Vergleich zeigt: Darum lohnen sich hohe Strömungswiderstände für Differenzdrucksensoren

Entwickler nutzen in ihren Anwendungen oftmals durchflussbasierte Differenzdrucksensoren mit einer hohen Empfindlichkeit ab 25 Pa (0,25 mbar), um das Luftvolumen über den Differenzdruck zu erfassen. Derartige Sensoren kommen beispielweise in der Klimatechnik zum Einsatz. Bei nicht ausgereiften Systemen können Staubpartikel ins Innere des Sensors gelangen. Daraus können folgende Probleme entstehen:

• Der innere Widerstand des Sensors steigt. Dadurch nimmt die kalibrierte Empfindlichkeit ab.
• Der innere Strömungskanal des Drucksensors setzt sich zu. Das erhöht die Gefahr, dass der Sensor komplett ausfällt.
• Staub lagert sich an den Mikrostrukturen des Messelements ab und ändert die Kalibration.

Entwickler von Sensorsystemen benötigen deshalb Informationen darüber, wie unterschiedliche Typen von Differenzdrucksensoren auf Staub reagieren. First Sensor hat Tests mit zwei Arten von Sensoren durchgeführt. Zum einen kamen LDE-Differenzdrucksensoren mit einem pneumatischen Widerstand von >10 kPa/(ml/s) von First Sensor zum Zuge. Bei diesen Modellen ist ein winziger Strömungskanal im Sensor-Chip integriert. Ihnen standen konventionelle Sensoren gegenüber, die nach dem gleichen Messprinzip arbeiten, aber geringere Strömungswiderstände von 15 bis 300 Pa/(ml/s) aufweisen.

Der Testaufbau zum Sensorvergleich

Bild 1: Typische Anordnung zur Durchflussmessung nach dem Differenzdruckverfahren. First Sensor

Beim Test verwendete das Entwicklerteam Teststaub mit einer Partikelgröße von 1 μm bis 100 μm. Zum Einsatz kamen zwei Versuchsaufbauten. Beim ersten waren die untersuchten Sensoren in gleicher Höhe horizontal zur Staubkammer angeordnet, beim zweiten befanden sie sich vertikal über der Staubkammer. Im Rahmen der Versuche verband das Entwicklerteam die Sensoren mit einem membranbasierten ∆p-Drucksensor, der als Referenz diente. Alle Probanden waren somit demselben Differenzdruck ∆p ausgesetzt. Ein Gebläse erzeugte einen Unterdruck am Ausgang der Sensoren. Dadurch wurde die Luft aus der Staubkammer durch alle Sensoren „gezogen“.

Die Ergebnisse

Im ersten Test mit dem horizontalen Versuchsaufbau standen zwei LDE-Sensoren sowie ein weiteres Modell auf dem Prüfstand. Der Druckmessbereich der LDE-Sensoren betrug 0 bis 250 Pa sowie 0 bis 50 Pa, der pneumatische Widerstand 80 beziehungsweise 50 kPa/(ml/s). Die Vergleichswerte des dritten Sensors: 0 bis 200 Pa und ein Widerstand von 15 Pa/(ml/s). Der Test dauerte 20 Stunden bei einem konstanten Differenzdruck von ∆p = 200 Pa.

Bereits nach 219 Minuten in der staubbelasteten Umgebung betrug das Ausgangssignal des konventionellen Sensors herkömmlicher Bauart weniger als 50 Prozent. Nach 20 Stunden war er de facto ausgefallen.

Bild 2: Die Versuchsaufbauten: Links mit horizontaler Anordnung der Sensoren, rechts mit einer vertikalen Platzierung der ∆p-Testsensoren. First Sensor

Bei den LDE-Modellen, deren Strömungskanal im Sensor-Chip integriert ist, war dagegen keine Änderung der Signal-Druck-Kennlinie festzustellen. Die pneumatische Impedanz zwischen den beiden Sensor-Typen unterscheidet sich um den Faktor 1000. Das heißt, durch den konventionellen Differenzdrucksensor fließt 1000 Mal mehr staubbeladene Luft als durch die LDE-Versionen. Zudem ist auch die Strömungsgeschwindigkeit um den Faktor 1000 höher. Dies hatte zur Folge, dass sich auch in den Verbindungschläuchen deutlich mehr Staub ablagerte.

Eindeutige Vorteile bei LDE-Sensoren, auch bei vertikalem Testaufbau

Bei einer weiteren Testreihe waren die Probanden vertikal über der Staubkammer angeordnet. Der Versuch dauerte 27 Stunden bei einem Differenzdruck von ∆p = 250 Pa. Bei den LDE-Sensoren kamen dieselben Modelle wie in den ersten beiden Tests zum Einsatz. Ihnen standen zwei herkömmliche Sensoren gegenüber. Ihr Druckmessbereich betrug 0 bis 200 Pa und -20 bis +500 Pa, der pneumatische Widerstand 15 Pa/(ml/s) und 300 Pa/(ml/s).

Ein Ergebnis des Versuchs: Bei einer vertikalen Anordnung der Sensoren über der Staubkammer dauerte es länger, bis eine Wirkung durch die staubbeladene Luft festzustellen war. So verloren die zwei Sensoren herkömmlicher Bauart erst nach 25 Stunden erkennbar ihre Kalibration. Dies verstärkte sich dann aber nach weiteren zwei Stunden. Das Resultat ist nicht überraschend, weil die Luft bei diesem Aufbau nach oben strömt und die Schwerkraft die Staubpartikel auf dem Weg zum Eingang der Sensoren zurückhält.

Von den beiden LDE-Sensoren war nur beim LDES050UF6S (Druckbereich 0…50 Pa) eine leichte Veränderung der Signal-Druck-Kennlinie von wenigen Prozent festzustellen. Zudem weist dieser Sensor mit 30 kPa/(ml/s) im Vergleich zum LDES250UF6S (80 kPa/(ml/s) bei einem Druckbereich von 0…250 Pa) eine niedrigere pneumatische Impedanz auf.

Fazit

Bild 3: Ergebnis eines Staubtests mit einem herkömmlichen Sensor (Druckmessbereich von 0 bis 200 Pa, pneumatischer Widerstand von 15 Pa/(ml/s): Nach 20 Stunden in staubbelasteter Luft war der Sensor de facto funktionsunfähig. First Sensor

Differenzdrucksensoren der LDE-Reihe mit pneumatischen Widerständen von >10 kPa/(ml/s) eignen sich bei Anwendungen mit staubbelasteter Luft besser als Modelle mit geringen Strömungswiderständen von 15 bis 300 Pa/(ml/s). Dank des höheren Strömungswiderstands der LDE-Sensoren erreicht weniger Staub den Sensoreingang. Außerdem können sich solche Partikel wegen der niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit bereits vor dem Sensor ablagern. So sind die Sensoren der L-Serien hinsichtlich der Staubunempfindlichkeit mit membranbasierten Drucksensoren vergleichbar und eignen sich damit für eine Vielzahl an Anwendungen, in denen dies zu den zentralen Anforderungen zählt.

(prm)