Piezoresistive vs. fortschrittliche thermische Sensortechnologie

In HLK-Umgebungen ist der Druck eine wichtige physikalische Größe, und seine Messung ist eine wesentliche Aufgabe. Die elektronischen Sensoren, welche die Messungen vornehmen, sind selbst in den kleinsten Druckbereichen äußerst genau und zuverlässig. Diese Differenzdrucksensoren arbeiten mit nur wenigen Millibar (wenige Zoll Wassersäule), um den volumetrischen Luftstrom zu messen. Anders als Relativ- und Absolutdrucksensoren messen Differenzdrucksensoren das Delta zwischen zwei Drücken – und haben daher zwei separate Druckanschlüsse.

Sensoren machen die HLK-Anlagen effizienter, indem sie den Luftstrom und den Druck für eine effektive Luftverteilung messen. Ihre kritische Rolle bedeutet, dass die Auswahl des richtigen Sensors entscheidend ist, um die maximale Leistung des HLKK-Systems und den Komfort der Bewohner zu gewährleisten.

Dieses Dokument befasst sich mit den beiden Technologien, die sich für die Differenzdruckmessung in HLKK-Anwendungen bewährt haben: piezoresistive (membranbasierte) Sensoren und thermische (durchflussbasierte) Sensoren. Beide Technologien haben Stärken und Schwächen.

Ein VAV-System ist eine gängige HLK-Anwendung und bietet Konstrukteuren die Möglichkeit, große Arbeitsbereiche in gewerblichen Gebäuden für Heizung und Kühlung zu zonieren. VAV-Systeme bestehen aus einem Metallkasten mit einer Klappe und einer Steuerung. Ein Antrieb ist mit dem Steuergerät dem Kasten verbunden und moduliert die Klappenstellung, die je nach den programmierten Eingaben und Variablen wie Luftstrom und Temperatur unterschiedliche Mengen an Luftstrom in die Zone lässt.

Die Luft, die dem VAV-Kasten zugeführt wird, wird von einem großen Luftaufbereiter und einem zentralen Kanalsystem bereitgestellt. Wenn sich der VAV-Kasten im Kühlmodus befindet, wird die Klappe auf eine vollständig geöffnete Position moduliert, da für die Klimatisierung ein höherer Luftstrom erforderlich ist. Zum Heizen ist ein geringerer Luftstrom erforderlich, sodass die Klappe auf eine minimale Position moduliert wird. 

Das Gebläse des Belüftungssystems muss modulieren, um den Luftstrom je nach Bedarf zu variieren. Der VAV-Kasten ist mit einem Sensor ausgestattet, der den Luftstrom misst. Die Luftstrom- und Temperaturvariablen steuern die Klappenposition auf der Grundlage der Temperatur und der benötigten Kubikfuß pro Minute (CFM). Ein zusätzlicher Sensor im Inneren des Hauptzufuhrkanals misst den Luftdruck. Es gibt einen Drucksollwert im Steuerprogramm für das Belüftungssystem. Die Steuerung des Belüftungssystems fährt das Gebläse in Abhängigkeit vom Kanaldruck hoch und runter, um den Sollwert im Programm zu halten.

Piezoresistive Differenzdrucksensoren bestehen aus dünnen Siliziummembranen, in die Widerstände in Form einer Wheatstone-Brücke eingebettet sind. Wenn es Druckunterschiede gibt, drückt die Membran durch und es kommt zu Verzerrungen. Die in der Messbrücke angeordneten Halbleiterwiderstände reagieren auf diese mechanischen Spannungen mit dem sogenannten piezoresistiven Effekt. Mit anderen Worten: Der Widerstand in den Widerständen ändert sich, die elektrischen Spannungen ändern sich, und ein druckproportionales Messsignal wird ausgelöst.

Jahrelang wurde die piezoresistive Sensortechnologie als risikoarme Option für HLK-Anwendungen angesehen. Klimatisierungssysteme sind staubige Orte und piezoresistive Sensoren haben keinen Strömungskanal, sodass Staub ihre Leistung nicht beeinträchtigt. Die Technologie verfügt über eine hohe Empfindlichkeit und ist für  Anwendungen geeignet, die einen Messbereich von 1 Millibar (0,5 Zoll Wassersäule) bis 10 bar erfordern. Piezoresistive Sensoren haben eine hohe lineare Signal-Druck-Charakteristik und eine exzellente Gesamtgenauigkeit. Sie sind außerdem in sehr kleinen Größen für kompakte Anwendungen erhältlich.

Herkömmliche thermische Differenzdrucksensoren enthalten ein Heizelement, das sich zwischen zwei temperaturempfindlichen Widerständen befindet (einer vorgelagert, einer nachgeschalteten). Wenn ein Druckunterschied (Differenzdruck) zwischen den beiden Sensoranschlüssen besteht, strömt Gas durch den Sensor  und das Temperaturprofil bewegt sich in Richtung des nachgeschalteten Widerstands. Dies führt zu einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerständen, die wiederum ein zum Gasfluss proportionales Ausgangssignal auslöst – das Maß für den zugrundeliegenden Differenzdruck. 

Um den volumetrischen Durchfluss zu messen, muss der durchflussbasierte Sensor über Schläuche mit dem Hauptdurchflusskanal verbunden werden. Manchmal werden zusätzliche Filter im Überbrückungskanal verwendet, um den Sensor vor Staub, Feuchtigkeit oder bakterieller Kontamination zu schützen. Jedes pneumatische Element zwischen dem Hauptstromkanal und der Überbrückung stellt jedoch einen zusätzlichen Strömungswiderstand dar, der zu einem Druckabfall führt. Der Drucksensor misst daher einen Differenzdruck, der niedriger ist als der, der durch das durchflussbegrenzende Element im Hauptkanal verursacht wird. Das Ergebnis ist eine ungenaue Messung der volumetrischen Flussrate im Hauptflusskanal. Je höher der Strömungswiderstand der Verbindungsrohre und zusätzlichen Filter im Vergleich zum Sensor ist, desto dominanter ist dieser Effekt.

Für herkömmliche durchflussbasierte Differenzdrucksensoren wird eine maximal zulässige Rohrlänge zum Sensor empfohlen bzw. eine Korrekturformel angegeben, um den Druckabfall in der Überbrückung zu kompensieren. Traditionell wurden die Schläuche kurz gehalten, um eine zusätzliche pneumatische Impedanz zu vermeiden, die die Kalibrierung des Sensors verändern und dazu führen würde, dass er einen falschen Wert liefert. 

In der Vergangenheit haben diese Probleme bei OEM-Designern Besorgnis über die Konstruktion der thermischen Durchflusstechnik ausgelöst. Eine fortschrittliche Generation von Wärmesensoren kann diese Bedenken jedoch schnell zerstreuen.

Moderne thermische Differenzdrucksensoren basieren auf einem Siliziumchip, der nur etwa 4 mm² groß ist. Die Sensoren arbeiten mit einer innovativen MEMS-Technologie, die einen Mikroströmungskanal in den Silizium-Sensorchip integriert. Moderne thermische Sensoren können extrem niedrige Luft- oder Gasdrücke ab 0,25 Millibar (0,1 Zoll Wassersäule) Vollausschlag (FS) messen.

Die fortschrittliche thermische Technologie zeichnet sich durch einen hohen dynamischen Bereich und eine hohe Empfindlichkeit für sehr niedrige Drücke aus, insbesondere um den Nullpunkt herum. Die Sensoren bieten eine digitale Signalaufbereitung für Kalibrierung, Temperaturkompensation und Verstärkung. Sie können für verschiedene Anwendungsanforderungen optimiert werden, je nachdem, ob eine hohe Empfindlichkeit, ein hoher Dynamikbereich oder ein lineares Ausgangssignal benötigt wird. Der wahrscheinlich größte Vorteil der modernen thermischen Technologie ist die Nullpunktgenauigkeit.

Normalerweise wird der Differenzdruck im System durch einen Luftgeschwindigkeits-Fühler erzeugt, der die Luftgeschwindigkeit in Delta-P umwandelt. Diese Fühler verwenden das physikalische Prinzip eines klassischen Pitot-Rohrs. Der Fühler kann in Form eines Stabes mit mehreren Öffnungen oder als abgewinkeltes Metallrohr über den Kanalquerschnitt verteilt (ebenfalls mit mehreren Öffnungen) konstruiert sein.

Durch die Integration des miniaturisierten Strömungskanals mit dem Sensorchip kann der fortschrittliche thermische Drucksensor sehr hohe pneumatische Impedanzen von bis zu 20.000 bis 50.000 Pa/(ml/s) erreichen. Diese Leistung ist bis zu 100 Mal höher als die vergleichbaren, herkömmlichen thermischen (durchflussbasierten) Sensoren. Der miniaturisierte Strömungskanal reduziert den Gasfluss durch den Sensor auf ein absolutes Minimum und bietet einzigartige Anwendungsvorteile in staubigen und feuchten Umgebungen sowie bei der Verwendung langer Verbindungsschläuche oder Filter.

Mit der fortschrittlichen thermischen Technologie von TE wird der Überbrückungsdurchfluss fast ausschließlich durch die sehr hohe Durchflussimpedanz des Sensorgeräts bestimmt. Die Einflüsse von zusätzlichen Komponenten mit Strömungswiderstand können vernachlässigt werden. Das bedeutet, dass moderne thermische Differenzdrucksensoren mit langen Schläuchen, Filtern oder anderen pneumatischen Elementen verwendet werden können, ohne ihre Kalibrierung zu verlieren. Selbst wenn diese Elemente im Laufe der Zeit ihren Widerstand ändern, hat dies keinen negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Diese Fähigkeit gibt dem Ingenieur mehr Designflexibilität, wenn es um das Gestalten des Klimatisierungssystems geht.

Wenn in der Vergangenheit herkömmliche thermische Drucksensoren zur Volumenstrommessung in schmutzigen HLK-Umgebungen verwendet wurden, konnten Staubpartikel in das Innere des Sensors und an die Wände des inneren Strömungskanals gelangen. Dieser Zustand würde die pneumatische Impedanz des Sensors erhöhen, das Ausgangssignal verringern und einen Verlust der Kalibrierung verursachen. Im schlimmsten Fall kann der Strömungskanal vollständig blockiert werden, was zu einem Ausfall des Sensors führt. 

Die fortschrittlichen thermischen Drucksensoren von TE sind in hohem Maße immun gegen die oben genannten Probleme bei Anwendungen in staubigen Umgebungen. Aufgrund der sehr hohen pneumatischen Impedanz ist der Luftstrom durch den Sensor extrem gering. Das bedeutet, dass die Gesamtmenge des staubbeladenen Gases, das durch den Überbrückungskanal für die volumetrische Durchflussmessung strömt, im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Drucksensoren auf ein absolutes Minimum reduziert wird. Außerdem wird die Strömungsgeschwindigkeit stark reduziert, sodass sich die verbleibende Staubmenge in der Überbrückung absetzen wird, bevor sie den Sensoreingang erreicht.

Daher benötigt der Sensor keinen Staubfilter. Seine Fähigkeit, das Eindringen von Staub zu verhindern, sorgt für hochpräzise Messungen und eine sehr lange Lebensdauer der Sensoren.

Herkömmliche thermische Sensoren müssen in einer bestimmten Ausrichtung montiert werden, während die fortschrittlichen thermischen Sensoren dieses Problem der Positionsabhängigkeit beseitigen, indem sie die Montage des Bauelements in jeder gewünschten Ausrichtung ermöglichen. Jetzt kann der Designer des Klimatisierungssystems das Bauelement in jeder beliebigen Position anbringen, was die Designflexibilität erheblich verbessert. Der fortschrittliche thermische Sensor erhöht auch die Designflexibilität durch die Genauigkeit seines Strömungskanals. Bei herkömmlichen thermischen Sensoren werden der Strömungskanal und der Gasfluss durch die Geometrie des Kunststoffgehäuses bestimmt. Diese Gehäuse werden nicht so genau gefertigt wie die Halbleitertechnologie, was zu einer geringeren Stabilität führt. Im Gegensatz dazu wird der Mikroströmungskanal des fortschrittlichen Sensors auf der Ebene des Chips definiert. Dies ermöglicht eine Konstruktion des Sensorgehäuses mit hoher Designflexibilität, extrem geringen Fertigungstoleranzen, einer viel kleineren und stabileren Verpackung und geringeren Fertigungskosten.