Bild 1: Der durchflussbasierte Differenzdrucksensor LHD ULTRA von First Sensor kombiniert zwei Sensorelemente für die Messung von niedrigen und hohen Druckwerten in einem Chip.

Bild 1: Der durchflussbasierte Differenzdrucksensor LHD ULTRA von First Sensor kombiniert zwei Sensorelemente für die Messung von niedrigen und hohen Druckwerten in einem Chip. (Bild: FirstSensor)

Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine hohe Präzision und ein erweiterter Messbereich gefordert sind. In der Medizintechnik kommen solche Sensoren beispielsweise in Beatmungsgeräten und Systemen für die Schlafdiagnose zum Einsatz. Auch in vielen Industrieanwendungen sind durchflussbasierte Differenzdrucksensoren erforderlich, etwa der Klimatechnik (HVAC), bei der Überwachung von Filteranlagen und in Systemen, die Leckagen erkennen.

Ein Teil dieser Sensoren, etwa die der Reihe LMI, LME und LDE von First Sensor, ermittelt den Differenzdruck auf Basis kalorimetrischer Prinzipien. Dabei wird die Druckdifferenz gemessen, wenn ein Gas in einem Sensor von einem Bereich mit einem hohen relativen Druck zu einem mit einem niedrigen Druck fließt. Ein integriertes Heizelement erzeugt dabei einen vordefinierten Wärmefluss und lässt die Temperatur des Gases ansteigen. Zwei Temperatursensoren ermitteln die Durchflussrate. Aus dieser lässt sich wiederum der Differenzdruck ableiten.

Strömungskanal und Thermosensoren in Si-Chip integriert

Eine Besonderheit der Drucksensoren der LMI-, LME- und LDE-Reihe ist, dass bei ihnen ein 60 mm breiter Mikroströmungskanal und die Thermosensoren mithilfe von MEMS-Techniken in einen Silizium-Chip integriert sind. Die Vorteile der Mikroströmungskanäle liegen in einer größeren Durchflussimpedanz und geringeren Leck-Raten sowie einer höheren Resistenz gegen Staub und Feuchtigkeit. Selbst dann, wenn eine Anwendung längere Schlauchverbindungen erfordert, wirkt sich das nicht negativ auf das Ansprechverhalten des Sensors und die Genauigkeit der Messung aus. Außerdem lässt sich das Verhalten des Gases besser vorhersagen, weil keine Verwirbelungen und Kamineffekte auftreten.

Das Ergebnis ist ein kompakter und robuster Drucksensor mit einer hohen Empfindlichkeit, der präzise Messwerte liefert. Das ist speziell dann der Fall, wenn ein solcher Sensor bei der Messung von Durchflussraten und Gasgeschwindigkeiten im Rahmen eines „Bypass-Aufbaus“ eingesetzt wird. In diesem Fall wird vom Hauptkanal ein schmaler „Nebenarm“ abgezweigt, in dem das Sensorelement platziert ist. Das hat den Vorteil, dass durch die hohe Impedanz des Sensors Interferenzen mit dem Hauptstrom reduziert werden.

Anwendungsbeispiel des durchflussbasierten 2-in-1-Differenzdrucksensors LHD ULTRA
Bild 2: Ein Anwendungsbeispiel des durchflussbasierten 2-in-1-Differenzdrucksensors LHD ULTRA: Dank der beiden Sensoren erfasst er Druckschwankungen im gesamten hochdynamischen Bereich von -5.000 Pa bis +5.000 Pa. (Bild: First Sensor)

Herausforderung: Präzise Messungen in großem Dynamikbereich

Doch selbst solche Sensoren stießen bislang an Grenzen, wenn Messungen unterschiedlicher Druckwerte über einen großen Bereich gefordert waren. Das gilt beispielsweise für Anwendungen, bei denen starke Schwankungen des Drucks oder der Durchflussrate auftreten, die also einen hohen Dynamikbereich aufweisen. Entwickler mussten in diesem Fall entscheiden, ob sie am oberen oder unteren Ende des Messbereichs präzise Ergebnisse erzielen wollten. Gleichbleibend exakte Werte über den gesamten Bereich hinweg ließen sich nicht mit einem einzelnen Drucksensor erzielen.

Das Problem tritt insbesondere bei Applikationen auf, bei denen die Durchflussrate oder die Luftgeschwindigkeit ermittelt werden sollen. Beträgt beispielsweise der Dynamikbereich der Durchflussrate 1:100, entsteht am Sensor ein Druck mit einem Dynamikbereich von etwa 1:10.000. Der Grund ist, dass der erzeugte Druck etwa dem Quadrat der Durchflussrate entspricht.

Bild 3: Die interne Architektur des LHD ULTRA Differenzdrucksensors für parallele Messungen im unteren und oberen Druckbereich.
Bild 3: Die interne Architektur des LHD ULTRA Differenzdrucksensors für parallele Messungen im unteren und oberen Druckbereich. (Bild: First Sensor)

Lösung: Zwei Sensorelemente auf einem Chip

Doch nun gibt es eine Lösung, mit der sich auch in hohen Dynamikbereichen zwischen 0 und 5000 Pascal (Pa) exakte thermische Mikroströmungsmessungen durchführen lassen: die 2in1-Differenzdrucksensoren der LHD ULTRA-Serie von First Sensor. Sie kombinieren jeweils zwei kalorimetrische Mikroströmungskanäle und thermische Sensorelemente in einem Gehäuse von 7,4 mm Höhe. Einer der Kanäle mit dem entsprechenden Sensorelement erfasst Druckwerte im niedrigen Bereich von weniger als 50 Pa. Der zweite Kanal erweitert den Messbereich bis auf 5000 Pa. Mess-Systeme mit einem LHD ULTRA sind daher in der Lage, Mikroströmungen zwischen -5000 Pa und +5000 Pa präzise erfassen. Das ist auch dann der Fall, wenn starke Schwankungen der Druckwerte auftreten. Die Messgenauigkeit liegt bei ±1,5 Prozent des ermittelten Wertes über den gesamten Druckbereich.

Jedem Sensorelement ist ein 16-Bit-Analog-Digitalwandler (ADC) zugeordnet (Bild 3). Ein Mikrocontroller mit einem 24-Bit-A/D-Wandler bereitet die Signale auf und fügt die Messwerte der beiden Sensorelemente zusammen. Ein Mittelungsverfahren stellt sicher, dass für den gesamten Arbeitsbereich eine Auflösung von 24 Bit zur Verfügung steht. Außerdem übernimmt der Mikrocontroller die Linearisierung und kompensiert den Einfluss der Temperatur. Eine Echtzeit-Kompensierung und Linearisierungstechniken sind erforderlich, damit ein durchflussbasierter Differenzdrucksensor über einen langen Zeitraum stabil arbeitet und exakte Messwerte bereitstellt. Daher sollten Entwickler und Anwender im Vorfeld prüfen, ob Sensoren über solche Funktionen verfügen.

Eine Besonderheit des LHD ULTRA ist der Mikroströmungskanal. First Sensor hat ihn mithilfe von MEMS-Verfahren in die Oberfläche des Silizium-Chips integriert.
Bild 4: Eine Besonderheit des LHD ULTRA ist der Mikroströmungskanal. First Sensor hat ihn mithilfe von MEMS-Verfahren in die Oberfläche die Silizium-Chips integriert. (Bild: First Sensor)

Kompakter Systemaufbau möglich

Weitere Auswahlkriterien von Differenzdrucksensoren für hochdynamische Messbereiche sind die Bauhöhe und die unterstützten Druckbereiche. Der LHD ULTRA ist beispielsweise nur 7,4 mm hoch, inklusive der Druckanschlüsse. Daher eignet sich der Sensor auch für den Einbau in Mehrfach-Verteilern (Manifold). Eine geringe Bauhöhe ist unter anderem deshalb wichtig, weil in der Industrie und Medizintechnik immer kompaktere Systeme gefordert sind, auch aus Kostengründen. Diese Anforderung erfüllt die Lösung von First Sensor zudem aus einem weiteren Grund: Statt zweier Sensoren für hohe und niedrige Druckbereiche muss ein Mess-System nur mit einem LHD ULTRA bestückt werden.

Entwickler haben außerdem die Wahl zwischen 2-in-1-Sensoren für drei Druckbereiche: ±1250 Pa und ±2500 Pa sowie ±5000 Pa. Alle sind in uni- und bidirektionalen Versionen verfügbar.

Das Funktionsprinzip der durchflussbasierten Differenzdruckmessung auf Grundlage kalorimetrischer Prinzipien.
Bild 5: Das Funktionsprinzip der durchflussbasierten Differenzdruckmessung auf Grundlage kalorimetrischer Prinzipien. (Bild: First Sensor)

Fazit: Problem gelöst

Der 2-in-1-Differenzdrucksensor der Reihe LHD ULTRA von First Sensor ist die Lösung für ein Problem, mit der sich Entwickler und Nutzer von Mess-Systemen lange Zeit auseinandersetzen mussten: bei Messungen von hochdynamischen Druckbereichen konnten sie nur im oberen oder unteren Sektor exakte Ergebnisse erreichen. Durch die Kombination von zwei Sensoren in einem kompakten Gehäuse stellt ein LHD ULTRA im gesamten Bereich präzise Messergebnisse zur Verfügung. Das eröffnet Fachleuten neue Optionen, um innovative Anwendungen in Bereichen wie Industrie, Medizintechnik und Raumautomation zu entwickeln.

 

Autor

Michael Sammüller

Product Manager bei First Sensor

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?