Ar trebui sa utilizez un senzor de presiune sau de debit?

Ambele tipuri de senzori: de presiune și de debit de aer pot fi utilizate pentru măsurarea debitului de aer. În numeroase aplicații, unul dintre tipurile de senzori este utilizat împreună cu un dispozitiv de restricționare a debitului pentru a crea o diferență de presiune. Unii senzori de ,,debit” sunt distribuiți ca senzori de ,,presiune diferențială” pe baza modului în care sunt calibrați, nu a tehnologiei interne. Scopul acestor rânduri este de a clarifica posibila confuzie între cele două tipuri de senzori mai sus menționate, de a explica diferențele dintre ele și de a oferi un ghid asupra alegerii în cazul unor aplicații date.

Ce este un senzor de debit de aer?

La nivelul cel mai simplu, un senzor de debit de aer, sau mai precis un senzor de debit de masă de aer, este un dispozitiv cu două porturi de presiune, unde gazul curge de la un port la celălalt (vedeți figura 1). În interiorul senzorului este un element de detecție cu o suprafață încălzită. După cum gazul circulă prin elementul de detecție, căldura este transferată de la amonte la aval. Acest lucru creează un dezechilibru termic proporțional cu masa de material ce circulă și care poate fi măsurată de un circuit electronic.

Detecția debitului – Este important de reținut că senzorul măsoară debitul de masă în condiții standard, nu volumul actual de gaz ce circulă. Majoritatea senzorilor au compensare pentru efectele de temperatură și schimbări ale presiunii atmosferice care afectează densitatea gazului și implicit ieșirea. De asemenea, senzorii de debit de masă trebuie calibrați pentru un amestec specific de gaze, deoarece gazele diferite vor avea caracteristici termice diferite.

Placa cu orificiu – Este posibilă calibrarea senzorului de debit de masă pentru a oferi o ieșire proporțională cu căderea de presiune dintre cele două porturi, după cum această cădere de presiune generează debitul prin senzor. În acest mod se poate crea confuzie, deoarece acești senzori vor fi adesea distribuiți ca senzori de presiune diferențială, chiar dacă tehnologia internă măsoară cu adevărat debitul.

Ce este un senzor de presiune?

Un senzor diferențial de presiune convențional are de asemenea două porturi de presiune; totuși nu există circulație a gazului între cele două porturi; în schimb există o membrană MEMS (vedeți figura 2) între porturi, care măsoară diferența de presiune. Deflecția membranei este măsurată de către piezorezistoarele implantate în siliciu, iar un circuit electronic convertește informația în semnal de ieșire.

Diferențe majore între senzorii de presiune și senzorii de debit de masă de aer

Calea de circulație

Diferența evidentă dintre senzorii de presiune și cei de debit de masă o reprezintă absența sau prezența căii de circulație a gazului. Pentru ca un senzor de debit de masă să opereze, gazul trebuie să fie capabil să treacă prin el. Orice restricție în calea de curgere, precum murdărie sau lichid, va schimba rezistența pneumatică și de aici și ieșirea. Prin contrast, un senzor de presiune este o ,,cale închisă”. Singura circulație de gaz în sistemul său este o cantitate mică datorită compresiunii sau extinderii gazului sub presiune. Murdăria sau lichidul din tuburi vor cauza o diferență la ieșire numai dacă se blochează complet tubul.

Contaminarea în calea de curgere în cazul unui senzor de debit de masă de aer poate afecta de asemenea și transferul de căldură către elementul de detecție, afectând din nou ieșirea.

Exemplu: O secție de boli infecțioase a unui spital ar trebui să aibă o presiune negativă în comparație cu lumea exterioară pentru a preveni ieșirea bacteriilor și a virușilor. Când s-a efectuat întreținerea de rutină a gips-cartonului, unele dintre particulele fine provenite de la șlefuire au trecut prin filtrele sistemului și au ajuns pe elementele senzoriale din interiorul senzorilor de debit de aer. Acest lucru a cauzat citiri eronate, iar sistemul a ajuns să comande o presiune pozitivă, riscând un focar de boală!.

Senzorii de debit de masă de aer ar trebui utilizați atunci când gazul ce circulă prin ei se știe că nu are contaminanți.

Stabilitate și rezoluție

Deoarece un senzor de debit de masă este un dispozitiv termic, este în mod esențial mai stabil la debit nul (sau zero presiune diferențială) decât un senzor de presiune bazat pe tensionare. Cu toate acestea, modurile de funcționare descrise mai sus vor afecta panta ieșirii senzorului de debit de masă. Pentru un senzor de presiune însă, este puțin probabil să fie afectată panta.

De asemenea, elementul sensibil al unui senzor de debit de masă va genera o variație a ieșirii mai ridicată la debite reduse decât la debite ridicate. Acest lucru înseamnă că un senzor de debit de masă va avea o rezoluție mai bună la debite mici față de debite mari, chiar dacă ieșirii i s-ar aplica unele corecții spre a fi liniară. Ieșirea unui senzor de presiune este în mod natural aproape liniară pe întreg domeniul său de lucru, astfel încât rezoluție nu se va schimba (figurile 3 și 4).

Un senzor de debit de masă de aer are o rezoluție și o stabilitate mai bune față de un senzor de presiune echivalent.

Rezistență la contaminanți 

Contaminarea pe calea de curgere poate afecta în mai multe ieșirea unui senzor de masă de aer. Chiar și un film foarte subțire de lichid sau murdărie pe elementul de detecție în sine va afecta transferul termic, conducând la erori de pantă. Pe lângă acest lucru, dacă senzorul este utilizat într-o configurație de bypass după cum s-a arătat anterior, tot ceea ce creează o rezistență adițională la curgere va afecta măsurarea. Este nevoie de presiune suplimentară pentru a forța aceeași cantitate de aer printr-un tub obstrucționat, iar acest lucru va schimba relația dintre debit și presiune.

Prin contrast, nu există aproape nici o mișcare a aerului într-un senzor de presiune cu linie moartă. Singura mișcare este a micii cantități de aer care trebuie să intre și să iasă pentru a crea schimbarea de presiune. Un tub obstrucționat puternic poate crea probleme de răspuns în frecvență în aplicații de înaltă frecvență; Totuși, ieșirea senzorului va fi corectă.

Este posibilă crearea unui sistem de siguranță prin utilizarea în paralel a unui senzor de debit de masă de aer și a unui senzori de presiune pentru efectuarea unei măsurări. După cum majoritatea modurilor de eroare într-un senzor de presiune vor afecta deriva, și majoritatea erorilor în senzorul de debit de aer vor afecta panta, este puțin probabil ca o problemă să afecteze în același fel, în același timp.

Panta unui senzor de presiune va fi mai stabilă decât panta unui senzor de debit de masă de aer, fiind puțin probabil să fie afectată de contaminanți.

Tehnici de calibrare automată de zero

Calibrarea automată de zero este o tehnică pentru senzorii de presiune, bazată pe eșantionarea ieșirii în condiții de referință cunoscute pentru a permite corecția externă suplimentară a erorilor de ieșire, inclusiv eroare de offset și derivă termică. Figurile 5 și 6 prezintă ieșirea unui senzor de presiune cu o derivă (offset) mare înainte și după calibrarea automată de zero. Dacă această tehnică poate fi implementată într-o aplicație, este o cale simplă de a beneficia de avantajul unui senzor de presiune, evitând problemele unui senzori de debit de masă de aer.

Există două căi diferite de a aplica această tehnică:

Calea cea mai directă este de a adăuga o supapă care deconectează unul dintre porturile de presiune de sistemul exterior și îl conectează la alt port, creând astfel presiune zero. Acest lucru poate fi făcut în orice moment într-o aplicație. Dezavantajul metodei este costul implicat.Cealaltă modalitate este de a ,,opri” presiunea în sistem. Se poate reinițializa presiune de zero de fiecare dată când echipamentul pornește.

Consum energetic

Sistemul de încălzire într-un senzor de debit de masă de aer necesită alimentare pentru a funcționa corespunzător, solicitând un mic, dar nu nesemnificativ, interval de timp pentru încălzire și stabilizare. Prin contrast, puntea simplă rezistivă Wheatstone din majoritatea senzorilor de presiune are nevoie de mult mai puțin curent și se stabilizează foarte rapid. Un senzor de debit tipic poate solicita de la 10 mA la 15 mA, în vreme ce un senzor de presiune echivalent va avea nevoie de doar 2 mA. Ieșirea unui senzor de presiune este stabilă uzual în 2ms sau chiar mai repede, în vreme ce unui senzor de debit îi ia cam 35 ms pentru stabilizare. Acest lucru face ca strategiile de cicluri de alimentare să fie mai puțin eficiente în conservarea energiei. Un senzor de presiune este uzual preferat în aplicații de joasă putere.

Răspuns în frecvență

Elementul sensibil într-un senzor de presiune este o membrană mecanică, după cum s-a arătat în figura 2. În mod uzual ea are o răspuns în frecvență la maxim 10 kHz. Într-o aplicație în lumea reală, răspunsul senzorial este uzual limitat. Prin contrast, senzorii de debit răspund mult mai încet la schimbări bruște de debit și au tendința de a media schimbările rapide. Este un pic mai dificilă cuantificarea exactă a răspunsului în frecvență pentru acest tip de senzor, dar în majoritatea cazurilor este probabil sub 100 Hz. Diferența anterior prezentată poate afecta performanța în aplicații.

Concluzie

Tabelul de mai jos prezintă sumarul diferențelor majore dintre senzorii de presiune și cei de debit de masă de aer.

Oferta de Senzori

Autor: Grămescu Bogdan