【成功案例】新风机系统滤网监测选择具有完全温度补偿和校准的压阻式微差压传感器SM5652

时间： 2019-01-16 来源：世强

近年来，中国北方的大多数城市都屡屡受到雾霾的严重影响，新风机系统也作为一个顺应潮流的产品走进千家万户，而滤网作为新风系统的核心部件，在使用的过程中，滤网上的灰尘会越来越多，滤网的效果也会越来越差，而且会造成二次污染，因此，滤网的堵塞状况就成为新风机系统能否正常运行的重要因素。

滤网监测一般采用两种方式：一种是实际监测滤网的容尘量，这种方法对于传感器的要求相对高一些，一般需要高精度的压力传感器；另外一种是通过时间来估算滤网的容尘量，这种方法虽然不需要高质量的传感器，但是这种方式并不能非常准确的反应出滤网的堵塞情况。以下就基于第一种方式来说说压力传感器在新风机系统滤网堵塞状况监测中的应用，新风机系统中滤网工作原理大致如下图1所示：

图1 新风机系统滤网工作原理

如上图1所示，新风机系统中风机将空气从滤网前端的进风口鼓入，经过多重滤网过滤掉空气中含有的诸如灰尘、PM2.5颗粒、霉菌等有害物质之后，从滤网后端出风口输出成为较为干净的空气，空气在通过滤网的过程中，滤网前端和滤网后端会产生一个风机压差（全压差），并且这个压差会随着滤网堵塞状况出现较为明显的变化，因此，我们可以通过检测这个压差来了解系统的阻力特性（这个压差会随系统阻力的变化而变化）变化，也就是说在系统初始运行时先测得一个气压数据，然后通过定期检测压差并与这个基础数据比较来判断系统的阻力特性变化，这样就大致了解了系统的阻力特性，如有无局部阻塞等情况。滤网堵塞增加会引起这个压差变化，我们就通过检测滤网前端和滤网后端的压差，根据压差情况，结合新风机的输出风量，从而判断出滤网的堵塞状况，及时的告知用户什么时候清洗滤网，以便节能和减少污染。

在滤网堵塞检测的过程中，我们只需要检测滤网前后端的风压差值，根据实际测量的效果，滤网前后端的压差最大值都在1kPa(0.15PSI)以内（送风机的全压基本都在1500Pa以内），这样的压差值的变化范围比较小，因此就需要传感器具有较高的精度，同时也需要传感器的量程需要接近这个差值范围（量程接近可以得到较大的测量值变化），综合以上两点因素，我们选择SMI公司的SM5652系列压阻式压力传感器作为滤网前后端压差检测的传感器。

SM5652 系列为陶瓷基底贴装高稳定压阻式压力传感器芯片，利用陶瓷基板上的薄膜电阻进行零度校正、零点温度补偿和灵敏度温度补偿。SM5652 采用恒压激励，在恒压激励下对输出信号很容易进行放大，传感器实物如下图2所示。

图2 SM5652传感器实物图片

SM5652系列硅压力传感器使用DIP封装结构，提供长、短两种接口型号，在0~60°C都具有良好的温度补偿设计，性能好、可靠性高、耐冲击性强，同时该系列传感器还提供多种压力量程的型号产品（量程有0.15PSI、0.3PSI、0.8PSI、1.5PSI），满足-40°C~+125°C的宽温度工作及存储范围。因此，该传感器被广泛应用于精密度较高且需要低压力测量范围的产品，诸如医疗设备（如呼吸机）、HVAC（空调系统）、液位检测设备、流量检测设备、工业控制设备等产品。

综合SM5652的特性及本应用中的测量范围，我们选择SM5652-001-D-3-LR型号的传感器，这个型号的传感器是差压型，标定量程0.15PSI/1.0kPa，采用DC-10V的电压源激励，这里使用常见的可调压输出线性稳压芯片，本设计中选用的是LM317来产生DC-10V电压激励源，以模拟信号输出（0.15PSI量程传感器输出信号幅值最小23.75mV，最大26.25mV,标称满量程输出范围是24.5mV~25.5mV），全量程输出最大变化范围只有2.5mV，在本设计的新风机中，实际测量滤网前后的压差变化最大可以使得传感器达到最大1.2mV左右的输出变化，因此需要对输出的信号电压进行放大之后才能被新风机系统使用的MCU识别，为了简化电路，这里我们选择使用TI公司的INA128UA型精密低功耗仪表放大器来对信号进行放大处理（集成型专用仪表运放），并综合SM5651/SM5652传感器的数据手册中的应用电路以及INA128UA的参考应用电路，设计如下图3的应用电路原理图以及图4的PCB板图：

图3 传感器和信号处理电路原理图

图4 传感器PCB板图

如上图3所示，设计中使用的INA128UA属于集成仪表运放，信号处理增益通过可调电阻VR2调节即可，SM5652传感器输出的信号经过仪表运放INA128UA之后输出V_OUT信号，这个信号可以被新风机系统使用的MCU识别，通过处理这个信号，将新风机系统运行过程中的测量信号与出厂设定值进行比较，即可得到滤网堵塞状况，从而实现新风机系统滤网堵塞状况监测。

这里需要注意传感器的两个气管的连接方式，基板上有数字的那个气管需要接正气压，另一个接负气压（这里的正、负气压只是来两者间的气压大与小），因此，在新风机系统中，我们需要把正气压接口的气管放置于滤网前端，负气压接口放置于滤网后端，这样才能正常的监测滤网前后端的气压差，接口连接方式如下图5所示。

图5 传感器接口连接方式

可替换器件选型：

1、本设计中的LM317可调线性稳压芯片：可以替换成为诸如圣邦微的SGM61410同步降压转换器来产生DC-10V激励源。

2、 INA128UA仪表运放芯片：可以使用诸如圣邦微的SGM8291/ SGM8292/ SGM8294这类高精度运放来搭建差分放大电路对传感器的输出信号进行处理。

选型器件参考：

SM5652-001-D-3-LR型传感器选型参考：https://www.sekorm.com/doc/35891.html

SM5652型传感器应用参考：https://www.sekorm.com/news/61229236.html

LM317型可调线性稳压芯片选型参考: https://www.sekorm.com/doc/79711.html

SGM51410型同步降压转换器芯片选型参考： https://www.sekorm.com/doc/1015343.html

SGM8291/SGM8292/SGM8294芯片选型参考：https://www.sekorm.com/doc/64371.html

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