会社のニュース 圧力と流量センサーはどのように選択すればよいですか？

圧力センサーと流量センサーはどのように選べばよいですか？

圧力センサーと流量センサーはどちらも、空気の流量を測定するために使用できます。

多くの用途では、両方のタイプのセンサーが、圧力差を生成するために流量制限デバイスと組み合わせて使用されることがよくあります。「空気流量」センサーの中には、内部技術ではなく、校正方法に基づいて「差圧」センサーと呼ばれるものがあります。以下の説明は、これら2種類のセンサーの違いを明確にし、その区別を説明し、特定の用途により適したタイプを示すことを目的としています。

空気流量センサーとは何ですか？

最も単純な言葉で言えば、空気流量センサー、より正確には空気質量流量センサーは、ガスが他のポートに流れる2つの圧力ポートを備えたデバイスです（図1を参照）。センサー内部には、加熱された表面を持つ誘導素子があります。ガスが感知素子を通過すると、上流から下流に熱が伝達されます。これにより、流れる物質の質量に比例した熱的不均衡が生じ、電子回路で測定できます。

センサーは、実際に通過するガスの体積ではなく、標準条件下での質量流量を測定することを覚えておくことが重要です。ほとんどのセンサーは温度の影響を補償しますが、大気圧の変化はガスの密度に影響を与え、それによって出力結果に影響を与える可能性があります。さらに、異なるガスは異なる熱特性を持っているため、質量流量センサーは特定のガス混合物に対して校正する必要があります。

質量流量センサーは、2つのポート間の圧力降下に比例するように出力を校正します。これは、まさにこの圧力降下がセンサーを通過する流量を駆動するからです。これらのセンサーは通常、差圧センサーとして販売されているため、混乱を招く可能性がありますが、その内部技術は実際には流量を測定しています。

差圧センサーとは何ですか？

従来の差圧センサーも2つの圧力ポートを備えています。ただし、これら2つのポート間にはガスの流れはありません。それどころか、圧力差を測定するためのMEMSダイアフラムが2つのポートの間にあります。ダイアフラムのたわみは、シリコンウェーハに埋め込まれたピエゾ抵抗デバイスによって測定され、電子回路がこれを出力信号に変換します。

圧力センサーと空気質流量センサーの主な違い

流路

圧力流量センサーと質量流量センサーの最も明白な違いは、ガスの流路の有無です。質量流量センサーが適切に機能するためには、ガスがそれを通過する必要があります。汚れや液体など、流路の制限は、空力抵抗を変え、それによって出力に影響を与えます。対照的に、圧力センサーは「行き止まり」です。そのパイプラインシステム内の唯一のガスの流れは、高圧下でのガスの圧縮または膨張によって引き起こされる少量のガスです。パイプラインシステム内の汚れや液体は、パイプラインがほぼ完全にブロックされた場合にのみ出力の違いを引き起こします。流路内の汚染は最終的に質量流量センサーの内面に付着し、感知素子への熱伝達にも影響を与え、それによって出力に影響を与える可能性があります。

空気流量センサーは、それを通過するガスに汚染物質が含まれていない場合にのみ使用する必要があります。

定性的および分解能

質量流量センサーは熱感応デバイスであるため、ゼロ流量（またはゼロ圧力差）では、応力ベースの圧力センサーよりも安定しています。ただし、上記の故障モードは、センサー出力の傾きに影響を与えます。圧力センサーのすべての故障モードは、機器のゼロ圧力オフセットに影響を与える傾向があります。圧力センサーの傾きはめったに変わりません。さらに、低流量での質量流量センサーの感知素子の出力は、高流量での出力よりも高くなります。これは、出力が線形信号に補正されていても、非常に低い流量での質量流量センサーの分解能は、高流量での分解能よりも優れていることを意味します。圧力センサーの出力は、その動作範囲内で自然に線形に近いため、分解能は変わりません。

同等の圧力センサーと比較して、質量流量センサーは非常に低い流量でより優れた分解能と安定性を備えています。

耐汚染性

流路内の汚染は、さまざまな方法で質量流量センサーの出力に影響を与える可能性があります。感知素子の表面に非常に薄い液体の層や汚れが形成されても、熱伝達を妨げ、傾斜誤差を引き起こします。さらに、前述のように、センサーをバイパス構成で使用する場合、パイプラインの流動抵抗を増加させる要因は、測定結果に影響を与えます。パイプラインが詰まっている場合、同じ流量を通過させるには追加の圧力が必要になり、流量と圧力の関係が変化します。対照的に、差圧センサーのパイプラインにはほとんど空気の流れがありません。唯一の動きは、圧力変化を生成するための少量の空気の吸入と排気です。ひどく詰まったパイプラインは、高周波用途で周波数応答の問題を引き起こす可能性があります。ただし、センサーの出力は正しいものになります。圧力センサーと質量空気流量センサーを同時に同じ測定に使用することで、ほぼ完全なシステムを作成できます。圧力センサーのほとんどの故障モードはオフセットに影響を与え、流量センサーのほとんどのモードは傾斜に影響を与えるため、これら2つのデバイスが同じ方法で同時に故障することは考えにくいです。

圧力センサーの傾きは、質量空気流量センサーの傾きよりも安定しており、汚染の影響を受けにくいです。

ゼロ点自動校正技術

自動ゼロ調整は、既知の参照条件下でのサンプリング出力に基づく圧力センサー校正技術であり、オフセット誤差、熱効果によって引き起こされるオフセット（オフセットの変化）、およびオフセットドリフトを含む外部出力誤差の追加の補正を可能にします。この技術をアプリケーションに実装できる場合、質量流量センサーの問題を回避しながら、圧力センサーの利点を得るための簡単な方法になります。

消費電力

質量流量センサーのヒーターは、適切に機能するために電力を必要とし、予熱して安定させるのに短い時間が必要です。対照的に、ほとんどの圧力センサーの単純な抵抗ホイートストンブリッジは、はるかに少ない電流を消費し、急速に安定します。一般的な流量センサーは10 mAから15 mAの電流を必要とする場合がありますが、同じ性能の圧力センサーは2 mAしか必要としません。圧力センサーの出力は通常、2 ms以下の範囲内で安定したままですが、流量センサーは35 msを必要とする場合があります。これにより、省エネのために採用された電源サイクリング戦略の効果が大幅に低下します。

低電力アプリケーションでは、通常、圧力センサーが優先されます。

周波数応答

圧力センサーの感知素子は機械的なダイアフラムです。通常、10 kHzを超える周波数を持ちます。実際のアプリケーションでは、センサー応答は通常、電子デバイスによって提供される約1 kHzに制限されます。対照的に、空気流量センサーは、急速に変化する空気流量に対してよりゆっくりと応答し、急速な変化を平均化する傾向があります - 予熱時間の違いを思い出してください。質量流量センサーの周波数応答を正確に定量化することは、わずかに困難です。ただし、ほとんどの場合、100ヘルツ未満になる可能性があります。この違いは、アプリケーションのパフォーマンスに影響を与える可能性があります。