چگونه باید سنسورهای فشار و جریان را انتخاب کرد؟

سنسورهای فشار و جریان چگونه باید انتخاب شوند؟

از سنسورهای فشار و سنسورهای جریان می توان برای اندازه گیری دبی هوا استفاده کرد.

در بسیاری از کاربردها، هر دو نوع سنسور معمولاً در ترکیب با دستگاه های محدود کننده جریان برای ایجاد اختلاف فشار استفاده می شوند. برخی از سنسورهای "جریان هوا" به دلیل روش های کالیبراسیون و نه بر اساس فناوری های داخلی، سنسورهای "فشار دیفرانسیل" نامیده می شوند. توضیحات زیر برای روشن شدن تفاوت بین این دو نوع سنسور، توضیح تمایز آنها و نشان دادن اینکه کدام نوع برای کاربردهای خاص مناسب تر است، در نظر گرفته شده است.

سنسور جریان هوا چیست؟

به عبارت ساده تر، سنسور جریان هوا، که دقیق تر به عنوان سنسور جریان جرم هوا شناخته می شود، دستگاهی با دو درگاه فشار است که از آن گاز به درگاه دیگر جریان می یابد (شکل 1 را ببینید). در داخل سنسور، یک عنصر القایی با یک سطح گرم وجود دارد. هنگامی که گاز از طریق عنصر حسگر جریان می یابد، گرما از بالادست به پایین دست منتقل می شود. این یک عدم تعادل حرارتی متناسب با جرم ماده جاری ایجاد می کند که می تواند توسط مدارهای الکترونیکی اندازه گیری شود.

مهم است که به یاد داشته باشید که سنسور میزان جریان جرمی را در شرایط استاندارد اندازه گیری می کند، نه حجم واقعی گاز عبوری را. اگرچه اکثر حسگرها تأثیر دما را جبران می کنند، اما تغییرات فشار اتمسفر می تواند بر چگالی گازها تأثیر بگذارد و در نتیجه بر نتایج خروجی تأثیر بگذارد. علاوه بر این، سنسورهای جریان جرمی باید برای مخلوط گازهای خاص کالیبره شوند زیرا گازهای مختلف خواص حرارتی متفاوتی دارند.

سنسور جریان جرمی را طوری کالیبره کنید که خروجی آن متناسب با افت فشار بین دو پورت باشد، زیرا دقیقا همین افت فشار است که جریان را از سنسور عبور می دهد. این ممکن است باعث سردرگمی شود زیرا این سنسورها معمولاً به عنوان سنسورهای فشار تفاضلی فروخته می شوند، در حالی که فناوری داخلی آنها در واقع جریان را اندازه گیری می کند.

سنسور فشار دیفرانسیل چیست؟

سنسورهای فشار دیفرانسیل سنتی نیز دارای دو پورت فشار هستند. با این حال، هیچ جریان گازی بین این دو پورت وجود ندارد. در مقابل، یک دیافراگم MEMS بین دو پورت برای اندازه گیری اختلاف فشار وجود دارد. انحراف دیافراگم توسط دستگاه پیزورزیستیو کاشته شده در ویفر سیلیکونی اندازه گیری می شود و مدار الکترونیکی آن را به سیگنال خروجی تبدیل می کند.

تفاوت های اصلی بین سنسورهای فشار و سنسورهای جریان کیفیت هوا

مسیر جریان

واضح ترین تفاوت بین سنسورهای جریان فشار و سنسورهای جریان جرمی در وجود یا عدم وجود مسیرهای جریان گاز است. برای اینکه سنسور جریان جرمی به درستی کار کند، باید گازی از آن عبور کند. هر گونه محدودیت در کانال جریان، مانند خاک یا مایع، مقاومت آیرودینامیکی را تغییر داده و در نتیجه بر خروجی تأثیر می گذارد. در مقابل، سنسور فشار یک "بن بست" است. تنها جریان گاز در سیستم خط لوله آن، مقدار کمی گاز ناشی از فشرده شدن یا انبساط گاز تحت فشار بالا است. کثیفی یا مایع در سیستم خط لوله تنها زمانی باعث ایجاد اختلاف در خروجی می شود که خط لوله تقریباً به طور کامل مسدود شده باشد. آلودگی در کانال جریان در نهایت به سطح داخلی حسگر جریان جرمی می‌چسبد و همچنین ممکن است بر انتقال حرارت به عنصر حسگر تأثیر بگذارد و در نتیجه بر خروجی تأثیر بگذارد.

سنسور جریان هوا فقط زمانی باید استفاده شود که گاز عبوری از آن فاقد آلاینده باشد.

کیفیت و وضوح

از آنجایی که سنسور جریان جرمی یک دستگاه حساس به حرارت است، در جریان صفر (یا اختلاف فشار صفر) از سنسور فشار مبتنی بر تنش پایدارتر است. با این حال، حالت خرابی فوق بر شیب خروجی سنسور تأثیر می گذارد. تمام حالت های خرابی سنسور فشار بر روی جبران فشار صفر تجهیزات تأثیر می گذارد. شیب سنسور فشار به ندرت تغییر می کند. علاوه بر این، خروجی عنصر حسگر سنسور جریان جرمی در دبی‌های کم، بیشتر از دبی‌های بالا است. این به این معنی است که حتی اگر خروجی به یک سیگنال خطی تصحیح شده باشد، وضوح سنسور جریان جرمی در نرخ‌های جریان بسیار کم همچنان بهتر از میزان جریان بالا خواهد بود. خروجی سنسور فشار به طور طبیعی در محدوده کاری آن نزدیک به خطی است، بنابراین وضوح تغییر نخواهد کرد.

در مقایسه با سنسورهای فشار معادل، سنسورهای جریان جرمی وضوح و پایداری بهتری در نرخ جریان بسیار پایین دارند.

خاصیت ضد آلودگی

آلودگی در کانال جریان می تواند به طرق مختلف بر خروجی سنسور جریان جرمی تأثیر بگذارد. حتی اگر یک لایه بسیار نازک از مایع یا کثیفی روی سطح عنصر حسگر تشکیل شود، در انتقال حرارت اختلال ایجاد می کند و باعث خطای شیب می شود. علاوه بر این، اگر سنسور در پیکربندی بای پس استفاده شود، همانطور که قبلا ذکر شد، هر عاملی که مقاومت جریان را در خط لوله افزایش دهد، بر نتایج اندازه گیری تأثیر می گذارد. هنگامی که خط لوله مسدود می شود، فشار اضافی لازم است تا جریان یکسانی از آن عبور کند، که رابطه بین سرعت جریان و فشار را تغییر می دهد. در مقابل، تقریبا هیچ جریان هوا در خط لوله سنسور فشار دیفرانسیل وجود ندارد. تنها حرکت مقدار کمی هوای ورودی و خروجی برای ایجاد تغییرات فشار است. گرفتگی شدید خطوط لوله ممکن است باعث مشکلات پاسخ فرکانسی در کاربردهای فرکانس بالا شود. با این حال، خروجی سنسور صحیح خواهد بود. با استفاده همزمان از سنسورهای فشار و سنسورهای جریان هوا برای اندازه‌گیری یکسان، می‌توان یک سیستم تقریباً بدون خطا ایجاد کرد. از آنجایی که اکثر حالت‌های خرابی در سنسورهای فشار بر افست تأثیر می‌گذارند، در حالی که بیشتر حالت‌ها در سنسورهای جریان بر شیب تأثیر می‌گذارند، بعید است که این دو دستگاه به طور همزمان از کار بیفتند.

شیب سنسور فشار نسبت به سنسور جریان هوا پایدارتر خواهد بود و احتمال کمتری دارد که تحت تأثیر آلودگی قرار گیرد.

تکنولوژی کالیبراسیون خودکار نقطه صفر

صفر کردن خودکار یک فناوری کالیبراسیون سنسور فشار مبتنی بر خروجی نمونه گیری در شرایط مرجع شناخته شده است که امکان تصحیح بیشتر خطاهای خروجی خارجی از جمله خطاهای افست، افست های ناشی از اثرات حرارتی (تغییرات افست) و رانش افست را فراهم می کند. اگر بتوان این فناوری را در برنامه های کاربردی پیاده سازی کرد، روشی ساده برای به دست آوردن مزایای سنسورهای فشار و در عین حال اجتناب از مشکلات سنسورهای جریان جرمی خواهد بود.

مصرف برق

هیتر در سنسور جریان جرمی برای عملکرد صحیح به برق نیاز دارد و برای پیش گرم شدن و تثبیت به مدت زمان کوتاهی نیاز دارد. در مقابل، پل وتستون با مقاومت ساده در اکثر سنسورهای فشار جریان بسیار کمتری مصرف می کند و می تواند به سرعت تثبیت شود. یک سنسور جریان معمولی ممکن است به جریان 10 میلی آمپر تا 15 میلی آمپر نیاز داشته باشد، در حالی که یک سنسور فشار با همان عملکرد فقط به 2 میلی آمپر نیاز دارد. خروجی سنسور فشار معمولاً در محدوده 2 میلی ثانیه یا کمتر ثابت می ماند، در حالی که سنسور جریان ممکن است به 35 میلی ثانیه نیاز داشته باشد. این تا حد زیادی اثربخشی استراتژی چرخه منبع تغذیه اتخاذ شده برای حفظ انرژی را کاهش می دهد.

سنسورهای فشار معمولاً در کاربردهای کم مصرف ترجیح داده می شوند.

پاسخ فرکانس

عنصر حسگر سنسور فشار یک دیافراگم مکانیکی است. معمولا فرکانس بالاتر از 10 کیلوهرتز دارد. در کاربردهای عملی، پاسخ سنسور معمولاً به حدود 1 کیلوهرتز ارائه شده توسط دستگاه های الکترونیکی محدود می شود. در مقابل، سنسورهای جریان هوا آهسته‌تر به جریان‌های هوا در حال تغییر واکنش نشان می‌دهند و تمایل دارند تغییرات سریع را میانگین‌گیری کنند - تفاوت زمان‌های پیش گرم کردن را به یاد بیاورید. کمی کردن دقیق پاسخ فرکانسی سنسور جریان جرمی کمی دشوارتر است. با این حال، در بیشتر موارد، ممکن است کمتر از 100 هرتز باشد. این تفاوت ممکن است بر عملکرد در برنامه تأثیر بگذارد.