圧力センサーか空気流量センサーか？

エアフローセンサーとは何ですか?

最も単純なレベルでは、空気流量センサー、より正確には質量空気流量センサーは、ガスが一方のポートからもう一方のポートに流れる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感知要素があります。ガスが感知素子を流れると、 図2に示すように、熱が上流から下流に伝達されます。これにより、流れる物質の質量に比例した熱不均衡が生じ、電子回路で測定できるようになります。

センサーは、流れるガスの実際の量ではなく、標準条件下での質量流量を測定してい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正しますが、ガスの密度に影響を与える大気圧の変化は出力に影響します。また、ガスによって熱特性が異なるため、質量空気流量センサーは特定のガス混合物に合わせて調整する必要があります。

質量空気流量センサーを較正して、2つのポート間の圧力降下がセンサーを通過する流れを駆動するため、この圧力降下に比例した出力を提供することが可能です。これらのセンサーは、内部の技術が実際には流量を測定するものであるにもかかわらず、差圧センサーとして販売されることが多いため、混乱が生じる可能性があります。

圧力センサーとは何ですか?

従来の差圧センサーにも2つの圧力ポートがありますが、2つのポート間にはガスの流れはありません。代わりに、MEMSダイヤフラム（ 図3）ポート間の圧力差を測定します。ダイアフラムのたわみはシリコンに埋め込まれた圧電抵抗器によって測定され、電子回路がこれを出力信号に変換します。

圧力センサーと質量空気流量センサーの流路の主な違い

フローパス

圧力空気流量センサーと質量空気流量センサーの最も明らかな違いは、ガス流路の有無です。質量流量センサーが適切に動作するには、ガスがセンサーを通過できる必要があります。汚れや液体など、流路の障害があると、空気抵抗が変化し、出力も変化します。対照的に、圧力センサーは「行き止まり」です。チューブ システム内の唯一のガスの流れは、圧力下でのガスの圧縮または膨張によって生じる少量のガスです。チューブ システム内の汚れや液体によって出力に差が生じるのは、詰まりがチューブをほぼ完全に塞ぐほどの場合のみです。質量空気流量センサーの内部表面に到達する流路の汚染も、感知要素への熱伝達に影響を与え、出力に影響を与える可能性があります。

例：ある病院の感染症病棟では、細菌やウイルスの外部への流出を防ぐために、必ず外界に比べて陰圧にする必要がありました。定期的な乾式壁のメンテナンスが行われたとき、研磨による微粒子の一部がシステム フィルターを通過し、空気流量センサー内の感知要素に到達しました。これにより誤った読み取りが発生し、システムは最終的に正圧に制御され、病気の発生の危険にさらされました。

質量空気流量センサーは、センサーを通過するガスに汚染物質が含まれていないことが分かっている場合にのみ使用する必要があります。

安定性と解像度

質量空気流量センサーは熱デバイスであるため、応力ベースの圧力センサーよりも、ゼロ流量（またはゼロ圧力差）で本質的に安定しています。ただし、上記の障害モードはセンサー出力の傾きに影響します。圧力センサーの故障モードはすべて、デバイスのゼロ圧力オフセットに影響を及ぼす傾向があります。圧力センサーの傾きが変化することは非常にまれです。

また、質量空気流量センサーの感知要素は、高流量よりも低流量のときに出力が高くなります。これは、出力が線形信号に補正されている場合でも、質量空気流量センサーは、高流量よりも非常に低流量のほうが解像度が高くなることを意味します。圧力センサーの出力は、その動作範囲にわたってほぼ直線的であるため、解像度は変化しません（ 図4 そして 5）。

汚染に対する耐性

流路内の汚染は、質量空気流量センサーの出力にさまざまな形で影響を及ぼす可能性があります。感知素子自体に非常に薄い液体や汚れの膜が付着しているだけでも、熱伝達に影響を及ぼし、傾斜誤差が生じる可能性があります。さらに、前述のようにセンサーがバイパス構成で使用されている場合、チューブ経路内の流れに追加の抵抗を生じるものはすべて測定に影響します。詰まったチューブに同じ量の流量を流すには追加の圧力が必要になり、これにより流量と圧力の関係が変わります。

対照的に、デッドエンド圧力センサーのチューブ内では空気の動きはほとんどありません。唯一の動きは、圧力変化を生み出すために流入または流出しなければならない少量の空気です。チューブがひどく詰まると、高周波アプリケーションで周波数応答の問題が発生する可能性がありますが、センサーの出力は正確になります。

圧力センサーと質量空気流量センサーの両方を並列に使用して同じ測定を行うことで、ほぼフェイルセーフなシステムを作成することができます。圧力センサーの故障モードのほとんどはオフセットに影響し、流量センサーの故障モードのほとんどは傾斜に影響するため、2つのデバイスが同時に同じように故障する可能性は非常に低くなります。

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

消費電力

質量空気流量センサーのヒーターは、正常に機能するために電力を必要とし、温まって安定するまでに、わずかですが、無視できない時間がかかります。対照的に、ほとんどの圧力センサーに使用されている単純な抵抗ホイートストン ブリッジは、消費電流がはるかに少なく、非常に速く安定します。一般的な空気流量センサーでは10 mA ～ 15 mAが必要ですが、同等の圧力センサーでは2 mAしか必要ありません。圧力センサーの出力は通常2ミリ秒以内またはそれより短い時間で安定しますが、空気流量センサーの場合は35ミリ秒かかることがあります。このため、エネルギーを節約するための電源サイクル戦略の効果は大幅に低下します。

低電力アプリケーションでは、通常、圧力センサーが好まれます。

自動ゼロ校正技術

オートゼロは、既知の基準条件で出力をサンプリングすることに基づく圧力センサーのキャリブレーション技術であり、オフセット誤差、オフセットへの熱影響 (オフセット シフト)、オフセット ドリフトなどの出力誤差の追加の外部補正を可能にします。図5 と 6 は、自動ゼロ校正の前後の大きなオフセットを持つ圧力センサーの出力を示しています。この技術をアプリケーションで実行できれば、質量空気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簡単に得ることができます。

このテクニックを適用するには2つの方法があります。

• 最も簡単な方法は、圧力ポートの1つを外部システムから切り離し、他のポートに接続するバルブを追加して、ゼロ圧力状態を作成することです。これは、アプリケーション内の都合の良いときにいつでも実行できます。ここでの欠点は、明らかにバルブとそれに関連する配管のコストです。
• もう一つの方法は、システムへの圧力を「オフ」にすることです。たとえば、マシンの起動中に、空気の流れを生み出すファンがオフになっている場合、センサーの圧力はゼロになり、システムが起動するたびにゼロに再設定できます。

周波数応答

圧力センサーの感知要素は、前述の 図3に示されているように、機械的なダイヤフラムです。通常、最大周波数応答は10 kHzを超えます。実際のアプリケーションでは、センサーの応答は通常、電子機器によって約1 kHzに制限されます。対照的に、エアフローセンサーは流れの急激な変化に対してよりゆっくりと反応し、急激な変化を平均化する傾向があります。ウォームアップ時間の違いを思い出してください。質量空気流量センサーの周波数応答を正確に定量化するのは少し難しいですが、ほとんどの場合、おそらく100 Hz未満です。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。

例: バックパック型陽圧安全マスク システム内の流量を測定するために気流センサーが使用され、うまく機能しました。汚染問題の可能性を減らすために圧力センサーを代替品として試したところ、圧力センサーの出力に非常にノイズが多く発生しました。圧力センサーはバックパック内のファンからの高周波ノイズを拾い、その出力がほとんど使用できない状態になっていました。圧力センサーの出力をフィルタリングするのが困難だったため、プロジェクト チームは最終的に空気流量センサーを採用することにしました。

まとめ

表1 は、アプリケーションで使用される場合の圧力センサーと質量空気流量センサーの主な違いの概要を示しています。