Thermisches Massendurchflussprinzip Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren im Test

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Ob sich ein Sensor für eine Anwendung in einer feuchten Umgebung eignet, lässt sich mit einer speziellen Eignungsüberprüfung herausfinden. Der Beitrag zeigt durchflussbasierte Differenzdrucksensoren im Test.

Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren ermitteln Druckunterschiede, die beispielsweise Gasströme in Strömungskanälen verursachen. Anwendungsbeispiele sind Messungen an Luftströmungen oder die Filterüberwachung in der Klimatechnik sowie Beatmungsgeräte und Spirometer in der Medizintechnik. Bei der Messung wird der Sensor in einem Bypass (Nebenzweig) der Hauptströmungsleitung platziert, wo er den Druckabfall nach Δp = p1 – p2 über einem Strömungselement misst. Die Druckdifferenz ist das Maß für den Volumendurchfluss durch die Hauptleitung. Ein Teil des Gases wird somit durch den Sensor geführt. So können Differenzdrücke von wenigen Millibar präzise und kostengünstig erfasst werden.

Vor allem Sensoren mit einem hohen pneumatischen Widerstand von >10 bis >100 kPa/(ml/s) eignen sich für das Messverfahren, da sie für die Druckmessung eine viel geringere Bypass-Strömung benötigen. Dadurch stören solche Komponenten die Hauptströmung deutlich weniger als Sensoren mit einem niedrigen pneumatischen Widerstand.

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Zu den Sensoren mit hohem pneumatischem Widerstand zählen beispielsweise die Differenzdrucksensoren der LDE/LME/LMI-Serie von First Sensor. Sie ermitteln den Differenzdruck Δp mit einer minimalen Gasströmung, die durch einen Strömungskanal im Sensor-Chip fließt. Dabei kommt das Prinzip der thermischen Massendurchfluss-Messung auf MEMS-Ebene (Micro-Electrical Mechanical System) zum Einsatz.

Feuchtigkeit kann Funktion von Sensoren beeinträchtigen

Bei durchflussbasierten Differenzdrucksensoren ist zu beachten, dass Gas oder Luft bei der Anwendung eine beträchtliche Menge Feuchtigkeit enthalten kann. Dadurch kann es in den Verbindungsleitungen und möglicherweise sogar im Sensor zu Kondensationen kommen, wodurch sich die pneumatischen Eigenschaften des Messsystems verändern. Im schlimmsten Fall kommt es zu einer Verstopfung und damit zu einem Totalausfall des Sensors. Wie hoch das Risiko ist, hängt in hohem Maße vom Strömungswiderstand ab, also der pneumatischen Impedanz des Sensors.

Vier Sensoren im Vergleichstest

Um zu ermitteln, wie sich durchflussbasierte Differenzdrucksensoren bei Feuchtigkeit verhalten, führte First Sensor Tests mit vier Δp-Sensoren mit unterschiedlichen pneumatischen Widerständen durch. Alle Sensoren waren denselben Differenzdrücken und Testbedingungen ausgesetzt. Davon zwei von First Sensor:

• der LDES250UF6S mit einem Druckmessbereich von 0 bis 250 Pa und einem pneumatischen Widerstand von ~80 kPa/(ml/s) und

• der LDES050UF6S mit 0 bis 50 Pa und ~30 kPa/(ml/s).

Zum Vergleich zwei Sensormodelle (Sensor 1 und 2) anderer Hersteller:

• Sensor 1 mit einem Druckmessbereich von -20 bis 500 Pa und einem pneumatischen Widerstand von ~300 Pa/(ml/s) sowie

• Sensor 2 mit 0 bis ±20 Pa und ~15 kPa/(ml/s).

Erster Test: Gleiche Testbedingungen für alle Sensoren

Beim ersten Test waren alle vier Sensoren mit 10 cm langen Schläuchen mit einem Durchmesser von 1/8 Zoll mit einem Testvolumen verbunden, in dem eine Luftfeuchtigkeit von 100% herrschte. Den Strömungswiderstand bildete ein 5 cm langer Kunststoffschlauch mit einem Innendurchmesser von 1/16 Inch (1,6 mm). Der Druck im Testvolumen und in der Umgebung war gleich. Ein membranbasierter Differenzdrucksensor überwachte den Differenzdruck Δp, der bei etwa 230 Pa lag.

Schon nach einer halben Minute waren erste Kondensationsspuren im Inneren des Verbindungsschlauchs zum Sensor 2 sichtbar. Er besitzt den geringsten pneumatischen Widerstand der vier getesteten Sensoren. Nach einer Minute fiel bei diesem Sensor das Ausgangssignal stark ab. Nach einer weiteren Minute fiel zudem die Ausgangsspannung stark ab, von ~120 mV bis auf ~0 mV.

Der Verbindungsschlauch war durch Kondenswasser verstopft. Dadurch stieg die Temperatur im Testvolumen plötzlich stark an und es kam zu einer kurzen Druckspitze bis die Regelung des Gebläses wieder einen konstanten Differenzdruck Δp herstellte. Auch beim Sensor 1 war nach etwa vier Minuten eine Reduzierung der Ausgangsspannung auf den Wert 0 zu beobachten. Ursache war hier ebenfalls Kondenswasser im Verbindungsschlauch.

Weder bei dem Sensor LDES250… noch beim Sensor LDES050… von First Sensor kam es am Anschluss zum Testvolumen zu einer Wasseransammlung. Zudem kam es während des gesamten Testlaufs von 55 Minuten zu keinerlei Kondensation in den Verbindungsschläuchen.

Der LDES250… zeigte während des gesamten Tests ein gleichbleibendes Ausgangssignal, entsprechend der kalibrierten Messgenauigkeit. Das Ausgangssignal des LDES050…-Sensors war gesättigt, da der Differenzdruck ∆p über dessen Messbereich von 50 Pa lag.

Zweiter Test: Benachteiligte LDE-Sensoren?

Beim zweiten Test wurden die Sensoren von First Sensor benachteiligt: Der Innendurchmesser des Verbindungsschlauchs zum Sensor 1 wurde mit 1/4 Inch (6,4 mm) doppelt so groß gewählt, wodurch er mehr Kondenswasser aufnehmen konnte. Bei den Sensoren von First Sensor lag der Durchmesser unverändert bei 1/8 Inch. Allerdings wurde der Kunststoffschlauch von 10 cm auf 3 cm gekürzt. Dadurch lagen die Sensoren aus der Serie LDE näher am Testvolumen.

Wie erwartet funktionierte Sensor 1 beim zweiten Test länger. Erst nach etwa einer Stunde war der Verbindungsschlauch durch Ansammlung von Wasser verstopft, wodurch das Ausgangssignal stark abfiel. Ein kurzzeitiger Abfall des Ausgangssignals war bei konstantem Differenzdruck ∆p der Versuchsanordnung jedoch bereits nach 20 bzw. 40 Minuten zu beobachten. Der Auslöser war, dass Kondenswasser den Verbindungsschlauch bzw. die inneren Strömungskanäle verengt hatte.

Da den Sensor kontinuierlich Luft durchströmte, löste diese Luftströmung geringere Ansammlungen von Wasser zum Teil allerdings wieder auf. Dadurch sank der Signalwert zwar kurzfristig, kurz darauf erreichte das Ausgangssignal aber wieder den vollen Signalwert – bei einem Differenzdruck ∆p ≈ 230 Pa sind das etwa 2 V.

Die beiden LDE-Sensoren zeigten wie schon beim ersten Test auch beim zweistündigen zweiten Testlauf mit dem gekürzten Verbindungsschlauch keine Veränderung ihrer kalibrierten Messgenauigkeit über die gesamte Dauer der Versuche.

Schlussbetrachtung: Hoher Strömungswiderstand ist wichtig

Beide Tests verdeutlichen, wie wichtig ein hoher Strömungswiderstand bei durchflussbasierten Differenzdrucksensoren ist. Eine hohe pneumatischen Impedanz des Sensors reduziert die feuchte Luft, die durch den Sensor und seine Verbindungsschläuche fließt und damit auch die Feuchtigkeit, die kondensieren und die Strömungsleitungen verstopfen könnte.

Bei niedrigem pneumatischem Widerstand fließen größere Mengen Luft durch den Sensor und die Verbindungsschläuche. Bei hoher Luftfeuchtigkeit sind die Schläuche daher anfällig für Kondensation. Zudem können Sensoren bei Wasseransammlungen an den Verbindungsstellen verstopfen oder komplett ausfallen.

Entwickler von Systemen und Geräten, die Differenzdrucksensoren nach dem thermischen Massendurchflussprinzip einsetzen, sollten ähnliche Tests für ihre speziellen Anwendungen durchzuführen, um die Eignung der Sensoren zu überprüfen und Vorkehrungen treffen, dass keine Kondensation auftritt.

* Hauke Dierksheide ist Produktmanager bei First Sensor.

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