Come devono essere selezionati i sensori di pressione e di flusso?

Come dovrebbero essere selezionati i sensori di pressione e di flusso?

Sia i sensori di pressione che i sensori di flusso possono essere utilizzati per misurare la portata dell'aria.

In molte applicazioni, entrambi i tipi di sensori vengono solitamente utilizzati in combinazione con dispositivi di limitazione del flusso per generare una differenza di pressione. Alcuni sensori di "flusso d'aria" sono chiamati sensori di "pressione differenziale" a causa dei loro metodi di calibrazione piuttosto che in base alle loro tecnologie interne. Le seguenti spiegazioni hanno lo scopo di chiarire le differenze tra questi due tipi di sensori, spiegare le loro distinzioni e indicare quale tipo è più adatto per applicazioni specifiche.

Cos'è un sensore di flusso d'aria?

In termini più semplici, un sensore di flusso d'aria, più precisamente noto come sensore di flusso di massa d'aria, è un dispositivo con due porte di pressione, da cui il gas scorre verso l'altra porta (vedi Figura 1). All'interno del sensore, c'è un elemento di induzione con una superficie riscaldata. Quando il gas scorre attraverso l'elemento sensibile, il calore viene trasferito dalla parte a monte a quella a valle. Questo genera uno squilibrio termico proporzionale alla massa del materiale che scorre, che può essere misurato da circuiti elettronici.

È importante ricordare che il sensore misura la portata massica in condizioni standard, non il volume effettivo di gas che passa. Sebbene la maggior parte dei sensori compensi l'influenza della temperatura, i cambiamenti nella pressione atmosferica possono influire sulla densità dei gas, influenzando così i risultati dell'output. Inoltre, i sensori di flusso di massa devono essere calibrati per specifiche miscele di gas perché gas diversi hanno proprietà termiche diverse.

Calibrare il sensore di flusso di massa in modo che il suo output sia proporzionale alla caduta di pressione tra le due porte, perché è proprio questa caduta di pressione che guida il flusso attraverso il sensore. Questo potrebbe causare confusione perché questi sensori sono solitamente venduti come sensori di pressione differenziale, mentre la loro tecnologia interna sta effettivamente misurando il flusso.

Cos'è un sensore di pressione differenziale?

I sensori di pressione differenziale tradizionali hanno anche due porte di pressione; tuttavia, non c'è flusso di gas tra queste due porte. Al contrario, c'è un diaframma MEMS tra le due porte per misurare la differenza di pressione. La deflessione del diaframma viene misurata dal dispositivo piezoresistivo impiantato nel wafer di silicio e il circuito elettronico lo converte in un segnale di output.

Le principali differenze tra i sensori di pressione e i sensori di flusso della qualità dell'aria

Percorso del flusso

La differenza più ovvia tra i sensori di flusso di pressione e i sensori di flusso di massa risiede nella presenza o assenza di percorsi di flusso del gas. Affinché il sensore di flusso di massa funzioni correttamente, deve esserci gas che lo attraversa. Eventuali restrizioni nel canale di flusso, come sporco o liquido, cambieranno la resistenza aerodinamica, influenzando così l'output. Al contrario, il sensore di pressione è un "vicolo cieco". L'unico flusso di gas nel suo sistema di tubazioni è una piccola quantità di gas causata dalla compressione o espansione del gas ad alta pressione. Lo sporco o il liquido nel sistema di tubazioni causeranno differenze di output solo quando la tubazione è quasi completamente bloccata. La contaminazione nel canale di flusso alla fine aderisce alla superficie interna del sensore di flusso di massa e può anche influire sul trasferimento di calore all'elemento sensibile, influenzando così l'output.

Un sensore di flusso d'aria deve essere utilizzato solo quando il gas che lo attraversa non contiene inquinanti.

Qualitativo e risoluzione

Poiché il sensore di flusso di massa è un dispositivo termosensibile, è più stabile del sensore di pressione basato sullo stress a flusso zero (o differenza di pressione zero). Tuttavia, la modalità di guasto sopra menzionata influenzerà la pendenza dell'output del sensore. Tutte le modalità di guasto del sensore di pressione tendono a influire sull'offset di pressione zero dell'apparecchiatura. La pendenza del sensore di pressione cambia raramente. Inoltre, l'output dell'elemento sensibile del sensore di flusso di massa a basse portate è superiore a quello ad alte portate. Ciò significa che anche se l'output è stato corretto in un segnale lineare, la risoluzione del sensore di flusso di massa a portate estremamente basse sarà comunque migliore di quella ad alte portate. L'output del sensore di pressione è naturalmente vicino al lineare all'interno del suo intervallo di lavoro, quindi la risoluzione non cambierà.

Rispetto ai sensori di pressione equivalenti, i sensori di flusso di massa hanno una migliore risoluzione e stabilità a portate molto basse.

Proprietà anti-inquinamento

La contaminazione nel canale di flusso può influire sull'output del sensore di flusso di massa in vari modi. Anche se si forma uno strato molto sottile di liquido o sporco sulla superficie dell'elemento sensibile, interferirà con il trasferimento di calore e causerà errori di pendenza. Inoltre, se il sensore viene utilizzato in una configurazione bypass, come menzionato in precedenza, qualsiasi fattore che aumenta la resistenza al flusso nella tubazione influenzerà i risultati della misurazione. Quando la tubazione è ostruita, è necessaria una pressione aggiuntiva per consentire alla stessa portata di passare, il che cambierà la relazione tra portata e pressione. Al contrario, non c'è quasi flusso d'aria nella tubazione del sensore di pressione differenziale. L'unico movimento è una piccola quantità di aspirazione ed espulsione dell'aria per generare variazioni di pressione. Tubazioni gravemente ostruite possono causare problemi di risposta in frequenza in applicazioni ad alta frequenza; tuttavia, l'output del sensore sarà corretto. Utilizzando simultaneamente sensori di pressione e sensori di flusso d'aria di massa per la stessa misurazione, è possibile creare un sistema quasi infallibile. Poiché la maggior parte delle modalità di guasto nei sensori di pressione influenzerà l'offset, mentre la maggior parte delle modalità nei sensori di flusso influenzerà la pendenza, è improbabile che questi due dispositivi falliscano simultaneamente nello stesso modo.

La pendenza del sensore di pressione sarà più stabile di quella del sensore di flusso d'aria di massa ed è meno probabile che sia influenzata dalla contaminazione.

Tecnologia di calibrazione automatica del punto zero

L'azzeramento automatico è una tecnologia di calibrazione del sensore di pressione basata sull'output di campionamento in condizioni di riferimento note, che consente un'ulteriore correzione degli errori di output esterni, inclusi errori di offset, offset causati da effetti termici (variazioni di offset) e deriva di offset. Se questa tecnologia può essere implementata nelle applicazioni, sarà un metodo semplice per ottenere i vantaggi dei sensori di pressione evitando i problemi dei sensori di flusso di massa.

Consumo energetico

Il riscaldatore nel sensore di flusso di massa richiede elettricità per funzionare correttamente e necessita di un breve periodo di tempo per preriscaldare e stabilizzarsi. Al contrario, il semplice ponte di Wheatstone a resistenza nella maggior parte dei sensori di pressione consuma molta meno corrente e può stabilizzarsi rapidamente. Un tipico sensore di flusso può richiedere una corrente da 10 mA a 15 mA, mentre un sensore di pressione con le stesse prestazioni necessita solo di 2 mA. L'output di un sensore di pressione di solito rimane stabile entro un intervallo di 2 ms o meno, mentre un sensore di flusso può richiedere 35 ms. Ciò riduce notevolmente l'efficacia della strategia di ciclo di alimentazione adottata per il risparmio energetico.

I sensori di pressione sono solitamente preferiti nelle applicazioni a basso consumo.

Risposta in frequenza

L'elemento sensibile del sensore di pressione è un diaframma meccanico. Di solito ha una frequenza superiore a 10 kHz. Nelle applicazioni pratiche, la risposta del sensore è solitamente limitata a circa 1 kHz fornita dai dispositivi elettronici. Al contrario, i sensori di flusso d'aria rispondono più lentamente ai flussi d'aria in rapida evoluzione e tendono a mediare i rapidi cambiamenti - ricorda la differenza nei tempi di preriscaldamento. È leggermente più difficile quantificare con precisione la risposta in frequenza del sensore di flusso di massa. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, potrebbe essere inferiore a 100 Hertz. Questa differenza può influire sulle prestazioni nell'applicazione.