Technologie des capteurs piézorésistifs vs. thermiques de dernière génération

Dans les environnements CVC, la pression est une valeur physique importante, et la mesurer est donc une tâche essentielle. Les capteurs électroniques qui effectuent le travail de mesure sont extrêmement précis et fiables, même pour les plages de pression les plus faibles. Ces capteurs de pression différentielle peuvent mesurer un débit d’air volumétrique de l’ordre de quelques millibars seulement (quelques pouces de colonne d’eau). Contrairement aux capteurs de pression relative ou absolue, les capteurs de pression différentielle mesurent le delta entre deux pressions. Ils disposent donc de deux prises de pression distincte.

Les capteurs rendent les systèmes CVC plus efficaces en mesurant le débit et la pression d’air pour une distribution efficace de l’air. Leur rôle est essentiel, ce qui signifie que le choix du bon capteur est primordial pour garantir les performances maximales du système CVC et le confort des occupants.

Ce document se concentre sur les deux technologies qui ont fait leurs preuves pour mesurer la pression différentielle dans les systèmes de CVC : les capteurs piézorésistifs (à diaphragme) et les capteurs thermiques (basés sur le débit) ; toutes deux présentent des avantages et des inconvénients.

Un système DAV est une solution CVC courante qui permet aux ingénieurs de concevoir des zones de chauffage et de refroidissement pour de vastes espaces de travail dans les bâtiments commerciaux. Les systèmes DAV sont des compartiments métalliques équipés d'un registre et de commandes. Un actionneur se connecte à la commande du boîtier et ajuste la position du registre, ce qui permet de moduler le flux d’air dans la zone en fonction des entrées programmées et de variables telles que le débit d’air et la température.

L’air qui est fourni à la boîte DAV provient d’une grande centrale de traitement d’air et d’un réseau de conduits principal. Lorsque la boîte DAV est en mode refroidissement, le régulateur se positionne en mode ouverture totale, car la climatisation nécessite un débit d’air plus élevé. Le chauffage quant à lui nécessite un débit d'air moins important, le registre sera donc réglé en position minimale. 

Le ventilateur du système de traitement d’air doit ajuster sa vitesse pour faire varier le débit d’air en fonction de la demande. La boîte DAV dispose d’un capteur interne pour mesurer le débit d’air. Les variables de débit d'air et de température contrôlent la position du registre en fonction des demandes de température et de débit en pieds cubes par minute (PCM). Un autre capteur situé à l'intérieur du conduit principal mesure la pression de l’air. Le programme de contrôle du système de traitement d’air contient un point de consigne de pression. Les commandes du système de traitement d’air feront accélérer et décélérer le ventilateur en fonction de la pression du conduit afin de rester en phase avec le point de consigne du programme.

Les capteurs de pression différentielle piézorésistifs sont constitués de minces diaphragmes en silicone dans lesquels les résistances sont intégrées pour former un pont de Wheatstone. S’il y a des différences de pression, le diaphragme se déforme, ce qui produit une distorsion. Les résistances disposées sur le pont de mesure réagissent à ces contraintes mécaniques par ce que l’on appelle l’effet piézorésistif. En d’autres termes, les résistances des résistances changent, les tensions électriques varient et un signal de mesure proportionnel à la pression apparaît.

Pendant des années, la technologie des capteurs piézorésistifs a été perçue comme l’option à faible risque pour les systèmes CVC. Les systèmes de traitement d’air sont des endroits poussiéreux et comme les capteurs piézorésistifs n'ont pas de canal d'écoulement, la poussière n'entrave pas leurs performances. La technologie a une sensibilité élevée et convient aux  applications nécessitant une plage de mesure allant de 1 millibar (0,5 pouce de colonne d’eau) à 10 bar. Les capteurs piézorésistifs présentent des caractéristiques de pression de signal linéaire élevées et une excellente précision globale. Ils sont disponibles dans des formats très petits pour des systèmes compacts.

Les capteurs de pression différentielle thermiques conventionnels intègrent un élément chauffant placé entre deux résistances sensibles à la température (l’une en amont, l’autre en aval). S’il y a une différence de pression (pression différentielle) entre les deux points de connexion du capteur, le gaz circule à travers le capteur et le profil de température  se déplace vers la résistance en aval. Il en résulte une différence de température entre les deux résistances, qui à son tour déclenche un signal de sortie proportionnel au débit de gaz ; la mesure de la pression différentielle sous-jacente. 

Pour mesurer le débit volumétrique, le capteur doit être connecté au canal d’écoulement principal via des tubes. Parfois, des filtres supplémentaires sont utilisés dans le canal de dérivation pour protéger le capteur contre la poussière, l’humidité ou la contamination bactérienne. Cependant, tout élément pneumatique entre le canal d’écoulement principal et la dérivation représente une résistance supplémentaire à l’écoulement ce qui entraîne une perte de pression. Le capteur de pression mesurera donc une pression différentielle inférieure à celle provoquée par l’élément limitant le débit dans le canal principal. Il en résulte une mesure inexacte du débit volumétrique dans le canal d’écoulement principal. Plus la résistance à l’écoulement des tubes de raccordement et des filtres supplémentaires est élevée par rapport au capteur, plus cet effet est dominant.

Pour les capteurs de pression différentielle conventionnels basés sur le débit, une longueur maximale de tube jusqu’au capteur est recommandée ou, respectivement, une formule de correction est utilisée pour compenser la chute de pression dans la dérivation. Traditionnellement, la longueur des tubes était réduite afin d'éviter d'ajouter une impédance pneumatique susceptible d'altérer l'étalonnage du capteur et de lui faire renvoyer une valeur incorrecte. 

Dans le passé, ces questions ont suscité des inquiétudes chez les équipementiers quant à la construction d'une technologie de flux thermique. Cependant, une génération avancée de capteurs thermiques est en train d'atténuer rapidement ces inquiétudes.

Les capteurs de pression différentielle thermique de dernière génération sont basés sur une puce en silicium mesurant à peine 4 mm² (0,006 po²). Les capteurs disposent d'une technologie MEMS innovante qui intègre un micro-canal d’écoulement à l'intérieur de la puce du capteur en silicium. Les capteurs thermiques avancés peuvent mesurer des pressions d’air ou de gaz ultra-basses à partir de 0,25 millibar (0,1 pouce de colonne d’eau) à pleine échelle.

La technologie thermique avancée présente des plages dynamiques et des sensibilités élevées pour les très basses pressions, en particulier pour les pressions proches de zéro. Les capteurs offrent un conditionnement du signal numérique pour l’étalonnage, la compensation de température et l’amplification. Ils peuvent être optimisés en fonction des exigences des différentes applications, que ce soit pour une sensibilité élevée, une plage dynamique élevée ou un signal de sortie linéaire. L’avantage le plus important de la technologie thermique de dernière génération est probablement sa précision au niveau du décalage du zéro.

En règle générale, la pression différentielle est créée dans le système par une sonde de vitesse d’air qui convertit la vitesse de l’air en delta-P. Ces sondes utilisent le principe physique des tubes Pitot traditionnels. La sonde peut prendre la forme d’un bâton avec plusieurs orifices ou la forme d’un tube métallique coudé réparti sur la section transversale du conduit (également avec plusieurs orifices).

L’intégration du canal d’écoulement miniaturisé avec la puce du capteur permet au capteur de pression thermique d’atteindre des impédances pneumatiques très élevées, de l’ordre de 20 000 à 50 000 Pa/(ml/s). Cette performance est jusqu’à 100 fois supérieure à celle des capteurs thermiques conventionnels équivalents (basés sur le débit). Le canal d’écoulement miniaturisé réduit le débit de gaz à travers le capteur jusqu’à un minimum absolu et offre des avantages uniques pour les applications exposées à la poussière et à l'humidité, ainsi que pour l'utilisation de longs tubes de connexion ou de filtres.

Avec la technologie thermique dernière génération de TE, le débit de dérivation est presque exclusivement déterminé par l’impédance de débit très élevée du dispositif de détection. Les influences des composants supplémentaires ayant une résistance à l'écoulement peuvent être négligées. En d’autres termes, des capteurs de pression différentielle thermique avancés peuvent être utilisés avec de longs tubes, des filtres ou d’autres éléments pneumatiques sans perdre leur étalonnage. Même si ces éléments changent de résistance au fil du temps, il n’y aura pas de répercussion négative sur la précision de la mesure. Cette capacité confère à l'ingénieur une plus grande flexibilité pour concevoir un système de traitement de l'air.

Dans le passé, lorsque des capteurs de pression thermique traditionnels étaient utilisés pour mesurer le débit volumétrique dans des environnements sales, des particules de poussière pouvaient atteindre l’intérieur du capteur et les parois du canal d’écoulement interne. Cette situation pouvait augmenter l’impédance pneumatique du capteur, diminuer le signal de sortie et provoquer une perte d’étalonnage. Dans les pires cas, le canal d’écoulement pouvait être complètement bloqué, ce qui entraînait une défaillance du capteur. 

Les capteurs de pression thermique dernière génération de TE sont très peu sensibles aux problèmes mentionnés ci-dessus dans le cas d'applications situées dans des environnements poussiéreux. En raison de l’impédance pneumatique très élevée, le flux d’air à travers le capteur est extrêmement faible. Cela signifie que la quantité totale de gaz chargé de poussière qui circule dans le canal de dérivation pour la mesure du débit volumétrique est réduite à un minimum absolu par rapport aux capteurs de pression thermique traditionnels. De plus, la vitesse d’écoulement est considérablement réduite, de sorte que la quantité de poussière restante se dépose dans la dérivation avant d’atteindre l’entrée du capteur.

Par conséquent, le capteur ne nécessite aucun filtre anti-poussière. Sa capacité à éliminer la pénétration de la poussière permet d’obtenir des mesures très précises et une très longue durée de vie du capteur.

Les capteurs thermiques traditionnels doivent être installés selon une orientation spécifique, tandis que les capteurs thermiques de dernière génération permettent d’éliminer ce problème de dépendance vis-à-vis de la position, et autorisent l’installation de l’appareil dans n'importe quelle orientation souhaitée. Désormais, le concepteur d'un système de traitement d’air peut placer l’appareil dans n’importe quelle position, ce qui améliore considérablement les possibilités de conception. Le capteur thermique dernière génération améliore également la flexibilité de conception grâce à la précision de son canal d’écoulement. Dans les capteurs thermiques traditionnels, le canal d’écoulement et le débit de gaz sont déterminés par la géométrie de leurs boîtiers en plastique. Ces boîtiers ne sont pas fabriqués avec la même précision que les autres technologies, ce qui réduit la stabilité. Par contraste, le microcanal d’écoulement du capteur avancé est défini au niveau de la matrice. Le boîtier du capteur bénéficie ainsi d’une grande souplesse de conception, de tolérances de production extrêmement faibles, d’un conditionnement beaucoup plus petit et plus stable, et de coûts de fabrication réduits.