Как следует выбирать датчики давления и потока?

Как следует выбирать датчики давления и расхода?

Как датчики давления, так и датчики расхода могут использоваться для измерения расхода воздуха.

Во многих приложениях оба типа датчиков обычно используются в сочетании с устройствами ограничения расхода для создания перепада давления. Некоторые датчики «расхода воздуха» называются датчиками «дифференциального давления» из-за методов калибровки, а не на основе их внутренних технологий. Следующие объяснения предназначены для уточнения различий между этими двумя типами датчиков, объяснения их отличий и указания на то, какой тип больше подходит для конкретных применений.

Что такое датчик расхода воздуха?

В простейшем виде датчик расхода воздуха, более точно известный как датчик расхода воздуха по массе, представляет собой устройство с двумя портами давления, из которых газ течет к другому порту (см. рисунок 1). Внутри датчика находится индукционный элемент с нагретой поверхностью. Когда газ проходит через чувствительный элемент, тепло передается от вышележащего участка к нижележащему. Это создает тепловой дисбаланс, пропорциональный массе протекающего материала, который можно измерить с помощью электронных схем.

Важно помнить, что датчик измеряет расход массы в стандартных условиях, а не фактический объем проходящего газа. Хотя большинство датчиков компенсируют влияние температуры, изменения атмосферного давления могут влиять на плотность газов, тем самым влияя на результаты вывода. Кроме того, датчики расхода по массе должны быть откалиброваны для конкретных газовых смесей, поскольку разные газы имеют разные тепловые свойства.

Откалибруйте датчик расхода по массе так, чтобы его выходной сигнал был пропорционален падению давления между двумя портами, потому что именно это падение давления приводит к потоку через датчик. Это может вызвать некоторую путаницу, поскольку эти датчики обычно продаются как датчики дифференциального давления, в то время как их внутренняя технология на самом деле измеряет расход.

Что такое датчик дифференциального давления?

Традиционные датчики дифференциального давления также имеют два порта давления; однако между этими двумя портами нет потока газа. Напротив, между двумя портами находится мембрана MEMS для измерения разницы давлений. Отклонение мембраны измеряется пьезорезистивным устройством, имплантированным в кремниевую пластину, и электронная схема преобразует это в выходной сигнал.

Основные различия между датчиками давления и датчиками расхода воздуха по качеству

Путь потока

Наиболее очевидное различие между датчиками расхода давления и датчиками расхода по массе заключается в наличии или отсутствии путей потока газа. Для правильной работы датчика расхода по массе через него должен проходить газ. Любые ограничения в канале потока, такие как грязь или жидкость, изменят аэродинамическое сопротивление, тем самым влияя на выходной сигнал. Напротив, датчик давления — это «тупик». Единственный поток газа в его трубопроводной системе — это небольшое количество газа, вызванное сжатием или расширением газа под высоким давлением. Грязь или жидкость в трубопроводной системе вызовут различия в выходном сигнале только тогда, когда трубопровод почти полностью заблокирован. Загрязнение в канале потока в конечном итоге прилипает к внутренней поверхности датчика расхода по массе и также может влиять на теплопередачу к чувствительному элементу, тем самым влияя на выходной сигнал.

Датчик расхода воздуха следует использовать только тогда, когда проходящий через него газ не содержит загрязняющих веществ.

Качественные характеристики и разрешение

Поскольку датчик расхода по массе является термочувствительным устройством, он более стабилен, чем датчик давления на основе напряжения, при нулевом потоке (или нулевой разнице давлений). Однако вышеупомянутый режим отказа повлияет на наклон выходного сигнала датчика. Все режимы отказа датчика давления, как правило, влияют на смещение нуля оборудования. Наклон датчика давления редко меняется. Кроме того, выходной сигнал чувствительного элемента датчика расхода по массе при низких расходах выше, чем при высоких расходах. Это означает, что даже если выходной сигнал был скорректирован до линейного сигнала, разрешение датчика расхода по массе при чрезвычайно низких расходах все равно будет лучше, чем при высоких расходах. Выходной сигнал датчика давления, естественно, близок к линейному в пределах его рабочего диапазона, поэтому разрешение не изменится.

По сравнению с эквивалентными датчиками давления датчики расхода по массе имеют лучшее разрешение и стабильность при очень низких расходах.

Свойство защиты от загрязнения

Загрязнение в канале потока может по-разному влиять на выходной сигнал датчика расхода по массе. Даже если на поверхности чувствительного элемента образуется очень тонкий слой жидкости или грязи, это будет мешать теплопередаче и вызывать ошибки наклона. Кроме того, если датчик используется в байпасной конфигурации, как упоминалось ранее, любой фактор, увеличивающий сопротивление потоку в трубопроводе, повлияет на результаты измерений. Когда трубопровод засорен, требуется дополнительное давление, чтобы обеспечить прохождение того же расхода, что изменит взаимосвязь между расходом и давлением. Напротив, в трубопроводе датчика дифференциального давления практически нет потока воздуха. Единственное движение — это небольшое количество забора и выпуска воздуха для создания перепадов давления. Сильно засоренные трубопроводы могут вызывать проблемы с частотной характеристикой в высокочастотных приложениях; однако выходной сигнал датчика будет правильным. Одновременное использование датчиков давления и датчиков расхода воздуха по массе для одного и того же измерения позволяет создать практически безотказную систему. Поскольку большинство режимов отказа в датчиках давления влияют на смещение, а большинство режимов в датчиках расхода влияют на наклон, маловероятно, что эти два устройства выйдут из строя одновременно одинаковым образом.

Наклон датчика давления будет более стабильным, чем у датчика расхода воздуха по массе, и в меньшей степени подвержен влиянию загрязнения.

Технология автоматической калибровки по нулевой точке

Автоматическая установка нуля — это технология калибровки датчика давления, основанная на выборке выходного сигнала в известных эталонных условиях, которая позволяет дополнительно корректировать внешние ошибки вывода, включая ошибки смещения, смещения, вызванные тепловыми эффектами (изменения смещения), и дрейф смещения. Если эту технологию можно реализовать в приложениях, это будет простой метод получения преимуществ датчиков давления, избегая при этом проблем датчиков расхода по массе.

Потребляемая мощность

Нагреватель в датчике расхода по массе требует электричества для правильной работы и требует короткого периода времени для предварительного нагрева и стабилизации. Напротив, простой резистивный мост Уитстона в большинстве датчиков давления потребляет гораздо меньше тока и может быстро стабилизироваться. Типичный датчик расхода может потреблять ток от 10 мА до 15 мА, в то время как датчику давления с такой же производительностью требуется всего 2 мА. Выходной сигнал датчика давления обычно остается стабильным в пределах 2 мс или меньше, в то время как датчику расхода может потребоваться 35 мс. Это значительно снижает эффективность стратегии циклического питания, принятой для энергосбережения.

Датчики давления обычно предпочтительны в приложениях с низким энергопотреблением.

Частотная характеристика

Чувствительный элемент датчика давления представляет собой механическую диафрагму. Обычно он имеет частоту выше 10 кГц. На практике отклик датчика обычно ограничивается примерно 1 кГц, обеспечиваемым электронными устройствами. Напротив, датчики расхода воздуха медленнее реагируют на быстро меняющиеся потоки воздуха и имеют тенденцию усреднять быстрые изменения — вспомните разницу во времени предварительного нагрева. Точно количественно оценить частотную характеристику датчика расхода по массе немного сложнее. Однако в большинстве случаев она может быть ниже 100 Гц. Эта разница может повлиять на производительность в приложении.