Sensorik
Kapazitiv und präzise
Sensoren sind in medizintechnischen Geräten und Apparaten nicht mehr wegzudenken. Gibt es doch vielfältige Applikationen für die unterschiedlichsten physikalischen Prinzipien. Eines der sehr häufig vorkommenden ist das kapazitive Messprinzip. Füllstände von Flüssigkeiten oder den Durchfluss zu erkennen sind in der Medizintechnik allgegenwärtige Aufgaben. Hierbei handelt es sich anders als bei der typisch industriellen Füllstandsüberwachung vorrangig um kleine Behältnisse, Röhrchen oder Leitungen mit geringem Durchmesser und entsprechend geringem Füllvolumen. Zudem sind oft hohe Genauigkeiten und Reproduzierbarkeiten zu gewährleisten.
Für kapazitive Sensoren in der Medizintechnik sind nicht die typischen Baugrößen M12 bis M30 des Maschinen- und Anlagenbaues gefordert, sondern Baugrößen kleiner M12.
Hier bietet Rechner ein Portfolio ab 4 mm Sensordurchmesser an.
Dabei kommen Materialien wie Edelstahl und PTFE beziehungsweise PEEK zum Einsatz, um den Hygienestandards zu entsprechen.
Auch der Anforderung eventueller Reinigungsprozesse mit Temperaturen weit über +100 °C kann die Baureihe der kapazitiven Minisensoren Rechnung tragen.
Ein wichtiger Faktor ist auch die einwandfreie Unterscheidung des Voll- und Leerzustandes der unterschiedlichsten Flüssigkeiten (Bild 1), die oft anhaftend sind und noch dazu eine hohe Leitfähigkeit besitzen. Für kapazitive Sensoren ist das eine sehr schwierige Aufgabe.
Der Sensor »LevelMaster« wurde speziell für solche Messaufgaben entwickelt. Die Justage wird in diesem Fall über EasyTeach mit nur einem Taster durchgeführt oder über das Anschlusskabel als »Teach by Wire«-Ausführung.
Kollisionen vermeiden
Ein weiterer und relativ neuer Anwendungsbereich der kapazitiven Sensorik wurde mit der Objekt-erkennung auf relativ große Dis-tanzen erschlossen. Das »Objekt« ist in diesem Falle der Mensch selbst. Immer häufiger werden Röntgen-, Bestrahlungsgeräte oder sonstige Untersuchungsapparate automatisiert. Der Patient verbleibt dabei alleine in einem Raum, während etwa das Röntgengerät den zu untersuchenden Körperbereich in entsprechendem Abstand abscannt. Um hierbei ungewünschte Kollisionen mit dem medizinischen Gerät zu verhindern oder gar Verletzungen zu vermeiden, falls sich der Patient bewegt, wird über kapazitive Erkennung das Gerät gestoppt (Bild 2).
Der Einsatz solcher Systeme ermöglicht es dem ärztlichen Personal, sich während der Untersuchung außerhalb der Strahlenbelastung aufzuhalten, ohne die Sicherheit des Patienten zu gefährden. Das kapazitive Prinzip ist dafür prädestiniert, da derartige Sensoren bestens aus großem Abstand auf Wasser reagieren. Da der menschliche Körper bekanntermaßen zu einem Großteil aus dieser Flüssigkeit besteht, reagiert der kapazitive Kollisionsschutz hierfür natürlich am besten.
Der medizinische Apparat kann also im Bereich seiner beweglichen Teile mit einer kapazitiven Außenhülle versehen werden, ohne dass dessen eigentliche Beweglichkeit eingeschränkt wird, wie beispielsweise bei Lichtgittern. Durch das neuartige Dreielektrodensystem lassen sich für kapazitive Sensoren erhebliche Schaltabstände generieren (Bild 3).
So sind 20 cm bis 30 cm, wie in genannten Applikationen üblich, kein Problem. Auch Roboter mit kapazitivem Kollisionsschutzsystem finden im Bereich der Medizintechnik Anwendung. Hier wird ein kompakter Handling-roboter ebenfalls zum Führen des Röntgen- oder Bestrahlungsgerät verwendet, was speziell dann von Vorteil ist, wenn innerhalb mehrerer Achsen zu verfahren ist. Bei Medizinapparaten handelt es sich meist um Bewegungen innerhalb von einer bis zwei Achsen.
Sensoren für den Ex-Bereich
In Produktionsanlagen für medizinische Produkte und Arzneimittel finden sich ebenfalls kapazitive Sensoren. Das Erfassen von Flüssigkeiten und Pulvern ist bei den Anwendungen an erster Stelle zu nennen. Oftmals liegt bei der Herstellung dieser Produkte eine Explosionszone vor, sodass ATEX-zertifizierte Geräte nach Ex (Gasexplosionsschutz) oder StEx (Staubexplosionsschutz) notwendig sind. Auch für diese Applikationen stehen kapazitive Sensoren der Minibaureihe bis zu Füllstandssonden größerer Bauart zur Verfügung.
Die Vorteile der kapazitiven Messung liegen darin, dass grundsätzlich alle Produkte mit einer Dielektrizitätskonstante über 1,2 erfasst werden können. Der kapazitive Sensor in heutiger Entwicklungsstufe ist zudem weitestgehend immun gegenüber Verschmutzung und Ablagerung, die Erfassung ist unabhängig von Farbe und Reflexionseigenschaften des Produktes.
Durch Auftrennen von Sonde und Elektronik sind Produkttemperaturen bis zu +250 °C möglich. Bei den Dreielektroden-systemen sind weite Schaltabstände möglich, und die Sensorelektroden lassen sich einfach an den Einbauort beziehungsweise an das zu detektierende Objekt anpassen. Diese technische Flexibilität, gepaart mit Zuverlässigkeit, ermöglicht erst den immer häufiger auftretenden Einsatz in der Medizintechnik.
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