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Ultraschallsensor erkennt Luftblasen in Flüssigkeiten

18.12.2009
Von der Infusionslösung über Klebstoffe bis hin zu Lacken: Gasblasen in Flüssigkeiten können die Dosierung stören und in der Medizintechnik sogar lebensbedrohlich sein. Für die Detektion von Blasen in Schläuchen werden Ultraschall-Sensoren eingesetzt, die auch als Nass-Trocken-Melder dienen.

Ultraschall-Luftblasendetektoren arbeiten berührungslos und kommen überall dort zum Einsatz, wo Luft- oder Gasblasen in flexiblen Schlauchleitungen oder Messkammern detektiert werden müssen. Typische Anwendungen der Sensoren sind medizinische Geräte wie Infusions-, Dialyse-, Transfusions-Systeme oder Herz-Lungen-Maschinen sowie Dosier- und Pipettieranlagen aus der Pharmazie und Industrie.

Sensoren zur Gasdetektion dienen auch als Nass-Trocken-Melder

Das Unternehmen Sonotec, Anbieter von Ultraschall-Messtechnik, hat Sensoren für die Gasdetektion entwickelt, die auch als Nass-Trocken-Melder dienen. So können die Sensoren ABD (für Air Bubble Detector, Luftblasensensor) auch als Leermelder in der Getränkeindustrie, zur blasenfreien Ätzung oder in der Leiterplattenlithografie bei Halbleiterherstellern oder für den blasenfreien Lackauftrag in Kfz-Lackieranlagen zum Einsatz kommen.

Die Luftblasendetektoren arbeiten kontaminationsfrei – sie messen von außen an flexiblen Schläuchen oder an starren Leitungen und Messkammern und haben somit keinen Kontakt zu dem Medium. Sie können sowohl Einzelblasen als auch Schaum erkennen.

Wie das Unternehmen mitteilt, wurde der Sensor als Komponente zur Integration in Maschinen und Systeme ausgelegt: Er soll sich sowohl mechanisch als auch elektrisch einfach in automatisierte Maschinen und Systeme einfügen.

Reflektierter Schallimpuls gibt Auskunft über Blasengröße

Für die Prüfung kommt ein Ultraschallverfahren zum Einsatz, das kurze und hochfrequente Impulse durch die Schlauchwand in die zu messende Flüssigkeit sendet; der Messzyklus liegt bei etwa 200 μs. Anschließend wird die Reflektion der Wellen gemessen.

Trifft der Schallimpuls auf eine Blase im Messweg oder ist der Schlauch leer, verändert sich der empfangene Ultraschallimpuls entsprechend. Die Amplitude jedes empfangenen Ultraschallimpulses dient als Maß der Blasengröße und wird ausgewertet.

Die Standardsensoren sind ausgelegt für Arbeitstemperaturen zwischen 5 und 60 °C und Schlauch-Außendurchmesser von 3 bis 17 mm. Die Blasensensitivität hängt ab vom Schlauchdurchmesser und der Einbaulage.

Sensor erkennt Blasen ab 30 bis 50% des Schlauchdurchmessers

Bei senkrechter oder waagrechter Schlauchführung an der Messstelle werden Blasen ab einem Durchmesser von 30 bis 50% des Schlauchinnendurchmessers erkannt. Konkret bedeutet dies laut Hersteller, dass bei einem Innendurchmesser von 4,9 mm Blasen ab einem Volumen von 5 µl bei einem Durchfluss von 1 bis 1000 ml/min detektiert werden.

Die Luftblasensensoren sind auch in kundenspezifischem OEM-Design lieferbar. So können Anwender zum Beispiel die Sensitivität des Sensors bezüglich der Blasengröße einstellen oder festlegen, ob eine Nass-Trocken- oder Trocken-Nass-Schaltung erfolgen soll.

Insbesondere für medizintechnische Anwendungen sind die Sensoren der ABD-Baureihe an Sicherheitsstandards anpassbar. Über einen vom Anwender programmierbaren Mikro-Controller werden sie parametriert. Zudem soll der Controller dafür sorgen, dass sich der Sensor automatisch den Messbedingungen anpasst und sich den optimalen Arbeitspunkt sucht.

Blasen-Sensor gleicht sich an wechselnde Schlauchstärken und Flüüssigkeiten an

Anders als bislang bekannte Blasen-Messsysteme gleicht sich der Sensor an wechselnde Schlauchstärken und Flüssigkeiten an. Auch an veränderte akustische Bedingungen könne sich der Sensor adaptieren; daraus resultiert eine hohe Stabilität hinsichtlich Funktion, Genauigkeit und Schaltsignal, selbst bei schwankenden Umgebungsbedingungen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Funktionen kundenspezifisch bis zu Fail-Safe zu erweitern.

Die ABD-Sensoren können den Angaben zufolge dort eingesetzt werden, wo andere Verfahren an ihre Grenzen stoßen: So lassen sich beispielsweise induktiv und kapazitiv arbeitende Messsysteme bei Reinstwasser und Öl ebenso wenig nutzen wie optische Sensoren im Fall nicht-durchsichtiger Schläuche oder schlechter Umgebungslichtverhältnisse.

Die Ultraschallsensoren messen nicht-invasiv, also von außen durch die Schlauchwand. Dazu ist im Gegensatz zu den sonst üblichen Ultraschall-Durchflussmessverfahren kein Koppelmedium erforderlich; der Schlauch wird in die Sensorklemme eingepresst.

Damit arbeiten die Sensoren in doppelter Hinsicht kontaminationsfrei und steril: Zum einen kommt es durch das Clamp-on-Messverfahren nicht zu einer Berührung des Fluids; zum anderen kann die Messstelle von außen nicht verschmutzt werden, weil kein Koppelmittel wie Glycerin vorhanden ist.

Blasen-Sensoren bewältigen bis zu 5000 Messungen pro Sekunde

Mit bis zu 5000 Messungen pro Sekunde sei außerdem eine hohe Messdynamik gegeben. Dank des Konzepts liefern die Sensoren stets zuverlässige Messdaten.

Ein weiterer Nutzen für den Anwender liegt darin, dass er die Empfindlichkeit einstellen kann. So ist es möglich, die Größe der Blasen festzulegen, ab der ein Signal an das Gerät weitergeleitet werden soll. Damit lässt sich der Sensor – vom Mikro-Bläschen bis hin zur einfachen Nass-Trocken-Detektion – an die jeweiligen Messaufgaben anpassen.

Industrietaugliche Sensoren mit automationsgerechter Schnittstelle

Mit der Neuentwicklung der Sensoren hat das Unternehmen nach eigenen Angaben die absolute Industrietauglichkeit angestrebt. Wesentliche Kriterien dabei sind die automationsgerechte Prozessschnittstelle (PNP-Schaltausgang) und die 24-V-Spannungsversorgung. Aus medizinischer Sicht werde mit diesen Ultraschall-Sensoren eine höhere Patientensicherheit erreicht und industriell betrachtet sollen sie für eine höhere Produktqualität und Prozesssicherheit sorgen.

Die Inbetriebnahme des Sensors gestaltet sich den Angaben zufolge einfach, weil Plug and Play kein leeres Versprechen sei: Der Sensor könne einfach als OEM-Teil installiert und nachträglich an bestehende Schlauchsysteme geklemmt werden. Auch beim Wechseln des Schlauchs mit gleichem Durchmesser sei die Installation problemlos möglich.

Optische Signalisierung zeigt richtige Bedienung des Luftblasen-Sensors an

Medizinische Luftblasen-Sensoren haben zusätzlich eine optische Signalisierung, die zur sicheren Bedienung beitragen soll. Ein serielles Ausgabeprotokoll sorge für eine zuverlässige Anbindung an die Steuerung. Standard-Sensoren mit Schlauchdurchmessern zwischen 3 und 17 mm sind ab Lager lieferbar, andere Größen werden kundenspezifisch entwickelt und produziert.

Optional ist eine Abdeckung zur Fixierung des Schlauchs erhältlich. Durch enge Zusammenarbeit und kurze Wege zwischen Entwicklung, Produktion und Vertrieb könnten kundenspezifische Lösungen schnell realisiert und häufig in weniger als vier Wochen bemustert werden.

Monika Zwettler | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/messtechnik_prueftechnik/articles/244374/

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