Tecnologia Piezorresistiva vs Avançada de Sensores Térmicos

Em ambientes de climatização, a pressão é um valor físico importante, e sua medição é uma tarefa crucial. Os sensores eletrônicos que realizam o trabalho de medição são extremamente precisos e confiáveis, mesmo nas menores faixas de pressão. Esses sensores de pressão diferencial funcionam a apenas alguns milibares (poucos centímetros de coluna de água) para medir o fluxo de ar volumétrico. Ao contrário dos sensores de pressão relativa e absoluta, os sensores de pressão diferencial medem o delta entre duas pressões — e, portanto, têm duas conexões de pressão separadas.

Os sensores tornam os sistemas de climatização mais eficientes, medindo o fluxo e a pressão do ar para uma distribuição de ar eficaz. Seu papel crucial implica que a seleção do sensor correto é essencial para garantir o máximo desempenho do sistema de climatização e o conforto dos ocupantes.

Este artigo se concentra nas duas tecnologias que comprovaram seu valor para a medição diferencial da pressão em aplicações de climatização (aquecimento, ventilação e ar condicionado): sensores piezoresistivos (baseados em diafragma) e sensores térmicos (baseados em fluxo); ambas as tecnologias têm pontos fortes e fracos.

Um sistema VAV é uma aplicação de climatização comum e fornece aos engenheiros de projeto uma maneira de zonear grandes áreas de espaço de trabalho em edifícios comerciais para aquecimento e resfriamento. Os sistemas VAV consistem em uma caixa de chapa metálica com um amortecedor e controles. Um atuador se conecta ao controlador da caixa e modula a posição do amortecedor, o que permite diferentes quantidades de fluxo de ar para a área com base em entradas programadas e variáveis como fluxo de ar e temperatura.

O ar que é fornecido para a caixa VAV é fornecido por um grande manipulador de ar e dutos centrais. Quando a caixa VAV está em modo de resfriamento, o amortecedor modula para uma posição totalmente aberta, já que o ar condicionado requer maior fluxo de ar. O aquecimento requer menos fluxo de ar para que o amortecedor module até uma posição mínima. 

O ventilador do manipulador de ar deve modular para variar o fluxo de ar dependendo da demanda. A caixa VAV tem um sensor interno para medir o fluxo de ar. As variáveis vazão de ar e temperatura controlam a posição do amortecedor com base na temperatura e nas demandas de pés cúbicos por minuto (CFM). Um sensor adicional dentro do duto de alimentação principal mede a pressão do ar. Existe um ponto de ajuste de pressão dentro do programa de controle para o manipulador de ar. Os controles do manipulador de ar aumentarão e diminuirão o ventilador dependendo da pressão do duto para manter o ponto definido no programa.

Os sensores de pressão diferencial piezoresistivos consistem em diafragmas finos de silício nos quais os resistores são integrados como uma ponte de Wheatstone. Se houver diferenças de pressão, o diafragma empurra e ocorre distorção. Os resistores semicondutores dispostos na ponte de medição reagem a essas tensões mecânicas com o chamado efeito piezoresistivo. Em outras palavras, as resistências dos resistores mudam, as tensões elétricas mudam e um sinal de medição proporcional de pressão é acionado.

Por anos, a tecnologia de sensores piezoresistivos tem sido percebida como a opção de baixo risco para aplicações de climatização. Os sistemas de tratamento de ar estão em locais empoeirados e os sensores piezoresistivos não têm um canal de fluxo, portanto, a poeira não prejudicará seu desempenho. A tecnologia tem alta sensibilidade e é adequada para aplicações que exigem uma faixa de medição de 1 milibar (0,5 polegadas de coluna de água) a 10 bar. Os sensores piezoresistivos têm características de alta pressão de sinal linear e excelente precisão geral, e eles vêm em tamanhos muito pequenos para aplicações compactas.

Os sensores de pressão diferencial térmica tradicionais incorporam um elemento de aquecimento posicionado entre dois resistores sensíveis à temperatura (um a montante, outro a jusante). Se houver uma diferença de pressão (pressão diferencial) entre as duas conexões do sensor, o gás flui através do sensor e o perfil de temperatura se move na direção do resistor a jusante. Isso resulta em uma diferença de temperatura entre os dois resistores, que, por sua vez, aciona um sinal de saída proporcional ao fluxo de gás, a medida da pressão diferencial subjacente. 

Para medir o fluxo volumétrico, o sensor baseado em fluxo deve ser conectado ao canal de fluxo principal através de tubos. Às vezes, filtros adicionais são usados no canal de derivação para proteger o sensor contra poeira, umidade ou contaminação bacteriana. No entanto, qualquer elemento pneumático entre o canal de fluxo principal e a derivação representa uma resistência adicional ao fluxo que leva a uma queda de pressão. O sensor de pressão medirá, portanto, uma pressão diferencial menor do que a causada pelo elemento restritivo de fluxo no canal principal. O resultado é uma medição imprecisa da vazão volumétrica no canal de fluxo principal. Quanto maior a impedância de fluxo dos tubos de conexão e filtros adicionais em comparação com o sensor, mais dominante é esse efeito.

Para sensores de pressão diferencial convencionais baseados em fluxo, recomenda-se um comprimento máximo permitido do tubo para o sensor ou, respectivamente, uma fórmula de correção é dada para compensar a queda de pressão na derivação. Tradicionalmente, os comprimentos dos tubos eram mantidos curtos para evitar a adição de impedância pneumática que alteraria a calibração do sensor e faria com que ele retornasse um valor incorreto. 

No passado, essas questões causaram preocupação entre os projetistas OEM sobre a construção de tecnologia de fluxo térmico. No entanto, uma geração avançada de sensores térmicos está sanando rapidamente essas preocupações.

Os sensores avançados de pressão diferencial térmica são baseados em um chip de silício com cerca de apenas 4 mm² (0,006 pol.²) de tamanho. Os sensores possuem a inovadora tecnologia MEMS que integra um canal de microfluxo dentro do chip do sensor de silício. Sensores térmicos avançados podem medir pressões de ar ou gás ultrabaixas de 0,25 milibar (0,1 polegadas de coluna de água) em escala total (FS).

A tecnologia térmica avançada apresenta altas faixas dinâmicas e altas sensibilidades para pressões muito baixas, especialmente em torno de zero. Os sensores oferecem condicionamento de sinal digital para calibração, compensação de temperatura e amplificação. Eles podem ser otimizados para diferentes requisitos de aplicação, dependendo se for necessária uma alta sensibilidade, alta faixa dinâmica ou sinal de saída linear. Provavelmente, a vantagem mais significativa da tecnologia térmica avançada é a precisão de deslocamento zero.

Normalmente, a pressão diferencial é criada no sistema por uma sonda de velocidade do ar que converte a velocidade do ar em delta-P. Essas sondas usam o princípio físico de um tubo de Pitot clássico. A sonda pode ser construída na forma de um bastão com múltiplos orifícios ou como um tubo metálico dobrado distribuído ao longo da seção transversal do duto (também com múltiplos orifícios).

A integração do canal de fluxo miniaturizado com o chip do sensor permite que o sensor avançado de pressão térmica atinja impedâncias pneumáticas muito altas de até 20.000 a 50.000 Pa/(ml/s). Esse desempenho é até 100 vezes maior do que os sensores térmicos tradicionais comparáveis (baseados em fluxo). O canal de fluxo miniaturizado reduz o fluxo de gás através do sensor a um mínimo absoluto e oferece vantagens exclusivas de aplicação em ambientes empoeirados e úmidos, bem como ao usar tubos ou filtros de conexão longa.

Com a tecnologia térmica avançada da TE, o fluxo de derivação é quase exclusivamente determinado pela impedância de fluxo muito alta do dispositivo sensor. As influências de componentes adicionais com resistência à vazão podem ser negligenciadas. Isso significa que sensores avançados de pressão diferencial térmica podem ser usados com tubos longos, filtros ou outros elementos pneumáticos sem perder sua calibração. Mesmo que esses elementos mudem sua resistência ao longo do tempo, não haverá influência negativa na precisão da medição. Essa capacidade dá ao engenheiro mais flexibilidade no projeto do sistema de tratamento de ar.

No passado, quando os sensores de pressão térmica tradicionais eram usados para medição de vazão volumétrica em ambientes sujos de climatização, as partículas de poeira podiam atingir o interior do sensor e as paredes do canal de fluxo interno. Essa condição aumentaria a impedância pneumática do sensor, diminuiria o sinal de saída e causaria uma perda de calibração. No pior cenário, o canal de fluxo pode ser completamente bloqueado, resultando em falha do sensor. 

Os sensores avançados de pressão térmica da TE são altamente imunes aos problemas observados acima para aplicações em ambientes empoeirados. Devido à impedância pneumática muito alta, o fluxo de ar através do sensor é extremamente pequeno. Isso significa que a quantidade total de gás carregado de poeira que flui através do canal de desvio para medição de vazão volumétrica é reduzida a um mínimo absoluto em comparação com os sensores de pressão térmica tradicionais. Além disso, a velocidade do fluxo é bastante reduzida para que a quantidade de poeira restante se deposite na derivação antes de chegar à entrada do sensor.

Como resultado, o sensor não requer um filtro de poeira. Sua capacidade de eliminar o ingresso de poeira fornece medições altamente precisas e vida útil muito longa do sensor.

Os sensores térmicos tradicionais devem ser instalados em uma orientação específica, enquanto os sensores térmicos avançados eliminam esse problema de dependência da posição, permitindo a instalação do dispositivo em qualquer orientação desejada. Agora, o projetista do sistema de tratamento de ar pode colocar o dispositivo em qualquer posição, melhorando consideravelmente a flexibilidade do projeto. O sensor térmico avançado também aumenta a flexibilidade do projeto através da precisão de seu canal de fluxo. Nos sensores térmicos tradicionais, o canal de fluxo e o fluxo de gás são determinados pela geometria de suas carcaças plásticas. Essas carcaças não são fabricadas com a mesma precisão que a tecnologia de semicondutores, resultando em menor estabilidade. Por outro lado, o canal de microfluxo do sensor avançado é definido no nível da matriz. Isso permite a construção da carcaça do sensor para alta flexibilidade de projeto, tolerâncias de produção extremamente baixas, embalagens muito menores e mais estáveis, e custos de fabricação reduzidos.