سنسور فشار چیست و چگونه عملکردی دارد؟

“سنسور فشار” که به آن “ترانسمیتر فشار” هم می گویند برای اندازه گیری فشار گاز یا مایع مورد استفاده قرار می گیرد. واحد اندازه گیری فشار در سیستم استاندارد SI، پاسکال(Pascal) است. یک پاسکال معادل یک نیوتن نیرو در یک متر مربع است. فشار را به نوعی می توان نیروی وارد بر سطح تعریف کرد. سنسورهای فشار برای کنترل و مانیتورینگ انواع مایعات و گازها مورد استفاده واقع می شوند. سنسورهای فشار قابلیت  اندازه گیری انواع متغیرها به صورت غیر مستقیم را نیز دارند.

! در این فیلم معرفی انواع ترانسمیتر های فشار و عملکرد آن ها نشان داده شده است. برای اطلاعات بیشتر لطفا علاوه بر مطالعه مقاله فیلم زیر را ببینید:

به عنوان مثال مواردی چون دبی سیال/ گاز، سرعت، سطح مایع و ارتفاع مخازن را می توان به عنوان ضریبی از فشار معرفی کرد. سنسورهای فشار از لحاظ تکنولوژی، طراحی، عملکرد، دقت، خروجی،کاربرد و قیمت با هم متفاوت می باشند. تاحدودی می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی ساخت و حداقل ۳۰۰ شرکت تولید کننده در سراسر جهان وجود دارد. هم چنین گروهی از سنسورهای فشار هستند که برای اندازه گیری حالت پویای (داینامیک) تغییرات سریع طراحی شده اند. به عنوان مثال می توان از کاربرد این نوع سنسورها ، اندازه گیری فشار احتراق سیلندر موتور و یا گاز توربین را ذکر کرد. این نوع سنسورها غالبا از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز تشکیل یافته اند.

عملکرد سنسور فشار چگونه است؟

یک سنسور فشار با تبدیل نیروی فشار به سیگنال کوچک الکتریکی که قابل انتقال و نمایش باشد کار میکند. طبق این عملکرد به این سنسورها ترانسمیتر (فرستنده) فشار هم گفته می‌شود. معمولا دو سیگنال، یکی سیگنال جریانی در محدوده‌ی 4 تا 20 میلی‌آمپر و دیگری سیگنال ولتاژ در محدوده‌ی 0 تا 10 ولت، بیشترین کاربرد را دارند.

ساختار سنسورهای فشار چگونه است؟

ساختار سنسور را می توان براساس اصول عملکرد آن (مطلق، گیج و اختلافی) دسته بندی کرد. سنسور فشار مطلق، فشار نسبت به خلا سنجیده می شود. این نوع سنسورها ممکن است به‌ گونه ای طراحی شود که با توجه به موقعیت نصب (روی بُرد یک مدار یا تابلو(Panel))، به فشار اعمال شده از طرف بالا یا طرف پایین واکنش دهد. مانند مواردی که در ساخت یک پورت برای ورود فشار از طرف بالا استفاده می شود، ممکن است  ورودی از سمت بالا سنسور را در معرض خطراتی مانند صدمات فیزیکی یا آلودگی توسط غبار و رطوبت قرار دهد، بنابراین می توان از سنسوری با ورودی از سمت پایین استفاده کرد.

طراحی سنسور گیج معمولا به صورتی انجام می گردد که همزمان فشار اتمسفری به یک سمت و فشار به سمت دیگر را اندازه گیری کند. این درصورتی است که یک سنسور اختلافی دارای دو پورت می باشد و از طریق آن‌ها هر کدام از فشارهای مورد اندازه‌گیری با المان اندازه‌گیری در تماس هستند. به عبارت دیگر سنسور های گیج، فشار را نسبت به محیط و فشار محیط اندازه گیری می کنند نه به صورت مطلق. تصویر زیر ساختار سنسورهای گیج و اختلافی را با یکدیگر مقایسه می‌کند.

اصول کاری در یک سنسور فشار چیست؟

اصول کاری یک سنسور فشار طبق واکنش فیزیکی نسبت به فشار اعمالی می باشد. سنسور فشار تغییرات نسبی به وجود آمده را به صورت الکتریکی اندازه کرده و برای این هدف از پدیده‌هایی مانند تغییر در ظرفیت خازنی، تغییر در مقاومت اهمی یک استرین‌گیج یا کرنش‌سنج (Strain Gauge) و عنصر پیزوالکتریک استفاده می‌کند. تمام این تغییرات با توجه به دامنه انحراف پس از اعمال فشار می باشند.

سنسور فشار خازنی چگونه عملکردی دارد؟

سنسور فشار خازنی متشکل از یک خازن می باشد که دارای یک صفحه صلب (Rigid) و یک دیافراگم انعطاف‌ پذیر به عنوان الکترود می باشد. مساحت این الکترودها ثابت است، در نتیجه ظرفیت خازنی با توجه به فاصله بین الکترودها تغییر می‌کند. فشاری که مد نظر است و باید اندازه‌گیری شود روی دیافراگم انعطاف پذیر اعمال می‌گردد. در نتیجه انحراف حاصل موجب بروز تغییر در ظرفیت خازنی می‌گردد بنابراین می‌توان آن را توسط یک مدار الکتریکی اندازه‌گیری نمود.

سنسورهای فشار استرین‌گیج چگونه عملکردی دارند؟

در سنسور فشارسنج نوع استرین‌گیج از فویل یا استرین‌گیج‌های سیلیکونی به صورت یک پل وتسون استفاده شده است. پل وتسون راهی برای تبدیل تغییر مقاومت به تغییر ولتاژ می باشد. استرین‌گیج به دیافراگمی متصل می باشد که زمانی که فشار اعمال می شود، دیافراگم هم منحرف می‌ گردد. در نتیجه این انحراف در مقاومت استرین‌گیج تغییر ایجاد می شود. در نهایت مدار پل وتسون سیگنال حاصل را اندازه‌گیری، تقویت و پردازش می‌ کند. نکته مهم اینجاست که در کاربردهای عملی تغییر مقاومت کاملا ناچیز می باشد و نویز و اغتشاش زیادی نیز وجود دارد.بنابراین نیاز به فیلترای الکترونیکی خاص برای رفع نویزها می باشد. بدین ترتیب خروجی مناسب (جریان یا ولتاژ) تولید می‌گردد. در شکل زیر، دیاگرام سنسور فشار استرین‌گیج نشان داده شده است.

سنسور‌های فشار پیزو رزیستیو چگونه عمل می کنند؟

پیزو رزیستیو (Piezo resistive) نیز می‌تواند به عنوان یک المان اندازه گیری در قالب یک پل به کار رود. در یک سنسور فشار المان اندازه‌گیری به عنوان یک پل به گونه ای به یک دیافراگم منعطف متصل می باشد تا مقاومت طبق دامنه انحراف دیافراگم متغیر باشد. در اینصورت خطی بودن سنسور به پایداری دیافراگم حین اندازه‌گیری و همچنین خطی بودن استرین گیج و عناصر پیزورزیستیو وابسته می باشد.

 سنسورهای ممز (MEMS) چگونه عملکردی دارند؟

با توجه به توضیحات داده شده در مورد عملکرد سنسور فشار، پیزورزیستیو یا خازنی، احتمالا این تصور پیش می آید که همچون اکثر تجهیزات یا ماژول‌های الکترونیکی این قطعات باید نسبتاً بزرگ باشند. این درصورتی است که برخلاف این تصور یک مکانیزم اندازه‌گیری فشار خازنی یا پیزو را می‌توان روی سیلیکون و در ابعاد کوچک در حد میکرو متر نیز پیاده‌سازی کرد که به آن‌ها سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (Micro Electro Mechanical System) یا (MEMS) می‌گویند. تجهیزات ممز علاوه بر سنسورهای فشار، سنسور حرکت، موقعیت و میکروفون‌های سیلیکونی را نیز شامل می‌شود. این تجهیزات بسیار کوچک، پایدار و مقرون به‌ صرفه می باشند و برای مواردی که فضا و هزینه محدود می باشد استفاده می شوند. از جمله این کاربردها می توان موبایل‌ها و تجهیزات اینترنت اشیا (IOT) را نام برد.

نکات مهم در انتخاب یک سنسور فشار چیست؟

• برای انتخاب سنسور فشار یکی از اساسی ترین موارد قابل ملاحظه دامنه و محدوده فشاری است که می خواهیم برای آن سنسور انتخاب کنیم.
• نوع فشار موردی است که باید هنگام انتخاب سنسور به آن دقت کرد، فشار گیج بیشتر در فشار اتمسفریک که به عنوان نقطه مرجع یا نقطه صفر شناخته می شود.
• نوع خروجی سنسور فشار و رنج آن
• دقت سنسور نکته ای است که قیمت آن را تعیین می کند. هرچه دقت بالاتر باشد هزینه نیز بیشتر می شود.
• رزولوشن نکته ی کاربردی است که کاربران حین انتخاب سنسور فشار باید مد نظر قرار دهند.
• طول عمر و تکرار پذیری و مدت زمانی که میخواهید از سنسور استفاده کنید نیز موردی است که باید درنظر بگیرید.
• درجه حفاظت سنسور (IP)  سطح ایمنی سنسور
• نوع کانکشن و اتصالات سنسور هم از نظر الکتریکی و هم از نظر مکانیکی
• محیط کاربری که می خواهید از سنسور در آن استفاده کنید. در یک محیط داخلی یا خارجی و یا در یک منطقه مملو از نویزهای الکترو مغناطیسی از قبیل پمپ ها یا موتورها در هر صورت باید از از محل نصب سنسورها و حفاظت کابل ها اطمینان حاصل کنید.

کاربردهای سنسورهای فشار در صنعت چیست؟

سیستم‌ های بخار

سنسورهای فشار برای اندازه‌گیری فشار بخار در سیستم‌های بخارکاربرد دارند. به اینصورت که این بخارها غالبا برای تولید گرما در بعضی از فرآیندهای یک خط تولید ایجاد می‌شوند. فشارسنج علاوه بر مشاهده و اندازه‌گیری فشار می‌تواند زمانی که بخار به درجه حرارت معین خود رسیده و پس از آن با دمای ثابت وارد چرخه تولید می شود را کنترل و اندازه گیری می کند.

با استفاده از یک سنسور فشار به عنوان یک دستگاه ورودی در سیستم‌ها ی صنعتی که در نتیجه فرآیند خود تولید بخار با فشار زیاد را دارند، می توان بخارهای داغ که در خطوط انتقال‌شان فشار تولید می کنند را توسط یک دریچه‌ی باز و بسته‌ شونده‌ مخصوص کنترل کرد تا از فشار بخار که منجر به اتفاقات خطرناکی می شود جلوگیری به عمل آید. این کار با استفاده از یک برنامه‌ی ساده‌ی PLC قابل انجام است.

فیلترها

سنسورهای فشارسنج در مجاورت بسیاری از فیلترها در فرآیندهای صنعتی نیز کاربرد دارند. با توجه به کاهش جربان مایع یا گاز یا … درزمانی که فیلتر کیپ می‌شود، می توان با استفاده از سنسور فشار در مسیر فیلتر ها متوجه شد که فیلتر کیپ شده و نیاز به تمیزشدن یا تعویض دارد.

اندازه گیری سطح با سنسورهای فشار سنج

یک منبع که در حال پر شدن می باشد را نظر بگیرید، با استفاده از مقدار فشار هیدرواستاتیکی که توسط سنسور فشاراندازه‌گیری می‌شود و انجام محاسبات ریاضی روی این فشار و حجم تانک و چگالی مخصوص آن مایع، می توان تعیین کرد که در هر لحظه مایع تا چه سطحی (چه ارتفاعی) از منبع پرشده است. البته درصورتیکه منبع بسته باشد، اندازه‌گیری فشار برای تعیین سطح مایع کمی سخت تر است. بنابراین برای تعیین سطح می توان دو سنسور فشار تهیه کرد و فشار تفاضلی را اندازه گرفت. یک سنسور در پایین منبع قرار می‌گیرد و فشار مایع را اندازه‌گیری می‌کند و یک سنسور در بالای منبع برای اندازه‌گیری فشار هوای درون منبع مورد استفاده قرار می گیرد. اختلاف این دو فشار و محاسباتی که انجام می شود، مشخص می‌کند که چه مقدار مایع درون منبع پر شده است.

جدول تبدیل واحد فشار

در جدول زیر، تبدیل واحد فشار برای واحدهای مختلف آورده شده است که می‌توانید از آن‌ها در محاسبات خود استفاده کنید.

امیدواریم این مقاله برای شما مفید باشد، درصورتیکه تمایل به تبادل اطلاعات و یا تبادل تجربیات خود با دیگران در این زمینه دارید، با گذاشتن دیدگاه خود ما را بهره مند سازید.