تجهیزات اندازه گیری فشار

در ادامه اطلاعاتی را برای کمک به شما در درک مفاهیم اساسی فشار و نحوه عملکرد سنسور فشار فراهم می کند. شما می توانید طبق کارکرد از بین سنسورهای فشار مختلف یکی را انتخاب کنید که هرکدام اصول عملکرد، مزایا، ملاحظات و اشکالات خاص خود را دارند. علاوه بر ویژگی های سنسور، برای تهویه مناسب و به دست آوردن اندازه گیری فشار ، باید سخت افزار مورد نیاز را نیز در نظر بگیرید. به عنوان مثال، سنسورهای فشار بی قید و شرط نیاز به تحریک ولتاژ دارند که فقط در سخت افزارهای اندازه گیری خاص موجود است.

فشار چیست؟

فشار به عنوان نیرویی در واحد سطح تعریف می شود که یک سیال به محیط اطراف خود وارد می کند. فشار (P) تابعی از نیرو (F) بر واحد سطح (A) است:        P = F/A

در استاندارد SI واحد فشار پاسکال (N / m2) است، اما سایر واحدهای فشار معمول شامل پوند بر اینچ مربع (psi) ، اتمسفر (اتمسفر)، بار ،اینچ جیوه (in. Hg)، میلی متر جیوه (mm) است.

اندازه گیری فشار را می توان بصورت استاتیک یا دینامیک توصیف کرد. فشار در موارد بدون حرکت فشار ساکن یا استاتیک است. از جمله فشارهای ساکن یا استاتیک می توان به فشار هوای داخل بالون یا آب درون یک حوضچه اشاره کرد. غالباً، حرکت سیال نیرویی را که به محیط اطراف وارد می شود تغییر می دهد. برای مثال ، می توان گفت که فشار آب در یک شلنگ با مسیر بسته 40 پوند بر اینچ مربع است (نیرو در واحد سطح). اگر مسیر را باز کنید، با باز شدن مسیر آب فشار به مقدار کمتری کاهش می یابد. یک اندازه گیر فشار دقیق باید شرایطی را که تحت آن اندازه گیری انجام می دهد حفظ کند.

بسیاری از عوامل از جمله جریان، قابلیت فشرده شدن سیال و نیروهای خارجی می توانند فشار را تحت تأثیر قرار دهند.

روش های اندازه گیری فشار

بیشتر اندازه گیری فشار را می توان با نوع اندازه گیری انجام شده توصیف کرد. سه روش اندازه گیری فشار مطلق، گیج و دیفرانسیل (اختلاف فشار) وجود دارد. فشار مطلق به فشار موجود در خلاء گفته می شود، در حالی که فشارهای گیج و دیفرانسیل (اختلاف فشار) به فشار دیگری مانند فشار اتمسفر محیط یا فشار موجود در یک ظرف گفته می شوند.

فشار مطلق

فشار مطلق در اندازه گیری فشار به 0 Pa، فشار استاتیک در خلاء گفته می شود. فشار اندازه گیری شده علاوه بر فشار محرک مورد نظر توسط فشار اتمسفر نیز عمل می کند. بنابراین ، اندازه گیری فشار مطلق شامل تأثیرات فشار اتمسفر نیز است. این نوع اندازه گیری فشار برای اندازه گیری فشار در ارتفاع سنج ها و یا فشارهای خلاء  استفاده می شوند. اغلب از اختصارات Paa (مطلق پاسکال Pascal’s absolute) یا psia (پوند بر اینچ مربع مطلق pounds per square inch absolute) برای توصیف فشار مطلق استفاده می شود. در این روش از ترانسمیتر فشار استفاده می شود.

فشار گیج

فشار گیج نسبت به فشار جو (فشار اتمسفر) محیط اندازه گیری می شود. این بدان معناست که هم مرجع و هم فشار مورد نظر توسط فشارهای جو (فشار اتمسفر) عمل می کنند. بنابراین، اندازه گیری فشار گیج اثرات فشار جو (فشار اتمسفر) را از بین می برد. این نوع اندازه گیر های فشار شامل اندازه گیر فشار لاستیک و فشار خون است. مشابه فشار مطلق ، از اختصارات Pag (پاسکال گیج Pascal’s gauge) یا psig (پوند در اینچ مربع pounds per square inch gauge) برای توصیف فشار گیج استفاده می شود. در این روش از گیج فشار استفاده می شود.

اختلاف فشار

اختلاف فشار مشابه فشار گیج است. با این حال ، مرجع به جای فشار اتمسفر محیط، نقطه فشار دیگری در سیستم است. شما می توانید از این روش برای حفظ فشار نسبی بین دو محفظه مانند مخزن کمپرسور و یک خط تغذیه مرتبط استفاده کنید. همچنین، از اختصارات Pad (اختلاف پاسکال Pascal’s differential) یا PSID (پوند در اینچ مربع اختلاف pounds per square inch differential) برای توصیف اختلاف فشار استفاده می شود. در این روش از ترانسمیتر اختلاف فشار استفاده می شود.

سنسورهای فشار چگونه کار می کنند؟

شرایط مختلف اندازه گیری فشار به دامنه و مواد مورد استفاده در ساخت یک سنسور فشار که منجر به ایجاد انواع طراحی سنسور فشار می شود بستگی دارد. غالباً می توانید با تشخیص میزان انحراف روی دیافراگمی که در راستای مایع قرار دارد، فشار را به شکل مشخصی مانند جابجایی تبدیل کنید. سپس سنسور فشار این جابجایی را به یک خروجی الکتریکی مانند ولتاژ یا جریان تبدیل می کند. با توجه به منطقه شناخته شده دیافراگم سنسور فشار، می توانید فشار را محاسبه کنید. سنسورهای فشار با مقیاسی پکینگ می شوند که روشی را برای تبدیل به واحدهای مهندسی فراهم می کند.

سه نوع از مهمترین ترانسدیوسر های فشار عبارتند از استرین گیج، ظرفیت خازنی و پیزوالکتریک هستند.

استرین گیج

از بین تمام سنسور های فشار، سنسورهای پل وتستون Wheatstone (استرین گیج) متداول ترین سنسور های فشار هستند زیرا آنها راه حل هایی ارائه می دهند که با دقت اندازه گیری و محدودیت هزینه های مختلف مطابقت دارند. سنسور های فشار مبتنی بر پل وتستون می توانند فشار مطلق، گیج یا اختلاف فشار را در هر دو کاربرد فشار بالا و فشار پایین اندازه گیری کنند. سنسور فشار استرین گیج برای اندازه گیری فشار از خاصیت تغییر شکل دیافراگم تحت فشار وارد شده استفاده می کنند.

هنگامی که تغییر فشار باعث انحراف دیافراگم می شود، یک تغییر مربوطه در مقاومت پل وتستون ایجاد می شود، که می توانید با یک اندازه گیری DAQ اندازه گیری کنید. می توانید کرنش های فویل استرین گیج را مستقیماً به دیافراگم یا عنصری متصل کنید که از نظر مکانیکی به دیافراگم متصل شده است. از استرین گیج های سیلیکونی نیز بعضاً در این سنسور فشار استفاده می شود. برای این روش، مقاومت ها را روی یک بستر مبتنی بر سیلیکون سوار می کنید و از مایع انتقال دهنده برای انتقال فشار از دیافراگم به بستر استفاده می کنید.

سنسور فشار خاصیت خازنی

یک سنسور فشار خاصیت خازنی تغییر ظرفیت بین دیافراگم فلزی و یک صفحه فلزی ثابت را اندازه گیری می کند. در صورت تغییر فاصله بین این دو صفحه در اثر فشار وارد شده، ظرفیت بین دو صفحه فلزی سنسور فشار تغییر می کند.

سنسور فشار پیزوالکتریک

سنسور های پیزوالکتریک بیش از سنسور های پل وتستون مقاوم به ویژگی های الکتریکی بلورهای کوارتز متکی هستند. این کریستال ها در هنگام کشش ، بار الکتریکی تولید می کنند. الکترودها شارژ الکتریکی را از بلورها به یک تقویت کننده تعبیه شده در سنسور فشار منتقل می کنند. این سنسور ها نیازی به منبع تحریک خارجی ندارند، اما در برابر ضربه و لرزش حساس هستند.

سنسور فشار مشروط

سنسور هایی که شامل مدارهای مجتمع مانند تقویت کننده ها هستند، سنسور های تقویت شده نامیده می شوند. این نوع سنسور ها ممکن است با استفاده از ترانسدیوسر های استرین گیج، خازنی و یا پیزوالکتریک ساخته شوند. در مورد سنسور تقویت شده مبتنی بر استرین گیج، واحد مقاومتهای تکمیل کننده  تقویت لازم را برای اندازه گیری فشار مستقیم با دستگاه DAQ فراهم می کند. اگرچه هنوز باید تحریک ایجاد شود، اما دقت تحریک از اهمیت کمتری برخوردار است.

اصول کار سنسور فشار

یک سنسور فشار دارای یک سلول اندازه گیری است که فشار مکانیکی فشار اعمال شده را تبدیل می کند (یا تبدیل می کند) و نیرو را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. فشار در یک لوله، شیلنگ یا مجرای نیرو بر سلول اندازه گیری سنسور وارد می کند و باعث انحراف می شود که توسط یک مدار الکتریکی اندازه گیری می شود. سپس این اندازه گیری به جریان یا ولتاژ خروجی تبدیل می شود.

سنسورهای فشار را می توان در انواع مختلفی از کاربردها، از نظارت بر فشار گرفته تا تشخیص سطح و جریان، استفاده کرد.

اندازه گیری فشار انواع مختلفی دارد.

سنسورهای مطلق یک مرجع فشار صفر به فشار مطلق خواهند داشت. فشار مطلق نسبت به 0 Pa، یعنی فشار استاتیک خلاء تشخیص داده می شود. سنسور با یک پورت برای ورود سیال و اعمال فشار بر روی عنصر سنسور طراحی شده است. فشار اعمال شده یک تغییر مثبت در خروجی ایجاد می کند، به بزرگی متناسب با فشار اعمال شده است.

سنسورهای گیج یک مرجع فشار صفر به اتمسفر خواهند داشت. به طور کلی، اگر می خواهید فشاری را که تحت تأثیر تغییرات فشار اتمسفر است اندازه گیری یا کنترل کنید. این سنسور سبک در هر برنامه‌ای استفاده می‌شود که می‌خواهید بر شرایط جوی غلبه کنید تا یک کار تولید کنید یا خلاء را برای انجام نوع دیگری از کار بکشید. کاربردهای سنسورهای فشار گیج بسیار گسترده است. برخی از نمونه ها عبارتند از فشار تخلیه پمپ، فشار تخلیه شلنگ آتش نشانی، سطح مخزن، فشار بخار در یک دیگ بخار تجاری و بسیاری موارد دیگر.

سنسور های اختلاف فشار از دو سلول اندازه گیری استفاده می کنند. یکی برای فشار بالا و دیگری برای فشار پایین. اختلاف فشار سلول 1 – سلول 2 است. به یاد داشته باشید که اختلاف فشار، اختلاف فشار بین دو نقطه اندازه گیری است. شما می توانید فشارهای بسیار کم تا زیاد را در انواع رسانه های مختلف از جمله مایعات، گازها، آب، مبردها و هوا اندازه گیری کنید. کاربردهای متفاوت می تواند بسیار متنوع باشد، برخی از نمونه ها عبارتند از: فشار عرضه و برگشت در چیلر، ایستگاه های جریان هوا، سیستم های تشخیص نشت، سطح مخزن تحت فشار، ایزوله سازی بیمارستان یا اتاق های حفاظتی و بسیاری موارد دیگر.

درک تفاوت بین گیج و فشار مطلق برای اکثر کاربردها حیاتی است. به یاد داشته باشید که فشار گیج نسبت به فشار اتمسفر فعلی اندازه گیری می شود (با توجه به تغییرات فشار هوا تغییر می کند) و فشار مطلق نسبت به خلاء کامل اندازه گیری می شود. بنابراین، برنامه شما تعیین می کند که کدام یک از این رویکردها مورد نیاز است.

اصول حس کردن

اصل حسگری که توسط یک سنسور فشار استفاده می شود، می تواند بر دقت، قابلیت اطمینان، محدوده اندازه گیری و سازگاری با محیط هدف تأثیر بگذارد. 5 روش مختلف که جابجایی مکانیکی در داخل سنسور به خروجی الکتریکی تبدیل می شود:

• مقاومتی
• خازنی
• پیزوالکتریک
• نوری
• MEMS

مقاومتی

سنسورهای فشار مقاومتی از تغییر مقاومت الکتریکی یک کرنش سنج متصل به دیافراگم که در معرض فشار محیط است استفاده می کنند.

کرنش سنج ها اغلب شامل یک عنصر مقاومتی فلزی بر روی یک پشتیبان انعطاف پذیر هستند که به دیافراگم متصل شده یا مستقیماً با استفاده از فرآیندهای لایه نازک رسوب می کنند. دیافراگم فلزی قابلیت فشار بیش از حد و فشار انفجاری را دارد. در غیر این صورت، کرنش سنج ها را می توان با استفاده از فرآیند رسوب لایه ضخیم روی دیافراگم سرامیکی قرار داد. تحمل فشار بیش از حد و فشار ترکیدگی معمولاً بسیار کمتر از دستگاه های دیافراگمی فلزی است. سنسورهای پیزورمقاومتی از تغییر مقاومت مواد نیمه هادی در هنگام قرار گرفتن در معرض فشار ناشی از انحراف دیافراگم استفاده می کنند. بزرگی تغییر می تواند 100 برابر بیشتر از تغییر مقاومت ایجاد شده در یک گیج کرنش فلزی باشد. از این رو سنسورهای پیزومقاومتی می توانند تغییرات فشار کمتری را نسبت به سنسورهای فلزی یا سرامیکی اندازه گیری کنند.

خازنی

سنسورهای خازنی، که تغییر ظرفیت را با انحراف یک صفحه تحت فشار اعمال شده نشان می‌دهند، می‌توانند بسیار حساس باشند، می‌توانند فشارهای زیر 10mbar را اندازه‌گیری کنند و بارهای اضافه زیادی را تحمل کنند. با این حال، محدودیت در مواد، و الزامات اتصال و آب بندی، می تواند برنامه ها را محدود کند.

پیزوالکتریک

سنسورهای فشار پیزوالکتریک از خواص مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز برای ایجاد بار روی سطح هنگام اعمال فشار استفاده می کنند. مقدار بار متناسب با نیروی اعمال شده است و قطبیت جهت آن را بیان می کند. با تغییر فشار، شارژ به سرعت جمع می‌شود و از بین می‌رود و امکان اندازه‌گیری فشارهای دینامیکی با تغییر سریع را فراهم می‌کند.

نوری

سنسورهای نوری که از تداخل سنجی برای اندازه گیری تغییرات ناشی از فشار در فیبر نوری استفاده می کنند، توسط تداخل الکترومغناطیسی مختل نمی شوند و امکان استفاده در محیط های پر سر و صدا یا منابع نزدیک مانند تجهیزات رادیوگرافی را فراهم می کنند. آنها می توانند با استفاده از اجزای کوچک یا فناوری MEMS ایجاد شوند، می توانند از نظر پزشکی برای کاشت یا استفاده موضعی ایمن باشند و می توانند فشار را در چندین نقطه همراه با فیبر اندازه گیری کنند.

فناوری MEMS

سنسورهای MEMS (سیستم میکرو الکترومکانیکی) حاوی مکانیزم سنجش فشار پیزو یا خازنی هستند که بر روی سیلیکون با وضوح میکرون ساخته شده است. تجهیزات الکترونیکی تهویه سیگنال مشترک، خروجی الکتریکی MEMS با قدر کوچک را به سیگنال آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می کند. آن‌ها دستگاه‌های کوچکی هستند که روی سطح نصب می‌شوند، معمولاً فقط در حدود 2-3 میلی‌متر در هر طرف.

مراجع حسگر

همه سنسورهای فشار دارای یک نقطه مرجع هستند و انواع مختلفی از نقاط مرجع در دسترس هستند. نقطه مرجع به ثابت نگه داشتن نقطه صفر ترانسمیتر کمک می کند. بسته به کاربرد، ممکن است نیاز به استفاده از انواع مرجع فشار برای دستگاه باشد.

سنسورهای فشار مرجع خود را از طریق سوراخی در کنار، بالا یا پایین سنسور دریافت می کنند که معمولاً توسط یک ماده آبگریز مهر و موم شده است. از طرف دیگر، سنسورهای فشار می توانند مرجع خود را از طریق یک لوله دریچه دریافت کنند. این تنها راهی است که یک سنسور شناور می تواند مرجع خود را به دست آورد، مگر اینکه آب بندی یا مطلق باشد. این امر با داشتن یک لوله که از طریق کابل الکتریکی عبور می کند به دست می آید تا دریچه ای بین اتمسفر و قسمت پشتی سلول اندازه گیری ایجاد شود.

نحوه انتخاب نوع سنسور فشار مناسب

سنسورهای مبتنی بر اسرین گیج و یا پیزو الکتریک متداول ترین نوع سنسورها به دلیل ساختار ساده و دوام آن هستند. این به معنای هزینه کمتر است و آنها را برای سیستم های کانال بالاتر ایده آل می کند. به طور کلی، فشارهای اندازه گیری فویل استرین گیج در برنامه های فشار بالا (تا 700M Pa) استفاده می شود. آنها همچنین دمای عملیاتی بالاتری نسبت به سنسور فشار استرین گیج سیلیکونی دارند (به ترتیب 200 درجه سانتیگراد در مقابل 100 درجه سانتیگراد)، اما سنسور فشار استرین گیج سیلیکونی مزیت قابلیت بارگذاری بیشتر را دارند. از آنجا که سنسور فشار استرین گیج سیلیکونی حساسیت بیشتری دارند، اغلب در کاربردهای کم فشار (~2k Pa) ترجیح داده می شوند.

ترانسدیوسر فشار خازنی و پیزوالکتریک به طور کلی پایدار و خطی هستند، اما نسبت به دمای بالا حساس هستند و تنظیم آن از اکثر سنسور های فشار پیچیده تر است. سنسور های فشار پیزوالکتریک به سرعت به تغییرات فشار پاسخ می دهند. به همین دلیل، آنها برای اندازه گیری سریع فشار از حوادثی مانند انفجار استفاده می کنند. به دلیل عملکرد دینامیکی برتر، سنسور پیزوالکتریک کمترین هزینه را دارد و باید مراقب باشید تا از هسته بلوری حساس آنها محافظت کنید.

سنسورهای شرطی معمولاً گران ترند زیرا شامل اجزایی برای فیلتر کردن و تقویت سیگنال، که منجر به تحریک و مدارهای منظم برای اندازه گیری فشار می شوند، هستند. این روش برای سیستم های کانال پایین که یک سیستم تهویه سیگنال اختصاصی را ضمانت نمی کنند مفید است. از آنجا که تهویه مطبوع داخلی است، می توانید سنسور را مستقیماً به دستگاه DAQ متصل کنید به شرطی که به نوعی برق سنسور فشار را تأمین کنید. اگر با سنسور های مبتنی بر استرین گیج فشار غیر شرطی کار می کنید، سخت افزار شما به تهویه سیگنال نیاز دارد. اطلاعات سنسور را بررسی کنید تا بدانید که آیا به قطعات اضافی برای تقویت یا فیلتر کردن نیاز دارید.

تهویه سیگنال برای سنسورهای فشار

سنسورهای فشار مبتنی بر استرین گیج با اختلاف زیاد رایج ترین سنسور های فشار هستند. برای ایجاد یک سیستم اندازه گیری فشار مبتنی بر استرین گیج، باید چندین عنصر تهویه سیگنال را در نظر بگیرید. ممکن است به یک یا چند مورد زیر نیاز داشته باشید:

• القاء توان به مدار پل وتستون
• سنجش از دور برای جبران خطاهای موجود در ولتاژ تحریک از سیم های سرب بلند استفاده می شود.
• تقویت برای افزایش وضوح اندازه گیری و بهبود نسبت سیگنال به نویز
• فیلتر کردن برای حذف نویز خارجی با فرکانس بالا
• صفر کردن ولتاژ خروجی در صورت عدم وجود فشار
• کالیبراسیون شنت برای تأیید خروجی سنسور به یک مقدار مشخص و مورد انتظار

www.honeywell.com

www.sensorsmag.com

برای کسب اطلاعات بیشتر و مشاوره رایگان با شماره های 88341674-021 | 88341172-021 تماس حاصل فرمایید.

مقالات مرتبط