nouvelles de l'entreprise Comment les capteurs de pression et de débit doivent-ils être sélectionnés ?

Comment sélectionner les capteurs de pression et de débit ?

Les capteurs de pression et les capteurs de débit peuvent être utilisés pour mesurer le débit d'air.

Dans de nombreuses applications, les deux types de capteurs sont généralement utilisés en combinaison avec des dispositifs de limitation de débit pour générer une différence de pression. Certains capteurs de « débit d'air » sont appelés capteurs de « pression différentielle » en raison de leurs méthodes d'étalonnage plutôt que de leurs technologies internes. Les explications suivantes visent à clarifier les différences entre ces deux types de capteurs, à expliquer leurs distinctions et à indiquer quel type est le plus adapté à des applications spécifiques.

Qu'est-ce qu'un capteur de débit d'air ?

En termes simples, un capteur de débit d'air, plus précisément connu sous le nom de capteur de débit massique d'air, est un dispositif avec deux orifices de pression, à partir desquels le gaz s'écoule vers l'autre orifice (voir Figure 1). À l'intérieur du capteur, il y a un élément d'induction avec une surface chauffée. Lorsque le gaz traverse l'élément de détection, la chaleur est transférée de l'amont vers l'aval. Cela génère un déséquilibre thermique proportionnel à la masse du matériau en écoulement, qui peut être mesuré par des circuits électroniques.

Il est important de se rappeler que le capteur mesure le débit massique dans des conditions standard, et non le volume réel de gaz qui le traverse. Bien que la plupart des capteurs compensent l'influence de la température, les changements de pression atmosphérique peuvent affecter la densité des gaz, influençant ainsi les résultats de sortie. De plus, les capteurs de débit massique doivent être étalonnés pour des mélanges de gaz spécifiques, car différents gaz ont des propriétés thermiques différentes.

Étalonnez le capteur de débit massique de sorte que sa sortie soit proportionnelle à la chute de pression entre les deux orifices, car c'est précisément cette chute de pression qui entraîne l'écoulement à travers le capteur. Cela pourrait semer une certaine confusion, car ces capteurs sont généralement vendus comme des capteurs de pression différentielle, alors que leur technologie interne mesure en fait le débit.

Qu'est-ce qu'un capteur de pression différentielle ?

Les capteurs de pression différentielle traditionnels ont également deux orifices de pression ; cependant, il n'y a pas d'écoulement de gaz entre ces deux orifices. Au contraire, il y a une membrane MEMS entre les deux orifices pour mesurer la différence de pression. La déflexion de la membrane est mesurée par le dispositif piézorésistif implanté dans la plaquette de silicium, et le circuit électronique la convertit en un signal de sortie.

Les principales différences entre les capteurs de pression et les capteurs de débit de qualité de l'air

Chemin d'écoulement

La différence la plus évidente entre les capteurs de débit de pression et les capteurs de débit massique réside dans la présence ou l'absence de voies d'écoulement de gaz. Pour que le capteur de débit massique fonctionne correctement, il doit y avoir du gaz qui le traverse. Toute restriction dans le canal d'écoulement, telle que de la saleté ou du liquide, modifiera la résistance aérodynamique, affectant ainsi la sortie. En revanche, le capteur de pression est une « impasse ». Le seul écoulement de gaz dans son système de canalisations est une petite quantité de gaz causée par la compression ou la dilatation du gaz sous haute pression. La saleté ou le liquide dans le système de canalisations ne provoqueront des différences de sortie que lorsque la canalisation est presque complètement bloquée. La contamination dans le canal d'écoulement adhère finalement à la surface interne du capteur de débit massique et peut également affecter le transfert de chaleur vers l'élément de détection, influençant ainsi la sortie.

Un capteur de débit d'air ne doit être utilisé que lorsque le gaz qui le traverse ne contient aucun polluant.

Qualité et résolution

Étant donné que le capteur de débit massique est un dispositif thermosensible, il est plus stable que le capteur de pression basé sur la contrainte à débit nul (ou différence de pression nulle). Cependant, le mode de défaillance susmentionné affectera la pente de la sortie du capteur. Tous les modes de défaillance du capteur de pression ont tendance à affecter le décalage de pression zéro de l'équipement. La pente du capteur de pression change rarement. De plus, la sortie de l'élément de détection du capteur de débit massique à faibles débits est supérieure à celle à débits élevés. Cela signifie que même si la sortie a été corrigée en un signal linéaire, la résolution du capteur de débit massique à des débits extrêmement faibles sera toujours meilleure que celle à des débits élevés. La sortie du capteur de pression est naturellement proche de la linéarité dans sa plage de fonctionnement, de sorte que la résolution ne changera pas.

Comparés aux capteurs de pression équivalents, les capteurs de débit massique ont une meilleure résolution et stabilité à très faibles débits.

Propriété anti-pollution

La contamination dans le canal d'écoulement peut affecter la sortie du capteur de débit massique de diverses manières. Même si une très fine couche de liquide ou de saleté se forme à la surface de l'élément de détection, elle interférera avec le transfert de chaleur et provoquera des erreurs de pente. De plus, si le capteur est utilisé dans une configuration de dérivation, comme mentionné précédemment, tout facteur qui augmente la résistance à l'écoulement dans la canalisation affectera les résultats de la mesure. Lorsque la canalisation est obstruée, une pression supplémentaire est requise pour permettre au même débit de passer, ce qui modifiera la relation entre le débit et la pression. En revanche, il n'y a presque pas d'écoulement d'air dans la canalisation du capteur de pression différentielle. Le seul mouvement est une petite quantité d'admission et d'échappement d'air pour générer des changements de pression. Des canalisations gravement obstruées peuvent provoquer des problèmes de réponse en fréquence dans les applications à haute fréquence ; cependant, la sortie du capteur sera correcte. En utilisant simultanément des capteurs de pression et des capteurs de débit massique d'air pour la même mesure, un système presque infaillible peut être créé. Étant donné que la plupart des modes de défaillance des capteurs de pression affecteront le décalage, tandis que la plupart des modes des capteurs de débit affecteront la pente, il est peu probable que ces deux dispositifs tombent en panne simultanément de la même manière.

La pente du capteur de pression sera plus stable que celle du capteur de débit massique d'air et est moins susceptible d'être affectée par la contamination.

Technologie d'étalonnage automatique du point zéro

La mise à zéro automatique est une technologie d'étalonnage des capteurs de pression basée sur l'échantillonnage de la sortie dans des conditions de référence connues, ce qui permet une correction supplémentaire des erreurs de sortie externes, y compris les erreurs de décalage, les décalages causés par les effets thermiques (changements de décalage) et la dérive du décalage. Si cette technologie peut être mise en œuvre dans les applications, ce sera une méthode simple pour obtenir les avantages des capteurs de pression tout en évitant les problèmes des capteurs de débit massique.

Consommation d'énergie

Le réchauffeur du capteur de débit massique nécessite de l'électricité pour fonctionner correctement et a besoin d'une courte période de temps pour préchauffer et se stabiliser. En revanche, le simple pont de Wheatstone à résistance de la plupart des capteurs de pression consomme beaucoup moins de courant et peut se stabiliser rapidement. Un capteur de débit typique peut nécessiter un courant de 10 mA à 15 mA, tandis qu'un capteur de pression de même performance n'a besoin que de 2 mA. La sortie d'un capteur de pression reste généralement stable dans une plage de 2 ms ou moins, tandis qu'un capteur de débit peut nécessiter 35 ms. Cela réduit considérablement l'efficacité de la stratégie de cyclage de l'alimentation adoptée pour l'économie d'énergie.

Les capteurs de pression sont généralement préférés dans les applications à faible consommation d'énergie.

Réponse en fréquence

L'élément de détection du capteur de pression est une membrane mécanique. Il a généralement une fréquence supérieure à 10 kHz. Dans les applications pratiques, la réponse du capteur est généralement limitée à environ 1 kHz fournie par les appareils électroniques. En revanche, les capteurs de débit d'air réagissent plus lentement aux débits d'air en évolution rapide et ont tendance à lisser les changements rapides - rappelez-vous la différence de temps de préchauffage. Il est légèrement plus difficile de quantifier avec précision la réponse en fréquence du capteur de débit massique. Cependant, dans la plupart des cas, elle peut être inférieure à 100 Hertz. Cette différence peut affecter les performances de l'application.