Comparación de los sensores térmicos avanzados y los piezorresistivos

En entornos HVAC, la presión es un valor físico importante y medirla es una tarea crítica. Los sensores electrónicos que realizan el trabajo de medición son extremadamente precisos y confiables, incluso en los rangos de presión más pequeños. Estos sensores de presión diferencial funcionan a solo unos milibares (pocas pulgadas de columna de agua) para medir el flujo volumétrico de aire. A diferencia de los sensores de presión relativa y absoluta, los sensores de presión diferencial miden el delta entre dos presiones y, por lo tanto, tienen dos conexiones de presión separadas.

Los sensores mejoran la eficiencia de los sistemas HVAC ya que miden la presión y el flujo del aire para que este se distribuya de forma efectiva. El papel crítico que desempeñan implica que la selección del sensor correcto es esencial para garantizar el óptimo rendimiento del sistema HVAC y la comodidad máxima.

Este documento se centra en las dos tecnologías que han demostrado su valía en la medición de la presión diferencial en aplicaciones de climatización: sensores piezorresistivos (basados en diafragma) y sensores térmicos (basados en flujo); ambas tecnologías tienen puntos fuertes y débiles.

Un sistema VAV es una aplicación común de HVAC y proporciona a los ingenieros de diseño una manera de dividir en zonas los espacios grandes en los edificios comerciales para los sistemas de calefacción y refrigeración. Los sistemas VAV consisten en una caja de chapa con un amortiguador y controles. Un actuador se conecta al controlador de la caja y modula la posición del amortiguador, lo que permite diferentes cantidades de flujo de aire en la zona en función de entradas programadas y variables como la temperatura y el flujo del aire.

El aire que se suministra a la caja VAV proviene de una unidad de control de aire grande y una red central de conductos. Cuando la caja VAV está en modo de enfriamiento, el amortiguador se modulará a una posición completamente abierta ya que el aire acondicionado requiere un mayor flujo de aire. La calefacción requiere menos flujo de aire, por lo que el amortiguador se modulará a una posición mínima. 

El ventilador de la unidad de control de aire debe modularse para variar el flujo de aire en función de la demanda. La caja VAV tiene un sensor en el interior que mide el flujo de aire. Las variables de temperatura y de flujo de aire controlan la posición del amortiguador en función de las demandas de temperatura y de pies cúbicos por minuto (CFM). Otro sensor situado dentro del conducto de suministro principal mide la presión del aire. Existe un punto de ajuste de presión dentro del programa de control para la unidad de control de aire. Los controles de la unidad de control de aire acelerarán o desacelerarán el ventilador en función de la presión del conducto para mantener el punto de ajuste en el programa.

Los sensores piezorresistivos de presión diferencial consisten en diafragmas delgados de silicio en los que se incrustan las resistencias como un puente de Wheatstone. Si hay diferencias en la presión, el diafragma se deforma y se produce una distorsión. Las resistencias semiconductoras dispuestas en el puente de medición reaccionan a estas tensiones mecánicas con el denominado efecto piezorresistivo. En otras palabras, las resistencias de los resistores y las tensiones eléctricas cambian y se activa una señal de medición proporcional a la presión.

Durante años, se le ha considerado a la tecnología de los sensores piezorresistivos como la opción de bajo riesgo para aplicaciones de HVAC. Los sistemas de control de aire acumulan polvo y los sensores piezorresistivos no tienen un canal de flujo, por lo que el polvo no afectará su rendimiento. La tecnología es de alta sensibilidad y es ideal para  aplicaciones que requieren un rango de medición de 1 milibar (0.5 pulgadas de columna de agua) a 10 bar. Los sensores piezorresistivos tienen altas características lineales de señal-presión y una excelente precisión general, y vienen en tamaños muy pequeños para aplicaciones compactas.

Los sensores tradicionales de presión diferencial térmica incorporan un elemento calefactor colocado entre dos resistencias sensibles a la temperatura (uno ascendente y otro descendente). Si existe una diferencia de presión (presión diferencial) entre las dos conexiones del sensor, el gas fluye a través del sensor y el perfil de temperatura se mueve en la dirección de la resistencia descendente. Esto da como resultado una diferencia de temperatura entre las dos resistencias, que a su vez desencadena una señal de salida proporcional al flujo de gas; la medida de la presión diferencial subyacente. 

Para medir el flujo volumétrico, el sensor basado en flujo debe estar conectado al canal de flujo principal a través de tubos. A veces, se utilizan filtros adicionales en el canal de derivación para proteger el sensor contra el polvo, la humedad o la contaminación bacteriana. Sin embargo, cualquier elemento neumático situado entre el canal de flujo principal y la derivación representa una resistencia de flujo adicional que causa una caída de presión. Por lo tanto, el sensor de presión medirá una presión diferencial inferior a la causada por el elemento de restricción de flujo en el canal principal. El resultado es una medición inexacta del flujo volumétrico en el canal de flujo principal. Cuanto mayor sea la impedancia de flujo de los tubos de conexión y filtros adicionales en comparación con el sensor, más dominante será este efecto.

Para los sensores convencionales de presión diferencial basados en flujo, se recomienda una longitud de tubo máxima permitida o, respectivamente, se proporciona una fórmula de corrección para compensar la caída de presión en la derivación. Tradicionalmente, las longitudes de los tubos se mantenían cortas para evitar añadir impedancia neumática que alteraría la calibración del sensor y haría que produjera un valor incorrecto. 

En el pasado, estas cuestiones han sido motivo de preocupación para los diseñadores de OEM con respecto a la construcción de tecnología de flujo térmico. Sin embargo, una generación avanzada de sensores térmicos está atenuando esas preocupaciones de manera rápida.

Los sensores avanzados de presión diferencial térmica se basan en un chip de silicio de solo 4 mm² (0.006 in²) de tamaño. Los sensores incorporan la innovadora tecnología SMEM que integra un canal de microflujo dentro del chip sensor de silicio. Los sensores térmicos avanzados pueden medir presiones de aire o de gas ultra bajas desde 0.25 milibares (0.1 pulgadas de columna de agua) a escala completa (FS).

La tecnología térmica avanzada se caracteriza por altos rangos dinámicos y sensibilidades para presiones muy bajas, especialmente alrededor de cero. Los sensores ofrecen acondicionamiento de señal digital para calibración, compensación de temperatura y amplificación. Se pueden optimizar para diferentes requisitos de aplicación en función de si se necesita una alta sensibilidad, un alto rango dinámico o una señal de salida lineal. Probablemente, la ventaja más significativa de la tecnología térmica avanzada es su precisión en cuanto al desplazmiento cero.

Por lo general, la presión diferencial se crea en el sistema mediante una sonda de velocidad del aire que convierte la velocidad del aire en delta-P. Estas sondas utilizan el principio físico de un tubo de Pitot clásico. La sonda puede construirse en forma de palo con múltiples orificios o como un tubo de metal doblado distribuido a través de la sección transversal del conducto (también con orificios múltiples).

La integración del canal de flujo miniaturizado con el chip sensor permite que el sensor de presión térmica avanzado alcance impedancias neumáticas muy altas desde 20,000 hasta 50,000 Pa/(ml/s). Este rendimiento es hasta 100 veces mayor que el de los sensores térmicos tradicionales similares (basados en flujo). El canal de flujo miniaturizado reduce el flujo de gas a través del sensor a un mínimo absoluto y ofrece ventajas de aplicación únicas en entornos húmedos y llenos de polvo, así como cuando se utilizan tubos de conexión largos o filtros.

Con la avanzada tecnología térmica de TE, el flujo de derivación está determinado casi de manera exclusiva por la impedancia de flujo muy alta del dispositivo sensor. Se podrían pasar por alto las influencias que otros componentes con resistencia al flujo ejercen. Eso significa que los sensores de presión diferencial térmica avanzados se pueden usar con tubos largos, filtros u otros elementos neumáticos sin perder calibración. Incluso si estos elementos cambian su resistencia con el tiempo, la precisión de la medición no se verá afectada. Esta capacidad le da al ingeniero más flexibilidad al diseñar el sistema de control de aire.

En el pasado, cuando los sensores de presión térmica tradicionales se utilizaban para medir el flujo volumétrico en entornos de HVAC sucios, las partículas de polvo podían llegar al interior del sensor y a las paredes del canal de flujo interno. Esta condición aumentaría la impedancia neumática del sensor, disminuiría la señal de salida y causaría una pérdida de calibración. En el peor de los casos, el canal de flujo podría bloquearse por completo, lo que causaría una falla en el sensor. 

Los sensores avanzados de presión térmica de TE son altamente inmunes a los problemas mencionados anteriormente en aplicaciones en entornos llenos de polvo. Debido a la altísima impedancia neumática, el flujo de aire a través del sensor es extremadamente pequeño. Esto significa que la cantidad total de gas lleno de polvo que fluye a través del canal de derivación para medir el flujo volumétrico se reduce a un mínimo absoluto en comparación con los sensores de presión térmica tradicionales. Además, la velocidad de flujo se reduce considerablemente, por lo que la cantidad de polvo restante se asentará en la desviación antes de que llegue a la entrada del sensor.

Como resultado, el sensor no requiere un filtro de polvo. Con su capacidad para eliminar la entrada de polvo, se realizan mediciones altamente precisas y se prolonga la vida útil del sensor de manera considerable.

Los sensores térmicos tradicionales deben instalarse en una orientación específica, mientras que el funcionamiento de los sensores térmicos avanzados no depende de la posición, ya que el dispositivo puede instalarse en cualquier orientación. Ahora, el diseñador del sistema de control de aire puede colocar el dispositivo en cualquier posición, lo que mejora en gran medida la flexibilidad del diseño. La precisión del canal de flujo del sensor térmico avanzado también mejora la flexibilidad del diseño. En los sensores térmicos tradicionales, el canal de flujo y el flujo de gas están determinados por la forma de sus carcasas de plástico. Estas carcasas no se fabrican con la misma precisión que la tecnología de semiconductores, lo que resulta en menos estabilidad. En cambio, el canal de microflujo del sensor avanzado se define a nivel de dado. Esto permite que el diseño de la carcasa del sensor de lugar a una alta flexibilidad de diseño, tolerancias de producción extremadamente bajas, un embalaje mucho más pequeño y estable y costos de fabricación más bajos.