Drucksensoren für Messungen über einen großen Dynamikbereich

First Sensor, Oktober 2020

Beim Messen muss für gewöhnlich eine Entscheidung zugunsten eines bestimmten Messbereichs oder der Präzision getroffen werden. Bisher bilden Drucksensoren hier keine Ausnahme: Wissenschaftler und Produktentwickler müssen sich bei jeder Druckanwendung entscheiden, ob am Hoch- oder am Niederdruckende des Messbereichs präzise gemessen werden soll. Bei Drücken, die über einen großen Messbereich hinweg schwanken, stellt dies ein großes Problem dar. Doch eine Lösung ist in Sicht: neue durchflussbasierte Differenzdrucksensoren, die so präzise sind, dass sie in Niederdruckbereichen für Messungen im Sub-Pascal-Bereich über einen ±5.000-Pa-Bereich hinweg eingesetzt werden können.


Drucksensoren übernehmen vielseitige Aufgaben in den verschiedensten Branchen – von der Leckageerkennung bis hin zur Medizintechnik. Dazu stehen zwar hochgenaue Niedrigstdrucksensoren zur Verfügung, die präzise Messung von Drücken über einen großen Bereich hinweg hat sich allerdings immer wieder als schwierig erwiesen.


Das möchte First Sensor mit einer neuen Art von Drucksensor nun ändern. Das Unternehmen hat Sensoren entwickelt, die einen großen Dynamikbereich abdecken und sich hierfür die Technologie der kalorimetrischen Durchflussmessung zunutze machen. Im Folgenden sehen wir uns diese Technologie genauer an.

Messung von Differenzdruck auf der Grundlage kalorimetrischer Prinzipien

Bei diesem Ansatz an die Druckmessung wird der Differenzdruck gemessen, während das Gas durch den Sensor ausgehend von einem Bereich mit einem hohen relativen Druck hin zu einem Bereich mit einem niedrigen relativen Druck fließt. Ein eingebautes Heizelement sorgt für einen zuvor definierten Wärmefluss und somit einen Anstieg der Temperatur des Gases, dessen Durchflussrate mit zwei Temperatursensoren ermittelt wird. Durch die Messung der Durchflussrate kann der Differenzdruck bestimmt werden.

 



Die Drucksensor-Reihen LMI, LME und LDE von First Sensor basieren auf diesem kalorimetrischen Ansatz, wobei jedoch einige entscheidende Anmerkungen zu machen sind.1,2 Bei diesen Sensoren werden ein Mikroströmungskanal (60 "μm" ) und thermische Sensorelemente mittels MEMS-Techniken in einen einzelnen Silizium-Chip integriert. Die Vorteile der kleineren Strömungskanäle von First Sensor im Vergleich zu ähnlichen Sensoren mit Formkanälen liegen auf der Hand: eine hohe Durchflussimpedanz, hohe Beständigkeit gegenüber Staub und Feuchtigkeit und sehr geringe Leckraten.3,4 Durch die starke Verengung des Kanaldurchmessers kann das Verhalten des Gases besser vorhergesagt werden, Verwirbelungen und Kamineffekte werden komplett vermieden.5 Das Ergebnis: ein kompakter, robuster Drucksensor, der durch seine hohe Empfindlichkeit überzeugt.

 

Bei der Messung der Durchflussrate oder der Gasgeschwindigkeit ist der Einsatz eines solchen Sensors im Rahmen eines „Bypass-Aufbaus“ vorteilhaft, da Interferenzen mit dem Hauptstrom durch die hohe Impedanz des Sensors minimiert werden.6

 



Aufgrund der Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit dieser Sensorarchitektur eignen sich die Reihen LDE/LME/LMI für verschiedene Anwendungen in den Bereichen Klimatechnik, Medizin (Beatmungsgeräte, Anästhesiegeräte etc.) und Leckagemessung.

Das Problem der Messung über große Dynamikbereiche

Trotz der Leistungsstärke dieser Sensoren stellen hochpräzise Messungen verschiedener Drücke über einen großen Bereich hinweg nach wie vor ein Problem dar, das anhand des „Dynamikbereichs“ eines Systems beschrieben werden kann – dem Verhältnis des kleinsten Werts einer bestimmten Quantität (in diesem Fall Druck) zum größten Wert. Bei Systemen mit drastischen Schwankungen des Drucks oder der Durchflussrate sprechen wir von einem großen Dynamikbereich, hochpräzise Druckmessungen können normalerweise jedoch nur innerhalb eines  Teilbereichs dieses Dynamikbereichs vorgenommen werden.

 

Bei einigen Durchfluss-Anwendungen ist dieses Problem besonders stark ausgeprägt. So basieren beispielsweise Messungen der Durchflussrate oder Luftgeschwindigkeit für gewöhnlich auf der beschriebenen Druckmessung. Die Funktionselemente dieser Durchflussmesser sind allerdings im Wesentlichen nichtlinear und der generierte Druck entspricht in etwa dem Quadrat der Durchflussrate. Beträgt der Dynamikbereich der Durchflussrate eines Systems 1:100, wird am Sensor also ein Druck generiert, der einem Dynamikbereich von etwa 1:10.000 entspricht.


Einen solchen Dynamikbereich mit einem einzigen Sensor abzudecken, der genau genug arbeitet, erweist sich bisher als problematisch – doch jetzt hat First Sensor eine Lösung parat.

Drucksensoren der Reihe LHD ULTRA

Im Zentrum der neuen Drucksensor-Reihe LHD ULTRA von First Sensor, die auf der bewährten Technologie der thermischen Mikroströmungsmessung des Unternehmens basiert, steht ein vielseitig einsetzbarer Drucksensor, mit dem über einen großen Bereich hinweg überraschend präzise Messungen vorgenommen werden können. Die Drucksensoren dieser neuen Reihe sind mit zwei Mikroströmungskanälen und zwei Sensorelementen in einem einzelnen Chip ausgestattet: Eines dieser Sensorelemente ist darauf ausgelegt, geringe Differentialdrücke mit einer hohen Auflösung zu messen, das andere sorgt für eine signifikante Ausdehnung des Messbereichs. So gewährleistet das Gerät als Ganzes bei niedrigen Drücken und einem extrem großen Dynamikbereich präzise Messungen.

 

Ein eingebauter Mikrocontroller mit genauem 24-Bit-A/D-Wandler sorgt für die Signalaufbereitung, einschließlich Zusammenfügen der Werte der zwei Sensorelemente, Linearisierung und Temperaturkompensation. Das Ergebnis: ein Sensor, der mehr ist als nur die Summe seiner Teile.


Die „LHD ULTRA“-Sensoren von First Sensor bieten Druckbereiche zwischen ±1.250 und ±5.000 Pa (±5 bis ±20 inH2O), eine Auflösung von etwa 50 mPa bei niedrigen Differentialdruckwerten und die gleichen Leistungsvorteile wie die Drucksensoren der Reihen LMI und LDE, wie eine hohe Durchflussimpedanz, Beständigkeit gegenüber Staub und Feuchtigkeit und sehr geringe Leckraten. Große Rohrlängen führen bei diesen Sensoren nicht zu einem Empfindlichkeitsverlust, zudem überzeugen sie mit einer herausragenden Langzeitstabilität und -präzision basierend auf patentierter Echtzeit-Kompensation und Linearisierungstechniken, die ein präziseres und einfacheres Messen ermöglichen.


Weitere Merkmale der Sensorreihe LHD ULTRA sind ein integriertes Barometer für die optionale Druckmesswertkompensation und ein kompensierter Betriebstemperaturbereich von -20 bis +85 °C.


Erfahren Sie mehr über die LHD ULTRA Serie hier.  

 


Quellen und weiterführende Literatur
1. LMI series-digital low differential pressure sensors. Available at: www.first-sensor.com.
2. LDE series-digital low differential pressure sensors. Available at: www.first-sensor.com.
3. LDE/LME/LMI Series-superior immunity to humidity. Available at: www.first-sensor.com.
4. LDE/LME/LMI Series-dust test. Available at: www.first-sensor.com. (Accessed: 28th April 2020)
5. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature 442, 368–373 (2006).
6. LDE/LME/LMI pressure sensors in bypass configuration for gas flowmeters. Available at: www.first-sensor.com.



Über diesen Blog

In diesem Blog schreiben wir über Anwendungen und aktuelle Themen aus der Sensorik.

Newsletter

Aktuelle Beiträge