Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung
Magnussonde
Magnussonde – Ein hermetischer Flusssensor für medizinische und industrielle Anwendungen
Einer der wichtigsten Parameter bei der Beatmung von Patientinnen und Patienten ist die Messung der Gasmenge, die mit jedem Atemzug durch das Beatmungsgerät zugeführt und wieder ausgeatmet wird.
Schon ein kurzer Ausfall des Sensors, der den Gasfluss an der behandelten Person bestimmt, kann zu einer suboptimalen Beatmung führen. Wassertröpfchen, die aus dem feuchten Atem durch Kondensation auf dem Sensorelement anlagern, können die Messgenauigkeit der heute eingesetzten Sensoren (z.B. MEMS oder Differenzdrucksensoren) beeinflussen und im schlimmsten Fall sogar zu einem kompletten Ausfall der Flussmessung führen.
Hier setzt das Projekt Magnussonde der Mannheimer Abteilung »Klinische Gesundheitstechnologien« an.
Ziel ist ein neuartiger Flusssensor, der auch bei kondensierender Feuchte eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Weitere Anforderungen sind der Einsatz von single-use Elementen, ein geringes Totraumvolumen und ein hermetischer Aufbau des Sensors. So werden durch den Einsatz einer magnetischen Kopplung keine Durchführungen oder Fenster benötigt, wodurch der Sensor auch für industrielle Anwendungen, wie bspw. an korrosiven Medien interessant ist.
Magnussonde macht sich den Magnus-Effekt zunutze
Das Messprinzip des Sensors basiert auf dem Magnus-Effekt, der allgemein durch die sogenannte „Bananenflanke“ im Fußball bekannt ist. Der Magnus-Effekt ist die Ursache dafür, dass ein schnell rotierender Ball quer zu seiner Flugrichtung auf eine Kreisbahn abgelenkt wird. Diese ablenkende Kraft ist umso größer, je schneller der Ball rotiert und je schneller er durch die Luft fliegt. Diesen Zusammenhang macht sich die Magnussonde zunutze. Ein kleiner ferromagnetischer Zylinder wird von einem System aus magnetischen Spulen in der Schwebe gehalten und in Rotation versetzt. Die Kraft, die auf diesen schwebenden Körper durch den Gasfluss wirkt, wird von der speziell entwickelten Ansteuerungselektronik detektiert und in den momentanen Fluss zurückgerechnet. Der Messaufbau besteht aus zwei Teilen; einem sterilisierbaren und gekapselten Sensorgehäuse, welches als single-use Komponente ausgelegt werden kann, und einer äußeren Antriebs- und Messeinheit.
Zuverlässiges Messprinzip dank des Magnus-Effekts
Vorteile dieses Messprinzips: Die schnelle Rotation des Zylinders verhindert, dass sich Kondensat im Messbereich des Sensors anlagern kann. So ist ein Einsatz auch bei hoher Luftfeuchtigkeit möglich. Der dynamische Messbereich des Sensors kann durch die Variation der Zylinderrotation an die jeweiligen Messbedingungen angepasst werden. Grundsätzlich ist ein Einsatz in Gasen, als auch Fluiden möglich.
Das Projekt Magnussonde wurde von der Vector-Stiftung und dem Fraunhofer internen Vorlaufforschungs-Programm unterstützt.