Como devem ser selecionados os sensores de pressão e de caudal?

Como devem ser selecionados os sensores de pressão e vazão?

Tanto os sensores de pressão quanto os sensores de vazão podem ser usados para medir a taxa de vazão de ar.

Em muitas aplicações, ambos os tipos de sensores são geralmente usados em combinação com dispositivos limitadores de vazão para gerar uma diferença de pressão. Alguns sensores de "vazão de ar" são chamados de sensores de "pressão diferencial" devido aos seus métodos de calibração, em vez de serem baseados em suas tecnologias internas. As explicações a seguir têm como objetivo esclarecer as diferenças entre esses dois tipos de sensores, explicar suas distinções e indicar qual tipo é mais adequado para aplicações específicas.

O que é um sensor de vazão de ar?

Em termos mais simples, um sensor de vazão de ar, mais precisamente conhecido como sensor de vazão mássica de ar, é um dispositivo com duas portas de pressão, de onde o gás flui para a outra porta (veja a Figura 1). Dentro do sensor, há um elemento de indução com uma superfície aquecida. Quando o gás flui através do elemento sensor, o calor é transferido do lado a montante para o lado a jusante. Isso gera um desequilíbrio térmico proporcional à massa do material que flui, que pode ser medido por circuitos eletrônicos.

É importante lembrar que o sensor mede a taxa de vazão mássica em condições padrão, não o volume real de gás que passa. Embora a maioria dos sensores compense a influência da temperatura, as mudanças na pressão atmosférica podem afetar a densidade dos gases, influenciando assim os resultados da saída. Além disso, os sensores de vazão mássica devem ser calibrados para misturas de gases específicas, porque gases diferentes têm propriedades térmicas diferentes.

Calibre o sensor de vazão mássica para que sua saída seja proporcional à queda de pressão entre as duas portas, porque é precisamente essa queda de pressão que impulsiona o fluxo através do sensor. Isso pode causar alguma confusão, porque esses sensores são geralmente vendidos como sensores de pressão diferencial, enquanto sua tecnologia interna está realmente medindo a vazão.

O que é um sensor de pressão diferencial?

Os sensores de pressão diferencial tradicionais também têm duas portas de pressão; no entanto, não há fluxo de gás entre essas duas portas. Pelo contrário, há um diafragma MEMS entre as duas portas para medir a diferença de pressão. A deflexão do diafragma é medida pelo dispositivo piezoresistivo implantado na pastilha de silício, e o circuito eletrônico converte isso em um sinal de saída.

As principais diferenças entre sensores de pressão e sensores de vazão de qualidade do ar

Caminho de fluxo

A diferença mais óbvia entre os sensores de fluxo de pressão e os sensores de vazão mássica reside na presença ou ausência de caminhos de fluxo de gás. Para que o sensor de vazão mássica funcione corretamente, deve haver gás passando por ele. Quaisquer restrições no canal de fluxo, como sujeira ou líquido, alterarão a resistência aerodinâmica, afetando assim a saída. Em contraste, o sensor de pressão é um "beco sem saída". O único fluxo de gás em seu sistema de tubulação é uma pequena quantidade de gás causada pela compressão ou expansão do gás sob alta pressão. A sujeira ou líquido no sistema de tubulação só causará diferenças de saída quando a tubulação estiver quase completamente bloqueada. A contaminação no canal de fluxo eventualmente adere à superfície interna do sensor de vazão mássica e também pode afetar a transferência de calor para o elemento sensor, influenciando assim a saída.

Um sensor de vazão de ar só deve ser usado quando o gás que passa por ele não contém poluentes.

Qualitativo e resolução

Como o sensor de vazão mássica é um dispositivo termossensível, ele é mais estável do que o sensor de pressão baseado em tensão em vazão zero (ou diferença de pressão zero). No entanto, o modo de falha mencionado acima afetará a inclinação da saída do sensor. Todos os modos de falha do sensor de pressão tendem a afetar o deslocamento de pressão zero do equipamento. A inclinação do sensor de pressão raramente muda. Além disso, a saída do elemento sensor do sensor de vazão mássica em baixas taxas de vazão é maior do que em altas taxas de vazão. Isso significa que, mesmo que a saída tenha sido corrigida para um sinal linear, a resolução do sensor de vazão mássica em taxas de vazão extremamente baixas ainda será melhor do que em altas taxas de vazão. A saída do sensor de pressão é naturalmente próxima de linear dentro de sua faixa de trabalho, portanto, a resolução não mudará.

Em comparação com os sensores de pressão equivalentes, os sensores de vazão mássica têm melhor resolução e estabilidade em taxas de vazão muito baixas.

Propriedade anti-poluição

A contaminação no canal de fluxo pode afetar a saída do sensor de vazão mássica de várias maneiras. Mesmo que uma camada muito fina de líquido ou sujeira se forme na superfície do elemento sensor, ela interferirá na transferência de calor e causará erros de inclinação. Além disso, se o sensor for usado em uma configuração de desvio, como mencionado anteriormente, qualquer fator que aumente a resistência ao fluxo na tubulação afetará os resultados da medição. Quando a tubulação está entupida, pressão adicional é necessária para permitir que a mesma taxa de vazão passe, o que alterará a relação entre a taxa de vazão e a pressão. Em contraste, quase não há fluxo de ar na tubulação do sensor de pressão diferencial. O único movimento é uma pequena quantidade de entrada e exaustão de ar para gerar mudanças de pressão. Tubulações severamente entupidas podem causar problemas de resposta de frequência em aplicações de alta frequência; no entanto, a saída do sensor estará correta. Ao usar simultaneamente sensores de pressão e sensores de vazão mássica de ar para a mesma medição, um sistema quase infalível pode ser criado. Como a maioria dos modos de falha em sensores de pressão afetará o deslocamento, enquanto a maioria dos modos em sensores de vazão afetará a inclinação, é improvável que esses dois dispositivos falhem simultaneamente da mesma maneira.

A inclinação do sensor de pressão será mais estável do que a do sensor de vazão mássica de ar e é menos provável que seja afetada pela contaminação.

Tecnologia de calibração automática de ponto zero

A zeragem automática é uma tecnologia de calibração de sensor de pressão baseada na amostragem da saída em condições de referência conhecidas, que permite a correção adicional de erros de saída externos, incluindo erros de deslocamento, deslocamentos causados por efeitos térmicos (mudanças de deslocamento) e deriva de deslocamento. Se essa tecnologia puder ser implementada em aplicações, será um método simples para obter as vantagens dos sensores de pressão, evitando os problemas dos sensores de vazão mássica.

Consumo de energia

O aquecedor no sensor de vazão mássica requer eletricidade para funcionar corretamente e precisa de um curto período de tempo para pré-aquecer e estabilizar. Em contraste, a simples ponte de Wheatstone de resistência na maioria dos sensores de pressão consome muito menos corrente e pode estabilizar rapidamente. Um sensor de vazão típico pode exigir uma corrente de 10 mA a 15 mA, enquanto um sensor de pressão com o mesmo desempenho precisa apenas de 2 mA. A saída de um sensor de pressão geralmente permanece estável dentro de uma faixa de 2 ms ou menos, enquanto um sensor de vazão pode exigir 35 ms. Isso reduz muito a eficácia da estratégia de ciclo de alimentação adotada para conservação de energia.

Os sensores de pressão são geralmente preferidos em aplicações de baixa potência.

Resposta de frequência

O elemento sensor do sensor de pressão é um diafragma mecânico. Geralmente tem uma frequência superior a 10 kHz. Em aplicações práticas, a resposta do sensor geralmente é limitada a aproximadamente 1 kHz fornecida por dispositivos eletrônicos. Em contraste, os sensores de fluxo de ar respondem mais lentamente a fluxos de ar em rápida mudança e tendem a suavizar as mudanças rápidas - lembre-se da diferença nos tempos de pré-aquecimento. É um pouco mais difícil quantificar com precisão a resposta de frequência do sensor de vazão mássica. No entanto, na maioria dos casos, pode ser inferior a 100 Hertz. Essa diferença pode afetar o desempenho na aplicação.