlaubt sehr hohe pneumatische Widerstände bis >100 kPa/(ml/s), extrem kleine Fertigungstoleranzen und die kostengünstige Herstellung der Sensorchips in Halbleitermassenfertigung. Wegen der sehr hohen pneumatischen Impedanz fließen nur geringste Mengen Luft durch den Sensor. Der LDE-Sensor verhält sich daher annähernd wie ein membranbasierter piezoresistiver Differenzdrucksensor in Bezug auf die Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzung. Anwendungsvorteile der LDE-Sensoren Bei Verwendung des LDE-Differenzdrucksensors in Anwendungen zur Atemflussmessung fließen während des Atemzyklus nur kleinste Mengen Luft im Bypass- Kanal hin und her. Der Sensor ist daher sehr unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Staub und Partikeln. Weiterhin kann der LDE-Sensor auch mit langen Verbindungsschläuchen oder Filtern benutzt werden, ohne seine Kalibration zu verlieren, da der Gesamtströmungswiderstand in der Bypass- Leitung fast ausschließlich vom sehr kleinen Strömungskanal des LDE-Sensors bestimmt wird und andere pneumatische Elemente vernachlässigbar sind. First Sensor AG www.first-sensor.com überragende Präzision mit oPtosensoren Für ein Höchstmaß an Flexibilität Als ausgewiesene optoelektronische Spezialisten verfügen wir über Entwickler- und Hersteller-Know-how, das Ihnen außergewöhnliche Präzisionssensoren bietet. Modular wählbare Bauelemente mit konkurrenzlosen technischen Eigenschaften. Mikrooptische Komponenten auf kleinsten Einbauraum optimiert. Realisieren Sie so Ihre Applikationen. Precision Optics at its best − große Reichweiten − hervorragende Auflösungen − hochflexible elektrische Leitungen Systeme und Dienstleistung | Industrial Networking und Connectivity | Industrial Identification | Objekterkennung | Weg- und Abstandsmessung | Zustandsüberwachung und Fluidsensorik | Zubehör meditronic-journal 3/2014 39 Tel. +49 7158 173-0 www.balluff.com 39

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel