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传感器在暖通空调与制冷系统低碳化演进中的作用

关键词:TE 压力传感器 温度传感器 HVACR

时间:2022-08-31 16:17:41      来源:网络

HVACR技术是一项重要的工业应用,帮助人们在生产和生活过程中更高效,更舒适。作为致力于创造更安全、可持续、高效和互连的未来的TE而言,正在通过高可靠、高精度、高性价比且广泛的产品组合,为广大控制器和OEM厂商提供一站式传感器方案,从而不断促进HVACR产品的创新,早日达成高能效的目标。

每每夏天,就会有无数人感谢空调的发明。作为空调的发明者,威利斯·开利起初设计空调的初衷,是为印刷厂解决夏季湿度太高导致纸张变形的问题。而后,随着技术的不断发展,空调开始在楼宇、工厂、以及家庭中得到了广泛应用。1922年,开利为美国一家巧克力工厂安装了第一台离心式冷水机组,此举开启了大型舒适空调之门。

时隔百年,如今空调已经与加热、通风与制冷并称为暖通空调与制冷系统(HVACR),成为一项主要的工业应用,并在世界建筑设计和工程以及制造业有广泛的影响。据市场调研机构 Research And Markets最新发布的报告数据显示,到2028年,由于温度控制在家庭和生产环境中应用的重要性,全球HVAC系统市场规模预计将达到1975亿美元。

HVACR在提升人们舒适度的同时,也消耗了非常多的能量,并增加了碳排放。如何通过智能、高效的系统,实现碳达峰及碳中和的目标,也是HVAR技术不断创新的动力之一,在这个过程中,传感器正发挥着重要作用,通过准确采集环境及系统的数据,实现了自动化的精准控制,从而达成最终的节能目标。

本文例举了HVACR中的四个主要系统组成,并介绍了TE传感器在其中的作用,希望可以对读者设计节能高效的HVACR系统有所帮助。

通风系统中的传感器

通风系统是指输送冷、热或新鲜空气到室内。而为了准确且自动化的调节室内空气的通风量及温湿度,因此需要各类传感器来采集包括压力、温度以及湿度等信息,满足智能化、节能化、舒适化等要求。

TE的传感器具有广泛的产品组合,作为基础元器件厂商,TE与变送器和模块厂商合作,提供一站式的解决方案,从而满足不同的场景需求。实现诸如阻尼器控制,滤网检测以及热回收通风等通风应用。

比如针对温度传感器而言,TE就有包括NTC热敏电阻、热电偶、铂电阻、热电堆以及数字温度传感器在内的多种温度传感器,以满足市场的不同要求。

通风系统中的温度传感器普遍选择的是RTD或者NTC两类温度传感器。其中NTC是较为常见的温度传感器,又称负温度系数热敏电阻,是一类电阻值随温度增大而减小的传感器。 最早的负温度系数电阻的发现还要追溯至1833年,英国科学家迈克尔.法拉第(Michael Faraday)在测试硫化银(Ag2S)特性时,发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低的特异现象,这也是人类发现的半导体的第一个特征。

和RTD常用的金属材料不同,NTC通常由陶瓷或聚合物材料制成,NTC的成本较低,准确度也足够,但是对于湿度比较敏感。TE利用先进的陶瓷加工技术和专有配方制造具有高稳定性的电陶瓷热敏电阻材料,通过精密控制陶瓷加工过程中的温度、压力和处理时间,达到预期的机械和电气性能。TE的“高致密化工艺”可使陶瓷粉末间的孔洞在高压条件下“坍塌”,使孔洞表面熔合在一起,从而有效地消除孔隙率并获得接近 100% 的理论密度。这使得TE的NTC传感器可以具有一致性,可以有效隔绝湿气,从而在整个生命周期中始终保持稳定性和线性度。

除了温度之外,湿度同样对人体健康和舒适度有着影响。湿度传感器和温度传感器原理相类似,只不过是从利用温敏变成了利用元件的湿敏特性。无论是温度传感器,还是湿度传感器,都存在着诸多挑战。首先,传感器必须始终保持同样的测量精确度和稳定性;其次,则是快速的响应时间;第三,是在极端环境下也可以正常工作;第四是方便量产。

TE提供了广泛的温湿度传感器组合,包括超小尺寸且支持表面贴装的温湿度传感器HTU21 / HTU31,即插即用的模块HTM2500以及HTG3500探头,从而满足客户的不同场景要求。TE的温湿度传感器采用了三层专利结构,确保中间湿敏元件具有更大面积,因此可以实现更快的响应时间。

TE的湿度传感器产品可实现相对湿度在全范围内 (0 - 100%) 和宽温 (-40 - 125°C) 条件下的严格线性响应曲线,并具有行业领先的响应时间(t63%<2s),同时即便在冷凝后,t63%的响应时间亦可达到5秒以内,并且也可满足IP67密封要求。


TE超低压传感器在管道通风系统中的应用

除了常见的温度及湿度传感器之外,压力传感器同样也是通风系统中的重要传感元件,用来检测管道中气体的流量。TE针对压力传感器主要提供了两大类产品,一类为MEMS压阻技术,另外一类为微通道传热技术,两类传感器可满足不同应用场景的需求,比如针对零泄露要求的气体通道,可以选择MEMS压阻产品,而对于有湿气或粉尘的环境中,可选择微通道热式传感器。

压阻技术是通过在MEMS硅片上刻蚀惠斯通电桥,当外部压力变化时,桥臂的机械形变会引起电阻变化,会产生差分电压,从而实现精准的压力数值结果。压阻式传感器的技术非常成熟,精度高,并且具有很好的线性度,在宽温满量程下,可实现1%整体误差精度。

微通道传热技术则是另外一种主流的流量测量技术。其原理是通过测量气体流经加热元件时的冷却效应来计量气体流量的。气体通过的测量段内有两个热阻元件,其中一个作为温度检测,另一个作为加热器。温度传感元件用于检测气体温度,加热器则通过改变电流来保持其温度与被测气体的温度之间有一个恒定的温度差。当气体流速增加,冷却效应越大,使须保持热电阻间恒温的电流也越大。此热传递正比于气体质量流量,即供给电流与气体质量流量有一一对应的函数关系来反映气体的流量。

TE的压阻压力传感器包括了SM5000、6000、7000系列低压传感器,以及SM9000系列超低压传感器,采用适合SMT封装的SOIC封装,并且具有数字和模拟输出接口可选。

微通道传热同样提供了两大系列产品,包括高动态范围的LHD ULTRA,以及最低至25帕的LM 系列。TE的微通道热式传感器将微通道和传感元件集成至一个硅片上,实现了高集成度和小尺寸,并使微通道具有较高的气阻,从而具有抗湿气、抗粉尘等优势。

消防余压控制系统中的传感器

随着中国高层建筑越来越多,火灾防护已经成为了一项至关重要的安全准则,火灾导致的四大主要死亡原因分别是:缺氧、吸入有毒气体、吸入热气以及皮肤烧伤,因此可以监测安全气流逃生通道的消防余压控制系统,作为一项特殊的通风系统控制应用,已经和烟雾探测器、消防喷淋系统一样,成为智能建筑中不可或缺的安全环节。


消防余压控制系统示意图

消防余压控制系统的具体执行过程如下:当火灾发生后,烟感报警器会第一时间监测到并通知消防监控系统,而后监控系统会根据报警数据,打开相应楼层的送风口,通过加压送风形成的压力差,并且由余压传感器准确监测各空间之间的余压,这样既保证了逃生路线不会有烟雾,同时保证各区域间具有正确压差,使烟雾能够通过烟道排出,而且还可确保防火门可以正确打开和关闭。

根据中华人民共和国国家标准GB51251-2017《建筑防烟排烟系统技术标准》要求,前室、封闭避难层(间)与走道之间的压差应为25帕~30帕;楼梯间与走道之间的压差应为40帕~50帕。这种小量程范围对压力传感器提出了更严苛的要求,此外余压监测还应该满足各种温度条件下的稳定性,并确保在全生命周期内的高精度和低漂移。

TE的SM7391系列低压传感器具有500帕量程范围,精度±1%,支持-25℃至85℃温度范围,在50帕的应用场景下,绝对误差小于3帕,可满足余压监测要求。

超低温冷链中的传感器

近年来,生物疫苗等需求激增,使超低温冷链存储和运输的市场快速发展。目前超低温冷链最低可到-196℃,这已经超越了NTC测温能力,因此更多采用的是Pt RTD产品。

其中RTD(电阻温度探测器)的电阻随传感器温度升高而增大。并且可随着时间的推移而重复。RTD 是一种无源设备,它不会单独产生输出。可使用外部电子设备来测量传感器电阻,方法是使小电流通过传感器,以产生电压。通常是 1 mA 或更低的测量电流,最大 5 mA,且没有自热风险。

RTD的材料是金属,但并不是所有金属都适合做成RTD,符合这一特性的材料需要满足如下几个要求:

1. 该金属的阻值与温度呈线性关系;
2. 该金属对温度的变化比较敏感,即单位温度变化引起的阻值变化(温度系数)比较大;
3. 该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳,具有好的耐久性;

满足这些要求的金属材料不多,常见的RTD材料有:铂(Pt)、镍(Ni)和铜(Cu)等。其中Pt相比于Ni,误差更小,是数字测量和控制应用的理想选择。

TE的低温Pt RTD传感器,提供两种温度范围,分别为-100℃至100℃,以及-200℃至80℃,精度可选择±1℃或±0.5℃,从而满足不同低温测量要求。温度系数为TCR=3850ppm/K,实现了宽温范围下的长期稳定性。


TE广泛的温度传感器产品组合,可满足不同场景下的需求

HVACR主系统中的传感器

HVACR主系统包括冷水机、锅炉、空气冷却器以及泵类等设备,这需要更多种类的传感器,以准确监测设备的各项参数指标。TE有18种传感器技术,且各具特色,可覆盖大部分的工业应用需求。

比如针对压缩机常用的压力传感器,TE提供了采用Microfused 技术的M3200压力变送器,其利用高温微熔玻璃将微机械加工压阻式硅应变片黏贴在不锈钢隔离膜上。该方案在轻松、高效获取介质兼容性的同时,提供非常高的长期稳定性,避免了变送器在传统微机械加工制造工艺过程中出现的 P-N 结效应现象。并且压力腔采用了17-4PH 不锈钢实心结构,除了水蒸气之外,还可以应用在轻度腐蚀的场景下。

另外,对于部分螺杆压缩机而言,是通过滑阀来控制压缩机的面积,从而控制气流,TE也有直线位移传感器,用来检测滑阀的位置。

除了压力传感器之外,温度传感器也是主系统中常见的传感器,比如测量压缩机入口和出口空气温度,测量机油和润滑剂温度监控压缩机、干燥器和仓库的温度等等,TE同样提供了多种形式的温度传感器供客户选择。

除了以上几种压缩机的常用传感器之外,随着机器学习、物联网等相继发展,状态监控(CbM)技术得到了快速崛起,给压缩机、泵、电机等长期运行设备的运维与保养带来了更多便利。通过TE的振动传感器,可以在早期发现设备的潜在故障,以便及时针对设备进行维修与保养,从而减少突发停机以及其他潜在危害。

总结

HVACR技术是一项重要的工业应用,帮助人们在生产和生活过程中更高效,更舒适。作为致力于创造更安全、可持续、高效和互连的未来的TE而言,正在通过高可靠、高精度、高性价比且广泛的产品组合,为广大控制器和OEM厂商提供一站式传感器方案,从而不断促进HVACR产品的创新,早日达成高能效的目标。

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