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¿Cómo deben seleccionarse los sensores de presión y flujo?

Tanto los sensores de presión como los sensores de flujo pueden utilizarse para medir el caudal de aire.

En muchas aplicaciones, ambos tipos de sensores suelen utilizarse en combinación con dispositivos limitadores de flujo para generar una diferencia de presión. Algunos sensores de "flujo de aire" se denominan sensores de "presión diferencial" debido a sus métodos de calibración en lugar de basarse en sus tecnologías internas. Las siguientes explicaciones pretenden aclarar las diferencias entre estos dos tipos de sensores, explicar sus distinciones e indicar qué tipo es más adecuado para aplicaciones específicas.

¿Qué es un sensor de flujo de aire?

En términos sencillos, un sensor de flujo de aire, más conocido como sensor de flujo másico de aire, es un dispositivo con dos puertos de presión, desde los cuales el gas fluye hacia el otro puerto (ver Figura 1). Dentro del sensor, hay un elemento de inducción con una superficie calentada. Cuando el gas fluye a través del elemento sensor, el calor se transfiere desde la parte superior a la inferior. Esto genera un desequilibrio térmico proporcional a la masa del material que fluye, que puede ser medido por circuitos electrónicos.

Es importante recordar que el sensor mide el caudal másico en condiciones estándar, no el volumen real de gas que pasa. Aunque la mayoría de los sensores compensan la influencia de la temperatura, los cambios en la presión atmosférica pueden afectar a la densidad de los gases, influyendo así en los resultados de salida. Además, los sensores de flujo másico deben calibrarse para mezclas de gases específicas, ya que los diferentes gases tienen diferentes propiedades térmicas.

Calibre el sensor de flujo másico de modo que su salida sea proporcional a la caída de presión entre los dos puertos, ya que es precisamente esta caída de presión la que impulsa el flujo a través del sensor. Esto podría causar cierta confusión, ya que estos sensores suelen venderse como sensores de presión diferencial, mientras que su tecnología interna en realidad mide el flujo.

¿Qué es un sensor de presión diferencial?

Los sensores de presión diferencial tradicionales también tienen dos puertos de presión; sin embargo, no hay flujo de gas entre estos dos puertos. Por el contrario, hay un diafragma MEMS entre los dos puertos para medir la diferencia de presión. La deflexión del diafragma se mide mediante el dispositivo piezorresistivo implantado en la oblea de silicio, y el circuito electrónico lo convierte en una señal de salida.

Las principales diferencias entre los sensores de presión y los sensores de flujo de calidad del aire

Trayectoria de flujo

La diferencia más obvia entre los sensores de flujo de presión y los sensores de flujo másico reside en la presencia o ausencia de trayectorias de flujo de gas. Para que el sensor de flujo másico funcione correctamente, debe haber gas que lo atraviese. Cualquier restricción en el canal de flujo, como suciedad o líquido, cambiará la resistencia aerodinámica, afectando así a la salida. Por el contrario, el sensor de presión es un "callejón sin salida". El único flujo de gas en su sistema de tuberías es una pequeña cantidad de gas causada por la compresión o expansión del gas a alta presión. La suciedad o el líquido en el sistema de tuberías solo causarán diferencias de salida cuando la tubería esté casi completamente bloqueada. La contaminación en el canal de flujo finalmente se adhiere a la superficie interna del sensor de flujo másico y también puede afectar la transferencia de calor al elemento sensor, influyendo así en la salida.

Un sensor de flujo de aire solo debe utilizarse cuando el gas que lo atraviesa no contiene contaminantes.

Cualitativo y resolución

Debido a que el sensor de flujo másico es un dispositivo termosensible, es más estable que el sensor de presión basado en tensión a flujo cero (o diferencia de presión cero). Sin embargo, el modo de fallo mencionado anteriormente afectará a la pendiente de la salida del sensor. Todos los modos de fallo del sensor de presión tienden a afectar al desplazamiento de presión cero del equipo. La pendiente del sensor de presión rara vez cambia. Además, la salida del elemento sensor del sensor de flujo másico a bajos caudales es superior a la de altos caudales. Esto significa que, incluso si la salida se ha corregido a una señal lineal, la resolución del sensor de flujo másico a caudales extremadamente bajos seguirá siendo mejor que a caudales altos. La salida del sensor de presión es naturalmente cercana a la linealidad dentro de su rango de trabajo, por lo que la resolución no cambiará.

En comparación con los sensores de presión equivalentes, los sensores de flujo másico tienen mejor resolución y estabilidad a caudales muy bajos.

Propiedad anticontaminación

La contaminación en el canal de flujo puede afectar a la salida del sensor de flujo másico de varias maneras. Incluso si se forma una capa muy fina de líquido o suciedad en la superficie del elemento sensor, interferirá con la transferencia de calor y causará errores de pendiente. Además, si el sensor se utiliza en una configuración de derivación, como se mencionó anteriormente, cualquier factor que aumente la resistencia al flujo en la tubería afectará a los resultados de la medición. Cuando la tubería está obstruida, se requiere presión adicional para permitir que el mismo caudal pase, lo que cambiará la relación entre el caudal y la presión. Por el contrario, casi no hay flujo de aire en la tubería del sensor de presión diferencial. El único movimiento es una pequeña cantidad de entrada y salida de aire para generar cambios de presión. Las tuberías severamente obstruidas pueden causar problemas de respuesta de frecuencia en aplicaciones de alta frecuencia; sin embargo, la salida del sensor será correcta. Mediante el uso simultáneo de sensores de presión y sensores de flujo de aire másico para la misma medición, se puede crear un sistema casi infalible. Dado que la mayoría de los modos de fallo en los sensores de presión afectarán al desplazamiento, mientras que la mayoría de los modos en los sensores de flujo afectarán a la pendiente, es poco probable que estos dos dispositivos fallen simultáneamente de la misma manera.

La pendiente del sensor de presión será más estable que la del sensor de flujo de aire másico y es menos probable que se vea afectada por la contaminación.

Tecnología de calibración automática de punto cero

El ajuste a cero automático es una tecnología de calibración de sensores de presión basada en el muestreo de la salida en condiciones de referencia conocidas, lo que permite una corrección adicional de los errores de salida externos, incluidos los errores de desplazamiento, los desplazamientos causados por efectos térmicos (cambios de desplazamiento) y la deriva de desplazamiento. Si esta tecnología puede implementarse en aplicaciones, será un método sencillo para obtener las ventajas de los sensores de presión, evitando al mismo tiempo los problemas de los sensores de flujo másico.

Consumo de energía

El calentador del sensor de flujo másico requiere electricidad para funcionar correctamente y necesita un corto período de tiempo para precalentarse y estabilizarse. Por el contrario, el simple puente de Wheatstone de resistencia en la mayoría de los sensores de presión consume mucha menos corriente y puede estabilizarse rápidamente. Un sensor de flujo típico puede requerir una corriente de 10 mA a 15 mA, mientras que un sensor de presión del mismo rendimiento solo necesita 2 mA. La salida de un sensor de presión suele permanecer estable en un rango de 2 ms o menos, mientras que un sensor de flujo puede requerir 35 ms. Esto reduce en gran medida la eficacia de la estrategia de ciclo de alimentación adoptada para la conservación de energía.

Los sensores de presión suelen ser preferibles en aplicaciones de baja potencia.

Respuesta de frecuencia

El elemento sensor del sensor de presión es un diafragma mecánico. Suele tener una frecuencia superior a 10 kHz. En aplicaciones prácticas, la respuesta del sensor suele estar limitada a aproximadamente 1 kHz proporcionada por los dispositivos electrónicos. Por el contrario, los sensores de flujo de aire responden más lentamente a los flujos de aire que cambian rápidamente y tienden a promediar los cambios rápidos - recuerde la diferencia en los tiempos de precalentamiento. Es ligeramente más difícil cuantificar con precisión la respuesta de frecuencia del sensor de flujo másico. Sin embargo, en la mayoría de los casos, puede ser inferior a 100 hercios. Esta diferencia puede afectar al rendimiento en la aplicación.