Differential Pressure-Sensor

سنسورهای فشار و نحوه کار آنها

پیش از پرداختن به بحث سنسورهای فشار و نحوه کار آنها ، به شرح مختصری در خصوص گیج‌های فشار پرداخته می‌شود. بر خلاف سنسورهای فشار که مقدار فشار را به شکل سیگنال در خروجی تبدیل می‌کنند، گیج‌های فشار، مقدار فشار را به صورت فیزیکی نمایش می‌دهند. گیج‌های فشار به دلیل ساختار ساده، فاقد رابط‌ PLC یا ECM هستند اما بسیار پرکاربرد و قابل اطمینان می‌باشند. پرکاربردترین گیج های فشار عبارتند از:

1- مانومتر (Manometer)

2- گیج‌های دیافراگمی (Diaphragm Gauge)

3- گیج‌های بوردون (Bourdon-Tube Gauge)

در ادامه، ساختار گیج‌های فوق بررسی خواهد شد.

مانومتر (Manometer)

مانومترها که برای اولین بار در سال 1634 مورد استفاده قرار گرفتند، ابزارهایی برای اندازه‌گیری فشار می‌باشند. مانومترها، دارای ساختار بسیار ساده‌ای هستند و به همین دلیل، برای کاربردهایی نظیر کلاس‌های درس، آزمایشگاه‌ها و حتی کوره‌هایی با راندمان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مزایای مانومترها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

-عدم وجود قطعات مکانیکی متحرک

-عدم نیاز به کالیبراسیون

-عدم نیاز به منبع تغذیه

یکی از پرکاربردترین انواع مانومتر، مانومتر U شکل (U-Tube Manometer) است. در این مانومتر از یک عدد لوله شیشه‌ای به شکل “U” استفاده می‌شود که درون آن، تا ارتفاع مشخصی، با مایعی پر می‌شود. در مانومترهای اولیه، به دلیل چگالی بالا و کشش سطحی، از جیوه به عنوان سیال استفاده می‌گردید. اما امروزه از سیال‌های مختلفی در مانومترها استفاده می‌شود. سیال‌هایی با چگالی بالا (نظیر جیوه) برای اندازه‌گیری اختلاف فشارهای بالا مناسب‌تر هستند اما به دلیل چگالی بالا، دقت اندازه‌گیری آنها پایین است در حالیکه دقت اندازه‌گیری مانومترهایی که با سیالات چگالی پایین (نظیر آب)، عمل می‌کنند، بسیار بالا است اما ایراد آنها قادر به اندازه‌گیری اختلاف فشارهای بالا نمی‌باشند. در حالت عادی، اختلاف فشار در دو لوله یکسان بوده و به همین دلیل سیال در حالت تعادل قرار دارد. با افزایش فشار در یک سمت لوله، سیال به سمت دیگر رفته و مقدار اختلاف فشار نمایش داده می‌شود. با کاهش فشار، سیال در جهت عکس جابجا خواهد شد. در تصاویر بعد، این موضوع نمایش داده شده است.

نحوه عملکرد مانومتر U شکل
نحوه عملکرد مانومتر U شکل

 

برخی از محدودیت‌های مانومترها عبارتند از:

-لوله شیشه‌ای آنها در مقابل ضربه آسیب‌پذیر است.

-در یک محدوده دمایی خاص، عملکرد مناسبی دارند.

حتما باید به صورت تراز و در محلی ثابت نصب شوند و به همین دلیل نمی‌توان آنها را ماشین‌آلاتی که حرکت می‌کنند نصب نمود.

 

گیج دیافراگمی (Diaphragm Guage)

نوع دیگری از ابزارهای اندازه‌گیری فشار، گیج‌های دیافراگمی هستند. این نوع گیج‌ها دارای یک دیافراگم هستند که توسط اهرم و مکانیزم مخصوص، به عقربه گیج متصل است. با وارد شدن فشار به دیافراگم،  دیافراگم حرکت کرده و باعث به حرکت درآمدن عقربه و نمایش میزان فشار می‌شود. به دلایل زیر، این نوع گیج‌ها بسیار پرکاربرد هستند:

-نیاز به منبع تغذیه نداشته و قرائت آن آسان است.

-این نوع گیج قادر است فشارهای پایین (در حد 0.2Psi ) را با دقت بالا نمایش دهد.

از سوی دیگر، این نوع گیج دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشد که برخی از آنها عبارتند از:

-حرکت و یا ارتعاش، باعث پرش عقربه می‌شود.

-درصورت افزایش بیش از حد فشار، دیافراگم دچار ترکیدگی خواهد شد.

سیالات خورنده باعث خرابی دیافراگم می‌شوند.

 

نحوه عملکرد گیج دیافراگمی
نحوه عملکرد گیج دیافراگمی

 

 

گیج بوردون (Bourdon-Tube Gauger)

گیج‌های بوردون که برای اولین بار در سال 1850 اختراع شدند، هنوز به عنوان یکی از محبوب‌ترین گیج‌های فشار، مورد استفاده قرار می‌گیرند. بر خلاف گیج‌های دیافراگمی  که برای اندازه‌گیری فشارهای کم بسیار مناسب هستند، گیج‌های بوردون می‌توانند فشارهای بسیار بالا تا 100000  Psi را نمایش دهند اما قادر به نمایش فشارهای کمتر از 8.7  Psi نمی‌باشند. ساختار گیج‌های بوردون بسیار شبیه گیج‌های دیافراگمی است با این تفاوت که در داخل آنها به جای دیافراگم، از یک عدد لوله  با سطح مقطع بیضی شکل، استفاده شده است که یک سمت آن به ورودی گیج و سمت دیگر آن با استفاده از لینک مکانیکی و چرخ‌دنده به عقربه گیج متصل می‌شود. با افزایش فشار درون لوله (فشار اندازه‌گیری) نسبت به فشار خارج لوله (فشار مرجع)، لوله به آرامی تغییر شکل داده و باعث انحراف عقربه و نمایش میزان فشار می‌شود.

 

نحوه عملکرد گیج بوردون
نحوه عملکرد گیج بوردون

 

 

سنسور فشار (Pressure Sensor)

سنسورهای فشار، گروهی از سنسورها هستند که فشار را در نقاط مختلف ماشین‌آلات،اندازه‌گیری کرده و متناسب با میزان فشار، سیگنال الکتریکی خاصی را در خروجی خود تولید می‌کنند. سنسورها کاربردهای متفاوتی دارند که می‌توان به مثال‌های زیر اشاره نمود:

-اندازه‌گیری فشار گاز در مخازن

-اندازه‌گیری فشار روغن هیدرولیک

-اندازه‌گیری فشار باد تایر در خودروها

-اندازه‌گیری میزان کرنش در فونداسیون پل‌ها و ساختمان‌ها

-اندازه‌گیری سطح مایعات درون مخزن (با اندازه‌گیری فشار در کف مخزن)

-اندازه‌گیری فشار روغن در موتورهای احتراق داخلی

سنسورهای فشار در انواع مختلف و با تکنولوژیهای متفاوتی برای اندازه‌گیری فشارتولید می‌شوند که در ادامه به بررسی مدلهای مختلف و پرکاربرد آنها پرداخته خواهد شد.

 

 

سنسور فشار ظرفیت متغیر (Variable Capacitance Pressure Sensor)

بسیاری از سنسورهای فشار مدرن از تغییرات انحناء یک دیافراگم برای اندازه‌گیری میزان فشار استفاده می‌کنند. دیافراگم یک غشاء نازک و انعطاف‌پذیر است که دو ناحیه فشار را درون سنسور ایجاد کرده و این دو را از یکدیگر جدا می‌کند. یکی از این محفظه‌ها، در واقع ورودی سنسور  بوده که فشار ورودی به سنسور از این محل بر روی دیافراگم اعمال خواهد شد.  محفظه دیگر در واقع در داخل سنسور قرار دارد که بسته به نوع سنسور، یا این فضا با فشار مشخصی ایجاد می‌شود و یا فشار آن برابر فشار محیط خواهد بود. در داخل این نوع سنسور، دو عدد صفحه فلزی با هدایت الکتریکی بالا وجود دارد که یک عدد بر روی دیافراگم و صفحه دیگر در فاصله مشخصی از صفحه روی دیافراگم، نصب می‌شوند. با اتصال منبع تغذیه به سنسور، بار الکتریکی مشخصی در فضای بین این دو صفحه ایجاد خواهد شد. حال با تغییر فشار در یکی از محفظه‌های دو طرف دیافراگم، دیافراگم دچار انحناء (Deflection) می‌شود که این امر باعث نزدیک شدن دو صفحه و یا دور شدن آنها از یکدیگر خواهد شد. در هر دو حالت، ظرفیت الکتریکی بین دو صفحه تغییر خواهد کرد که این تغییر به صورت سیگنال الکتریکی مشخصی در خروجی سنسور ایجاد شده و بدین ترتیب فشار اندازه‌گیری و گزارش می‌شود. این نوع سنسورها دارای مزایا و معایبی هستند که عبارتند از:

مزایا:

-هیسترزیس بسیار پایین، یعنی اندازه‌گیری با سرعت بالا و تاخیر بسیار کم انجام می‌شود.

-در صورت استفاده صحیح، عمر کاری بالایی دارند.

معایب:

-در مقابل دمای محیطی بالا، آسیب پذیر هستند.

-در مقابل حرکت، بخصوص ارتعاشات و شتاب، آسیب پذیرند.

در تصویر زیر، وضعیت دیافراگم و فاصله صفحات در حالت‌های مختلف نمایش داده شده است.

 

نحوه عملکرد سنسور فشار ظرفیت متغیر
نحوه عملکرد سنسور فشار ظرفیت متغیر

 

کرنش سنج (Strain Gauge)

کرنش سنج‌های الکتریکی که با نام سنسور نیرو (Force Sensor) نیز شناخته می‌شوند، المانهایی بسیار حساس و تطبیق‌پذیر هستند که برای اندازه‌گیری میزان نیرو در اجسام صلب (نسبتا صلب) نظیر بال هواپیما یا فونداسیون‌های بتنی یا فولادی سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. اصول کاری کرنش‌سنج‌های الکتریکی مبتنی بر تغییر مقاومت آنها است. مقاومت الکتریکی آنها، نظیر یک سیم هادی، با افزایش طول و نیز کاهش سطح مقطع، افزایش می‌یابد. کرنش‌سنج‌ها، ساختار بسیار ساده‌ای دارند و از قرار گرفتن فیلامان‌های (باریکه‌های مسی) بسیار نازک با پهنای حدودی 0/025 میلیمتر، بر روی یک دیافراگم بسیار نازک (Foil Diaphragm) ساخته می‌شوند. پس از نصب کرنش‌سنج در محل مورد نظر، ولتاژ مشخصی به آن اعمال می‌شود. حال با اعمال نیرو بر المان مورد نظر، دیافراگم تغییر فرم خواهد داد که بسته به نوع بار اعمالی، باریکه‌های مسی کشیده و یا فشرده خواهند شد که این امر باعث تغییر در ضخامت و یا طول باریکه‌ها و نهایتا تغییر مقاومت آنها خواهد شد. در شکل بعد، مقاومت کرنش سنج در سه حالت بدون بار، بار کم و بار زیاد نمایش داده شده است.

 

تغییر مقاومت خروجی کرنش سنج تحت بارهای متفاوت
تغییر مقاومت خروجی کرنش سنج تحت بارهای متفاوت

 

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌شود، تغییرات مقاومت یک عدد کرنش‌سنج بسیار بسیار کم و در حد چند میکرو‌اهم است، بنابراین اندازه‌گیری آن دشوار و به تبع آن خطای اندازه‌گیری نیز زیاد خواهد بود. به همین دلیل بیشتر کرنش‌سنج‌ها از ترکیب چهار عدد کرنش‌سنج و با ساختار پل وتستون (Wheatstone Bridge) به صورت یکپارچه بر روی یک دیافراگم تولید می‌شوند. پل وتستون، مداری است که قادر است با دقت بالا، تغییرات مقاومت را اندازه‌گیری کند. بر خلاف یک کرنش‌سنج که خروجی آن از نوع مقاومتی است، خروجی پل وتستون از نوع ولتاژ (چندین میلی ولت) است.  ابعاد کوچک، قیمت پایین و ساختار مقاوم، از مزایای کرنش‌سنج‌ها است. از سوی دیگر تاثیر‌پذیری از دما و رطوبت و نیز تمایل به انحراف در استفاده‌های مکرر، جزء معایب این المانها می‌باشد. در شکل بعد ساختار کرنش‌سنج در پل وتستون نمایش داده شده است.

 

خروجی کرنش سنج در ساختار پل وتستون
خروجی کرنش سنج در ساختار پل وتستون

 

سنسورهای پیزوالکتریک (Piezoelectric Sensors)

کلمه پیزو (Piezo) یک واژه یونانی و به معنی فشردن (Press) و چلاندن (Squeeze) است. برخی مواد نظیر، کوارتز (Quartz)، توپاز (Topaz)، برخی سرامیک‌ها و … به صورت طبیعی دارای خواص پیزوالکتریک هستند. این مواد چنانچه فشرده شوند، جریان الکتریکی محدودی تولید می‌کنند. سنسورهای پیزوالکتریک اغلب از یک غشاء (Membrane) نازک که بر روی یک دیسک پیزوالکتریک فشرده می‌شوند، تشکیل می‌شوند. ولتاژ تولید شده حاصل از فشرده شدن مواد پیزوالکتریک، توسط یک تقویت کننده، افزایش داده می‌شود تا کاربر بتواند بدون خطا، از این سیگنال تولید شده استفاده کند و به همین دلیل این سنسورها، به منبع تغذیه جداگانه نیاز خواهند داشت. در شکل بعد افزایش میزان خروجی ولتاژ نسبت به افزایش فشار اعمالی بر سنسور پیزوالکتریک نمایش داده شده است.

 

تغییرات خروجی سنسور پیزوالکتریک نسبت به تغییر بار اعمالی
تغییرات خروجی سنسور پیزوالکتریک نسبت به تغییر بار اعمالی

 

در سنسورهای پیزوالکتریک متداول، عمدتا از سرامیک و یا کریستال (Crystal) به عنوان ماده پیزوالکتریک استفاده می‌شود. سنسورهای پیزوالکتریک سرامیکی بسیار حساس‌تر از سنسورهای کریستالی بوده و نسبت به آنها نیز ارزان‌تر هستند اما به مرور زمان و به خصوص در مجاورت دما‌های محیطی بالا، دچار افت (Degrade) می‌شوند.

برخلاف سنسورهای سرامیکی، عمر سنسورهای سرامیکی بسیار بالا بوده و چنانچه به صورت صحیحی نصب و مورد بهره‌برداری قرار گیرند، تقریبا میتوان به صورت مادام‌العمر از آنها استفاده نمود.

در ادامه روش‌های اندازه‌گیری و واحد‌های متداول فشار مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

 

فشار مطلق (Absolute Pressure) و فشار گیج (Gauge Pressure)

در شکل زیر، دو عدد مانومتر نمایش داده شده است. همانگونه که در تصویر مشاهده می‌شود در مانومتر سمت راست، ارتفاع مایع در هر دو ستون برابر است اما در مانومتر سمت راست، ارتفاع مایع در ستون سمت راست بالاتر از ارتفاع مایع در ستون سمت چپ است.

دلیل این امر این است که دو مانومتر با دو مقیاس متفاوت، یعنی “فشار گیج” و “فشار مطلق”، کالیبره شده‌اند. در ادامه به بررسی این دو مقیاس اندازه‌گیری فشار پرداخته خواهد شد.

 

 

مانومتر فشار مطلق و فشار گیج
مانومتر فشار مطلق و فشار گیج

 

فشار مطلق (Absolute Pressure)

سنسورهای فشاری که با مقیاس “فشار مطلق” کالیبره شده‌اند، در سطح دریا، فشار را معادل 14.7 Psi یا 101.325 kPa نمایش می‌دهند. این سنسورها، تنها در شرایط خلاء، فشار صفر را نمایش خواهند داد. در شکل بعد، در سمت چپ، یک عدد مانومتر که با مقیاس “فشار مطلق” کالیبره شده است، در شرایط نرمال اتمسفری قرار دارد و مشاهده می‌شود که که فشار 14.7 Psi را نمایش می‌دهد. در سمت راست، همان مانومتر در شرایط خلاء کامل قرار داده شده که فشار صفر را نمایش می‌دهد. سنسور فشار اکثر هواپیماها با مقیاس مطلق کالیبره شده‌اند.

 

مانومتر کالیبره شده با مقیاس فشار مطلق
مانومتر کالیبره شده با مقیاس فشار مطلق

 

فشار گیج (Gauge Pressure)

فشار طبیعی اتمسفر در سطح دریاهای آزاد به صورت استاندارد 14.7Psi، معادل 101.325 kPa ، پذیرفته شده و مورد تایید است. فشار اتمسفر با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد. در ارتفاع‌های پایین (در محدوده اتمسفر زمین)، به ازاء هر 100 متر افزایش ارتفاع، فشار به میزان 0.174 Psi یا  1.2 kPa کاهش خواهد یافت. سنسورهای فشاری که با مقیاس “فشار گیج” کالیبره شده‌اند، فشار را در سطح دریا، صفر نشان می‌دهند و این بدان معنی است که گیج در فشار طبیعی اتمسفر قرار دارد. در شکل زیر یک عدد مانومتر که در فشار نرمال اتمسفر قرار دارد، نمایش داده شده است و مشاهده می‌شود که ارتفاع ستون آب در هر دو لوله سمت راست و چپ برابر و مقابل عدد صفر قرار دارد.

 

مانومتر کالیبره شده با مقیاس فشار گیج
مانومتر کالیبره شده با مقیاس فشار گیج

 

فشار خلاء (Vaccuum Pressure)

از آنجا که بیشتر سنسور‌های فشار، با مقیاس “فشار گیج” کالیبره شده‌اند، لذا در شرایط فشار نرمال اتمسفر و در سطح دریا، مقدار 14.7 Psi و یا 101.325 kPa را نادیده گرفته و مقدار صفر را نمایش می‌دهند.

حال چنانچه این سنسورها در شرایطی قرار گیرند که فشار کمتر از مقدار استاندارد 14.7 Psi و یا 101.325 kPa قرار گیرند، مقدار فشار را به صورت منفی نمایش خواهند داد که این فشار با عنوان فشار خلاء شناخته می‌شود.

باید توجه نمود که خلاء کامل زمانی است که یک سنسور فشار که با مقیاس “فشار مطلق” کالیبره شده، عدد صفر را نمایش دهد. در شکل زیر یک مانومتر که با مقیاس “فشار گیج”، کالیبره شده و در محیطی که فشار آن کمتر از فشار نرمال اتمسفر قرار دارد را نمایش می‌دهد.

 

مانومتر تحت فشار خلاء
مانومتر تحت فشار خلاء

 

در بسیاری از موارد “فشار گیج” را با Psig و یا kPag و “فشار مطلق” را با Psia یا kPaa نمایش می‌دهند. این در حالی است که روش صحیح نمایش استفاده از واژه‌های کامل Gauge یا Absolute بعد از واحد فشار است. برای مثال می‌توان به Psi gauge  یا kPa absoute اشاره نمود.

 

فشار تفاضلی (Differential Pressure)

در بسیاری از موارد، و با توجه به کار، باید اختلاف فشار دو منطقه نسبت به یکدیگر باید مورد سنجش قرار گیرد. این اختلاف فشار که با عنوان فشار تفاضلی شناخته می‌شود، در یک مقیاس مشخص، “فشار گیج” و یا “فشار مطلق” ، و توسط سنسور مخصوص که دارای دو ورودی است، اندازه‌گیری می‌شود. در شکل زیر یک عدد سنسور فشار تفاضلی نمایش داده شده است:

 

سنسور فشار تفاضلی
سنسور فشار تفاضلی

 

واحد‌های فشار (Pressure Units)

نظیر هر پارامتر دیگری، برای فشار نیز واحد‌های مختلفی وجود دارد. واحد اندازه‌گیری فشار در سیستم انگلیسی،  پوند نیرو بر اینچ مربع است که به اختصار “Psi” نامیده می‌شود.

در سیستم متریک، فشار با واحد پاسکال (Pa) اندازه‌گیری می‌شود. هر پاسکال حاصل اعمال نیروی یک نیوتن بر سطح یک متر مربع است. از آنجا که یک پاسکال بسیار کوچک است، در صنعت از کیلو پاسکال (kPa) یا مگا پاسکال (Mpa) برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌شود.

بار (Bar) یکی از واحد‌های بسیار پرکاربرد اندازه‌گیری فشار است.

1 bar = 101325 Pa = 14.5 Psi

لازم به ذکر است که واحد “بار”، تنها واحدی است که جزو سیستم متریک یا سیستم انگلیسی نیست.

امید است مطالب مربوط به سنسورهای فشار و نحوه کار آنها ، مفید بوده باشد. چنانچه در مورد سنسورهای فشار و نحوه کار آنها ، سوال خاصی دارید، می‌توانید با بخش فنی شرکت آلتون سگال تماس حاصل فرمایید.

در صورت تمایل میتوانید سنسورهای فتوالکتریک را در اینجا و سنسور اثر هال را در اینجا مطالعه فرمایید.

در مورد سنسورهای فشار و نحوه کار آنها ، چند فیلم آموزشی نیز تهیه شده که به زودی در کانال این شرکت در آپارات قرار خواهند گرفت.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *