压阻式与先进热传感器技术

在暖通空调环境中，压力是一个重要的物理值，压力测量是一项至关重要的任务。即使在最小的压力范围内，执行测量工作的电子传感器也必须非常准确和可靠。这些差压传感器的工作压力只有几毫巴（几英寸水柱），以测量体积空气流量。与相对和绝对压力传感器不同，差压传感器测量两个压力之间的 delta 值，因此有两个独立的压力连接。

传感器通过测量气流和压力实现有效的空气分布，使暖通空调系统更加高效。它们的关键作用意味着选择正确的传感器对于确保获得出色的 HVAC 系统性能和用户舒适度至关重要。

本文重点介绍已在 HVAC 应用中的差压测量中证明了其价值的两项技术：压阻式（基于膜片）传感器和热（基于流量）传感器；这两种技术各有优点和缺点。

VAV 系统是一种常见的暖通空调应用，它为设计工程师提供了一种在商业建筑中通过划分大面积工作空间来实现采暖和制冷的方法。VAV 系统由一个带风门和控制装置的金属片箱组成。驱动器连接到箱子的控制器并调节风门的位置，从而允许不同的气流量根据可编程输入和可变因素（如空气流量和温度）进入该区域。

提供给 VAV 风箱的空气由一个大型空气处理器和中央管道系统提供。当 VAV 风箱处于制冷模式时，由于空调需要更高的风量，风门将调节到全开的位置。制热需要较少的空气流量，因此风门将调节到最小位置。

空气处理器的鼓风机必须根据需求调节空气流量。VAV 风箱内部有一个传感器来测量空气流量。空气流量和温度变量根据温度和每分钟立方英尺 (CFM) 的要求来控制风门的位置。主供应管道内的一个额外传感器负责测量气压。空气处理器的控制程序中有一个压力设定点。空气处理器的控制装置根据导管压力控制鼓风机上下倾斜，以保持程序中的设定点。

压阻式差压传感器由一个薄薄的硅膜片组成，其中嵌入了电阻器作为惠斯通电桥。如果存在压差，会穿透膜片，发生变形。布置在测量电桥中的半导体电阻器通过所谓的压阻效应对这些机械应力做出反应。换句话说，电阻器的电阻会发生改变，电压发生改变并触发压力比例测量信号。

多年来，压阻式传感器技术一直被认为是暖通空调应用领域的低风险选择。空气处理系统中尘土飞扬，压阻式传感器没有流动通道，因此灰尘不会影响其性能。该技术具有高灵敏度，适用于测量范围为 1 毫巴（0.5 英寸水柱）到 10 巴的应用。压阻式传感器具有高线性信号-压力特性和出色的整体精度，它们的尺寸非常小，适用于紧凑型应用。

传统的热差压传感器包括一个位于两个温度敏感型电阻器（一个在上游，一个在下游）之间的加热元件。如果两个传感器连接之间存在压差，则气体流过传感器并且温度曲线沿下游电阻的方向移动。这导致两个电阻器之间出现温差，进而触发与气体流量成比例的输出信号；并会测量潜在的压差。

为了测量体积流量，基于流量的传感器必须通过管道连接到主流量通道。有时，会在旁路通道中使用额外的过滤器来保护传感器免受灰尘、湿度或细菌污染。但是，主流量通道和旁路之间的任何气动元件都会产生额外的流动阻力，从而导致压降。因此，压力传感器测量到的压差将低于由主通道中的流量限制元件造成的压差。这将导致无法准确测量主流量通道中的体积流量。与传感器相比，连接管和附加过滤器的流动阻抗越高，这种影响就越大。

对于传统的基于流量的差压传感器，建议对传感器使用最大允许管长，或者使用修正公式来补偿旁路中的压降。传统上，管的长度保持较短以防止增加气动阻抗，这会影响传感器校准，并导致它返回一个不正确的值。

在过去，这些问题已经引起了 OEM 设计人员对热流通技术构建方面的担忧。然而，先进的新一代热传感器正在迅速缓解这些担忧。

先进的热压差传感器基于仅 4 mm² (0.006 in²) 大小的硅芯片。此类传感器采用创新的 MEMS 技术，在硅传感器芯片内集成了微流通道。先进的热传感器可以测量低至 0.25 毫巴（0.1 英寸水柱）满量程 (FS) 的超低空气或气体压力。

先进的热技术具有高动态范围和高灵敏度，可测量非常低的压力，特别是在零点附近。此类传感器具有数字信号调节功能，用于校准，温度补偿和放大。它们可以根据需要的高灵敏度、高动态范围或线性输出信号进行优化，以满足不同的应用需求。也许先进热技术的最大优势是零偏移精度。

通常，系统中通过气流速度探针产生压差，将气流速度转换为 delta-P。这些探针采用经典皮托管的物理原理。可以将探针构造成具有多个孔的棒状，也可以构造成分布在管道横截面上的弯曲金属管（也具有多个孔）。

小型化的流动通道与传感器芯片的集成使先进的热压差传感器能够实现非常高的气动阻抗，高达 20,000 至 50,000 Pa/(ml/s)。该性能比类似的传统热（基于流量）传感器高 100 倍。小型化的流动通道将通过传感器的气体流量减小到绝对最小，在尘土飞扬和潮湿的环境中，以及在使用长连接管或过滤器时，提供了独特的应用优势。

借助 TE 的先进热技术，旁通流量几乎完全由传感器设备的高流量阻抗决定。额外阻力元件对流动的影响可以忽略。这意味着先进的热压差传感器可以与长管、过滤器或其他气动元件一起使用，而不会出现校准损失。即使这些元件的电阻随时间变化，也不会对测量精度产生负面影响。这种功能使工程师在设计空气处理系统时具有更大的灵活性。

过去，当在充满灰尘的暖通空调环境中使用传统的热压传感器进行体积流量测量时，灰尘颗粒可能会进入传感器内部并附着在内部流动通道管壁上。这种情况会增加传感器的气动阻抗，降低输出信号，并造成校准损失。在最坏的情况下，流动通道可能会完全堵塞，导致传感器故障。

TE 的先进热压力传感器在多尘环境中应用时，能够很好的克服上述问题。由于非常高的气动阻抗，通过传感器的气流非常小。这意味着，与传统的热压力传感器相比，通过旁路通道进行体积流量测量的含尘气体总量将减少到绝对最小。此外，流速大大降低，因此剩余的粉尘量将在到达传感器输入口之前沉积在旁路通道中。

因此，这款传感器不需要防尘过滤器。它能够避免灰尘进入，提供高度精确的测量和很长的传感器寿命。

传统的热传感器必须安装在特定方向，而这款先进的热传感器通过允许将设备安装在任何所需方向，消除了位置依赖问题。现在，空气处理系统设计者可以将设备放置在任何位置，大大提高了设计灵活性。这款先进的热传感器还通过其流动通道的准确性提高了设计灵活性。在传统的热传感器中，流动通道和气流量是由其塑料外壳的几何形状决定的。这些外壳的制造不如半导体技术精确，导致稳定性降低。相比之下，先进传感器的微流道是在芯片级别定义的。这使得传感器外壳的构造具有很高的设计灵活性，极低的生产公差，更小和更稳定的封装，并降低了制造成本。