Von Bryce Beamer
Pneumatische Sensoren sind eine unverzichtbare Voraussetzung für die präzise Steuerung und Überwachung unterschiedlicher medizinischer Anwendungen. Schlafapnoe-Vorrichtungen, Medizingeräte, Beatmungsgeräte und auch pneumatische Betten verwenden unterschiedliche Drucksensoren. Die Kenntnis der Funktionsweise dieser Sensorsysteme und das Festlegen des für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Leistungsumfangs ist Voraussetzung für die Auswahl aus der umfangreichen Palette an pneumatischen Sensoren. Dieser Artikel befasst sich mit der Anwendung unterschiedlicher Sensortechnologien, um Produktentwickler mit dem Wissen auszustatten, das sie zur Optimierung ihrer Produktentwicklungen benötigen.
Wie funktionieren Drucksensoren?
Der gebräuchlichste Typ unter den Drucksensoren ist der piezoresistive Dehnungsmessstreifen, der aus einem Halbleiter besteht, der bei mechanischer Verformung eine Änderung des elektrischen Widerstands zeigt. Wenn Sie Druck auf eine Membran ausüben, ändert sich der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens. Das System wandelt den Wert des Widerstands in einen präzisen Messwert des ausgeübten Drucks um.
Piezoresistive Drucksensoren sind aufgrund der geringen Größe, der Vielfalt der Erfassungsbereiche und des geringen Strombedarfs für viele medizinische Anwendungen perfekt geeignet. Die vier Haupttypen der Sensoren mit piezoresistiven Dehnungsmessstreifen basieren auf demselben mechanischen Funktionsprinzip und eignen sie sich aufgrund der vielfältigen Konfigurationen für unterschiedliche Anwendungen.
Überdrucksensoren
Manometersensoren messen den Systemdruck (p1) relativ zum Umgebungsdruck (p2). Da der Atmosphärendruck dynamisch ist, sind Manometersensoren die richtige Lösung für Systeme, in denen der Atmosphärendruck den Systemdruck beeinflussen kann, also beispielsweise in einer weichen Blase. In Geräten wie Sphygmomanometern zur Messung des Blutdrucks, CPAP-Geräten mit kontinuierlich positivem Atemwegsdruck, Manschetten für die intermittierende Überdruckbeatmung und pneumatischen Wechseldruck-Krankenhausbetten kommen häufig Sensoren dieses Typs zum Einsatz.
Absolutdrucksensoren
Absolutdrucksensoren messen den Systemdruck (p1) relativ zu einer vakuumdichten Referenzkammer (p2), funktionieren also unabhängig von den atmosphärischen Bedingungen. Diese Sensoren eignen sich ideal für Anwendungen, die im Vakuum arbeiten oder Absolutdruckmessungen erforderlich machen, wie dies bei bestimmten chirurgischen Eingriffen der Fall ist.
Differenzdrucksensoren
Differenzdrucksensoren messen den Druckunterschied zwischen zwei unterschiedlichen Umgebungen (p1 und p2). BiPAP-Geräte und Drucksensoren für Beatmungsgeräte sind typischerweise Differenzdrucksensoren. Die Aufrechterhaltung des richtigen Druckunterschieds ist für eine wirksame Atemunterstützung mit diesen Geräten von entscheidender Bedeutung.
Versiegelte Drucksensoren
Versiegelte Drucksensoren messen den Systemdruck (p1) relativ zu einem festen Referenzdruck (p2). Im Unterschied zu Absolutdrucksensoren ermitteln versiegelte Drucksensoren den Druck nicht im Verhältnis zum Vakuum, sondern zu einem vordefinierten Druck. Dieser Typ ist für Anwendungen hilfreich, in denen der Druck relativ zu einem Standarddruck gemessen werden soll, der sich nicht mit den Umgebungsbedingungen ändert.
Abbildungen von Studio KMD, hohe Auflösung und Vektor verfügbar.
Medizinische Anwendungen von Mengenstromsensoren
Luftmengenmesser werden in vielen Medizingeräten zur Überwachung und Regelung des Gasmengenstroms eingesetzt. Diese Sensoren messen die Geschwindigkeit oder die Menge eines Gases, das innerhalb eines gegebenen Zeitraums einen bestimmten Punkt passiert. Wie Drucksensoren nutzen auch Luftmengenmesser verschiedene Technologien zum Messen des Mengen- oder Massenstroms in unterschiedlichen medizinischen Anwendungen.
Mengenstrom
Mengenstromsensoren messen das Luftvolumen, das pro Zeiteinheit einen Punkt passiert. Standardverfahren zum Ermitteln des Mengenstroms sind Turbinen oder mehrere Drucksensoren.
Ein Mengenstromsensor auf Turbinenbasis misst die Drehzahl der Turbine in einem Rohr oder Kanal. Üblicherweise verwenden Sensoren dieses Typs einen optischen oder magnetischen Wandler, um die Drehzahl der Turbine zu ermitteln, die dem Mengenstrom des Systems entspricht. Diese auf Turbinen basierenden Systeme sind vielseitig. Die mechanische Drehung und die Masse schaffen aber ein gewisses Beharrungsvermögen sowie potenzielle Verschleiß- und Haltbarkeitsprobleme. Diese Nachteile müssen vor einem Einsatz berücksichtigt werden. Außerdem bilden diese Sensoren einen Widerstand im Luftstrom, der zu Druckabfällen (von P1 nach P2) im Pneumatiksystem führen kann. Zur Früherkennung von Beatmungsstörungen werden häufig Spirometer auf Turbinenbasis eingesetzt.
Druck-/Messblendenbasierte Mengenstromsensoren arbeiten anders. Sie drosseln den Mengenstrom, um eine Druckdifferenz zu erzeugen, die gemessen und mit dem Mengenstrom korreliert werden kann. Wenn Luft aus einem Drucksystem durch die Messblende in ein anderes System geleitet wird (P1 nach P3), fällt der Luftdruck ab, während die Luft durch die Messblende (P2) beschleunigt wird. Druckänderungen werden üblicherweise mit piezoresistiven Differenz- oder Absolutdrucksensoren gemessen, die auf eine präzise Mengenstromermittlung abgestimmt wurden. Diese Systeme verfügen in der Regel über weniger mechanische Teile. Das verbessert die Haltbarkeit. Aufgrund der Mengenstromdrosselung und des Druckabfalls sind sie aber für bestimmte Anwendungen ungeeignet.
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Massenstrom
Massenstromsensoren messen die Gasmasse, die pro Zeiteinheit einen Punkt passiert. Die einfachste Form eines thermischen Massenstromsensors ist das Hitzdrahtanemometer. Es misst die Strommenge, die an ein Widerstandsheizelement angelegt wird, um in einer Sonde eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Wenn Luft über die Sonde strömt, muss mehr Strom angelegt werden, damit die Temperatur gehalten werden kann. Diese Konfiguration eignet sich zur Analyse des Massenstroms eines bekannten Gases, kann jedoch die Strömungsrichtung nicht bestimmen.
Thermische Massenstromsensoren arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip, messen jedoch die Temperaturänderung vor und hinter dem Heizelement (T1 und T2), das mit konstantem Strom gespeist wird. Dieses Verfahren bestimmt die Strömungsrichtung und kann für Massenströme unterschiedlicher Größenordnung genutzt werden. Diese Sensoren sind in Anwendungen von Vorteil, für die eine präzise Mischung von Gasen erforderlich ist. Beispiel sind Anästhesiesysteme.
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Entwicklungspfad
Massenstrom- und Drucksensoren sind in der Medizin unverzichtbar und liefern die kritischen Daten, die für den sicheren und effektiven Betrieb unterschiedlicher Medizingeräte erforderlich sind. Die verfügbaren Sensortechnologien mit der umfassenden Palette an Optionen decken alle Anwendungsanforderungen – von der präzisen Gasmengenregelung bis zur Widerstandsfähigkeit gegenüber dynamischen atmosphärischen Bedingungen – ab. Das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen und Anwendungen versetzt Produktentwickler in die Lage, Entscheidungen auf der Basis von Informationen zu treffen. Dadurch wird der Entwicklungsprozess optimiert und die resultierenden Medizingeräte werden effizienter, zuverlässiger und sicherer.
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