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, după cum se poate observa în figura 2. Acest lucru creează un dezechilibru termic proporțional cu masa de material ce circulă și care poate fi măsurată de un circuit electronic.
Figura 1. Senzor de debit de aer
Figura 2. Element de detecție a debitului de aer
Detecția debitului – Este important de reținut că senzorul măsoară debitul de masă în condiții standard, nu volumul actual de gaz care 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.
Figura 3. Senzor diferențial de presiune
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 3) 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 care circulă prin ei se știe că nu are contaminanți.
Figura 4 (stg.): Ieșirea senzorului de debit de masă vs. debit • Figura 5 (dr.): Ieșirea senzorului de presiune vs. debit
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 rezoluția nu se va schimba (figurile 4 și 5).
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 nicio 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 senzor de presiune pentru efectuarea unei măsurări. După cum majoritatea modurilor de eroare într-un senzor de presiune vor afecta deriva, iar 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.
Figura 6 (stg.): Senzor de presiune cu derivă mare (offset) înainte de auto-corecția de zero • Figura 7 (dr.): Senzor de presiune cu derivă mare (offset) după auto-corecția de zero
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 6 și 7 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 senzor de debit de masă de aer.
Există două căi diferite pentru 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 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 3. 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.
| Caracteristică | Senzor de presiune | Senzor de debit de masă |
| Abilitatea de a lucra cu gaz contaminat pe calea de curgere / Rezistență mai bună la contaminanți | da | – |
| Stabilitate mai bună / rezoluție mai bună la debite mici | – | da |
| Aplicații de joasă putere | da | – |
| Utilizare de tehnici de calibrare automată de zero | da | – |
| Răspuns rapid în frecvență | da | – |
Exemple de senzori de debit de aer și de presiune ce pot fi utilizați:
Senzor de debit de aer Seria AWM3000 de la Honeywell
Nr. stoc RS 407-596 – Marca Honeywell – Cod de producător AWM3300V
Precum seria AWM2000 și această serie se bazează pe două punți Wheatstone pentru determinarea debitului de aer. Seria AWM3000 dispune de amplificare. Ea poate fi utilizată pentru a crește amplificarea și a introduce pe ieșirea senzorului variații de tensiune (offset). Circuitul de control al elementului de încălzire și circuitul de alimentare al punții de detecție sunt cuprinse în capsulă. Debit maxim 1000 cm3/min.
Senzor de presiune NXP MPX5500DP
Nr. stoc RS 922-7346 – Marca NXP – Cod de producător MPX5500DP
Seria MPX5500 de traductoare piezorezistive reprezintă senzori de presiune monolitici proiectați pentru o gamă largă de aplicații, dar care în particular sunt gândiți pentru acele aplicații ce implică utilizarea unui microcontroler sau microprocesor cu intrări A/D. Acest traductor avansat oferă un semnal analogic de ieșire proporțional cu presiunea aplicată. Plaja de citire: 0KPa-500kPa cu o eroare maximă de 2,5% pe intervalul de temperatură 0° … 85°C
Autor:
Bogdan Grămescu
Aurocon Compec
https://www.compec.ro