Die Kunst der Sensorauswahl für kleinste Drücke

1. Juli 2019, 00:00 Uhr
Von Ian Bentley, Engineering Fellow, Honeywell Sensing and IoT
Lassen Sie sich nicht durch die riesige Auswahl der am Markt angebotenen Drucksensoren verunsichern. Aufgrund der verfügbaren Messbereiche findet man sicherlich einen Sensor oder eine Kombination an Sensoren, um die meisten Anwendungsfälle abzudecken. Das Entscheidende für die richtige Sensorauswahl ist aber, dass man die spezifischen eigenen Anforderungen und Einschränkungen genau kennt.

Betrachten wir beispielhaft folgende zwei Industriebereiche, die Drucksensoren verwenden:
  • Medizintechnik: Atemüberwachungsanzeigen, Narkosegeräte, Blutanalysegeräte, Gaschromatographen, Gasflussgeräte, Krankenhausbelüftung, Dialysegeräte, Zerstäuber, Pneumatische Steuerungen, Atemunterstützungsgeräte, Schlafüberwachungseinrichtungen, Spirometer, Ventilatoren
  • Industrietechnik: Barometrie, Drohnen, Durchfluss-Kalibratoren, Gaschromatographen, Gas-Durchflussmessgeräte, HVAC (Heizungs/Lüftungs/Klima)-Filterüberwachung, HVAC-Systeme, HVAC-Übertrager, Innenluftüberwachnungen, Biowissenschaften, Pneumatische Steuerungen, VAV (Variable Air Volume) Steuerungen, Wetterbalons, Energiemanagement Systeme

Erst kürzlich suchte Surrey Sensor Ltd. einen noch genaueren, kleineren und preisgünstigeren Drucksensor für den Einsatz in einem Druckmesssystem. Es zeigte sich, dass die Honeywell TruStability™ RSC Serie und HSC Serie digitaler platinenmontierbarer Drucksensoren die einzige Lösung war, die alle hohen Anforderungen erfüllen konnte, insbesondere der Niedrigstdruckbereich.

Honeywells Drucksensoren für kleine und niedrigste Druckbereiche werden für spezielle Anwendungskenngrößen gefertigt und spezifiziert, die im Folgenden genannt werden:
  • Überdruck – maximaler Druck ohne dass der Sensor geschädigt wird.
  • Berstdruck – maximaler Druck ohne das der Sensor zerstört wird.
  • Auflösung – kleinste Schrittweite zwischen zwei Messwerten.
  • Stabilität – zentrale Größe, die angibt wie konstant sich das Messsignal über Zeit verhält.
  • Total Error Band/Komplettes Fehlerband – eine Größe, die alle Fehler kombiniert und damit den kompletten Bereich angibt, der die Genauigkeit des Sensors definiert.

Honeywells Drucksensoren bieten hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und unterstützen eine hohe Flexibilität für das Design eines Entwicklers. Dies kann beispielweise für Medizinanwendungen lebensrettend sein, wenn es darum geht kleinste Druckunterschiede bei der Atmung eines Patienten zu erkennen.
Zu Beginn einer Entwicklung können beim Einsatz der Drucksensoren immer mal wieder unerwartete Quellen von Druckveränderungen das Signal beeinflussen. Durch Analyse der Randbedingungen und Einschränkungen kann damit dann die Auswahl des geeigneten Sensors optimiert werden. Dies kann dann auch dazu führen, dass weitere Sensoren oder Anpassungen an der Anwendung nötig werden, um diese Einschränkung zu beseitigen.
Hohe Drücke sind generell einfacher zu messen und benötigen weniger empfindliche Sensoren. Auf der anderen Seite sind für die Messung von kleinen Drücken sensiblere Sensoren nötig, die dann aber robuster ausgeführt sein müssen, um (relativ) hohen Druckimpulsen standzuhalten. Ein Husten in einer Atemüberwachung kann so plötzlich den 80-fachen Wert des zu normalen Druckes hervorrufen und damit eventuell den Sensor zerstören.
Die Messung von kleinen Drücken in Plastikschläuchen mit kleinen kleinen Durchmessern scheint ebenso einfach zu sein. Aber auch hier führen kleine Knicke, hervorgerufen durch Bewegung der Schläuche oder mechanische Abnutzung der Kontaktstellen zu Abweichungen bei den Messwerten oder gar unbrauchbaren Ergebnissen.
Eine Lösung dieses Problems ist bereits die beginnenden Veränderungen zu erfassen bevor sie zu Problemen werden. So kann man vorgelagert hohe Druckspitzen erfassen bevor sie die sensitiven Niedrigstdruck-Sensoren im Medienkanal erreichen und potentiell zerstören.
Auch im Fertigungsprozess muss man achtsam sein um Probleme zu vermeiden. Vakuumpipetten, die üblicherweise zur Montage vom Komponenten auf Leiterkarten verwendet werden, generieren einen geringen (Unter-) Druck, der sehr empfindliche Sensoren negativ beeinflussen oder gar vorschädigen kann. Versehentlich durch Ablagerungen verschlossene Sensoreingangs- oder Ausgangsöffnungen können große Probleme verursachen, wenn sie bis in die Endanwendung gelangen. Sogar nachgeschaltete Reinigungsprozesse, die falsch ausgeführt werden, können zu Ablagerungen oder gar Verstopfungen des Medienkanals führen und damit die Messwerte verfälschen.
Sogar unerwartete Luftbewegungen durch Geräusche können Druckunterschiede hervorrufen. Einschaltende HVAC- oder Kühlungsventilatoren, das Öffnen oder Schließen von Türen kann zu unerwartete Schwankungen führen.
Wenn sich diese Störeffekte nicht komplett vermeiden lassen, so gibt es unterschiedliche Möglichkeiten den Einfluss zumindest zu minimieren. So ist es angeraten die beiden Drucköffnungen so nah wie möglich zueinander zu platzieren. Gleichzeitig sollten die Druckschläuche so kurz wie nötig ausgelegt sein um den Störeinfluss zu senken.
Gegen Verschmutzung ist der Einsatz von pneumatischen Filtern oft hilfreich, gleichzeitig werden dadurch Störspitzen reduziert. Aber Vorsicht, dadurch können dann auch zu messende Druckdifferenzen beeinflusst werden und Filter müssen unter Umständen oft gereinigt oder ausgetauscht werden um einen Ausfall durch Verstopfung zu vermeiden. Man kann auch zusätzliche Drucksensoren einsetzen um den Verschmutzungsgrad eines Filters proaktiv zu erfassen.
Eine weitere Möglichkeit bietet das digitale Filtern von Fehlern, z.B. der Drift über Zeit. Gute Sensoren habe ein sehr stabiles Langzeitverhalten, so machen sich die Fehler bemerkbar innerhalb von Jahren anstatt von Tagen. Praktisch ist dann aber von Fall zu Fall zu unterscheiden, ob diese Drift die Anwendung negativ beeinflusst oder nicht.
Wenn eine geringe Drift kritisch für die Anwendung ist, gibt es die Möglichkeit den Offset zu korrigieren, in dem man während einer bekannten Startbedingung den gemessenen Offset rechnerisch auf null setzt, z.B. beim Start am Morgen oder in betriebsfreien Zeiten wie am Wochenende. Dieser aktuelle null-Wert wird dann von jedem aktuellen Messwert abgezogen bis das nächste Mal die Startbedingung wieder eintritt. Man kann diese Startbedingung auch z.B. Herbeiführen in dem man den Eingangs- und Ausgangsport physisch miteinander verbindet und somit die Druckdifferenz auf null zwingt. Dieser Vorgang kann den Offset um bis zu 0,25% korrigieren und somit einen wesentlichen Anteil zur Steigerung der Genauigkeit beitragen.
Zusammenfassend lässt sich bemerken, dass zuerst die Randbedingungen und die Einschränkungen einer Anwendung betrachtet und bekannt sein müssen. Dies erlaubt die korrekte Auswahl eines konkreten Sensors. Honeywell unterstützt dabei durch die Spezifikation lediglich eines Wertes, des Total Error Bands, welches die Kombination aller Fehler darstellt.
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Der Autor

Ian Bentley ist ein erfahrener Ingenieur bei Honeywell mit 34 Jahren Tätigkeit in der Sensorentwicklung und -fertigung. Im Laufe dieser Zeit führte Ian verschiedene Entwicklungsteams im Bereich Drucksensortechnologie, Durchflusssensoren, Feuchtesensoren, magnetische Sensoren und Beschleunigungsaufnehmer.
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