سنسور های فشار ملت و یا به عبارتی “سنسور فشار اکسترودر” ، ترانسدیوسرها یا ترانسمیترهای فشاری هستند که در محیط هایی با شرایط دمایی بسیار بالا مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع می توان گفت سنسور فشار ملت یک وسیله الکترونیکی است که متغیر فیزیکی (فشار) را به سیگنال الکتریکی (جریان، ولتاژ، Can Open، IO-LINK یا HART) در محیطی با شرایط دمایی بالا، تبدیل می کند.
براساس دو تکنولوژی ساخت یعنی:
- Extensimetric Filling Fluid Technology
- Fully Fluid-Free Piezoresistive Technology
می توان سنسور های فشار اکسترودر را در ۴ دسته زیر طبقه بندی کرد:
ترانسدیوسر چیست؟
ترانسدیوسر، تجهیزی است برای تبدیل انرژی ها به یکدیگر!
تبدیل می تواند از/به الکتریکی، الکترومکانیکی، الکترومغناطیسی و یا انواع دیگر انرژی باشد.
استرین گیج چیست؟
استرین گیج تجهیزی است که برای اندازه گیری میزان کشش (استرین) استفاده می شود. رایج ترین نوع استرین گیج ها شامل یک حایل پشتیبانی منعطف عایق است که یک مدل فویل فلزی را تقویت و پشتیبانی می کند.
اما یک سنسور فشار اکسترودر (ترانسدیوسر فشار ملت) چگونه کار میکند؟
براثر تلفیق استرین گیج (Strain Gauge)، کپیلاری و مایع پرکننده (Filled Capillary) و دیافراگم (Diaphragm) و در نتیجه یک سیگنال خروجی کنترل شده بدست می آید که در یک محدوده فشار معین مقیاس بندی می شود.
ساختار ابتدایی یک سنسور فشار اکسترودر:
کاربرد ها:
۱) تولیدات پلیمری ۲) اکستروژن ۳) تزریق ۴) مذاب داغ
انواع مایع پرکننده در پشت دیافراگم سنسور فشار اکسترودر
| ویژگی هر مایع | مایع پر کننده |
| Standard Fill Media Used In All Melt Pressure Transducers. Limits : 0 ~ 30.000 Psi/750 Degrees F |
Hg (Mercury) |
| Alternative Fill Media, Available For Most Model Of Transducers. Limits : 0 ~ 10.000 Psi/617 Degrees F | Oil |
| Alternative Fill Media, Available For Most Model Of Transducers. Limits : 0 ~ 10.000 Psi/1000 Degrees F | NaK (Sodium/Potassium) |
| No Fill Media. Limits : 0 ~ 10.000 Psi/750 Degrees F | Push Rod |
انواع متریال مختلف برای دیافراگم سنسور فشار اکسترودر
در زیر قادر خواهید بود برخی از ویژگی های هر متریال را مشاهده نمایید که متناسب با کاربرد مصرف کننده، مناسب ترین متریال برای دیافراگم سنسور فشار اکسترودر انتخاب می شود.
| ویژگی متریال | جزییات متریال | متریال |
| Abrasion Resistant | Standard Coating on SS | DyMax TM |
| Corrosion Resistant | should be used when the following chemicals are present in the process: HCL (Hydrochloric Acid) HF (Hydrofluoric Acid) HBr (Hydrogen Bromide) HI (Hydrogen Iodide) |
Hastelloy |
| Abrasion/Corrosion Resistant | Superior to all other diaphragm materials for corrosion and abrasion resistance, examples of applications requiring this option are “Ceramics” or “Glass-filled nylon”. | Inconel 718 |
| Abrasion/Corrosion Resistant | This material has a phenomenon called reduced skin friction. This material will also cut down on diaphragm failures due to adhesion of melt to diaphragm during the process | Chromium Nitride |
| Adhesion/Abrasion Resistant | Titanium Nitride abrasion resistance is superior to the Chromium Nitride coated diaphragm | Titanium Nitride |
یکی از مهم ترین کاربرد های سنسور فشار ملت در صنعت امروزه، استفاده از آن در فرآیند اکستروژن در دستگاه های تولید لاستیک و پلاستیک یا همان اکسترودر می باشد و به همین خاطر، آن را نیز به نام “سنسور فشار اکسترودر” نیز می شناسند. پس در ادامه با این کاربرد و انواع اکستروژن پلاستیک آشنا خواهیم شد.
بیشتر بخوانید: رایج‌ترین اصول اندازه‌گیری سنسورهای فشار
تکنولوژی ساخت سنسور فشار اکسترودر
-
تکنولوژی پیزو مقاومتی کاملاً خشک (بدون روغن)
در این تکنولوژی سیالی جهت انتقال فشار وجود ندارد و فشار سیال از طریق یک فیلم ضخیم (دیافراگم) بصورت مستقیم به سنسور سیلیکونی منتقل می شود. تنش فیزیکی وارده بر دیافراگم سنسور به مداری با نام “پل وتسون” منتقل می شود که متشکل از ۴ پیزو رزیستور می باشد. از مزایای تکنولوژی خشک می توان به افزایش سرعت پاسخگویی سنسور اشاره نمود.در اصل می توان گفت هدف از این تکنولوژی، انتقال فشار به برد تبدیل کننده فشار به سیگنال الکتریکی بدون دخالت مایع پرکننده می باشد!
-
تکنولوژی فیلم ضخیم بر روی استیل به همراه مایع پر کننده
در این تکنولوژی عملکرد براساس انتقال هیدرولیکی فشار از طریق مایع پرکننده ای با ضریب تراکم پذیر پایین می باشد مانند ترکیب سدیم و پتاسیم (NaK)، روغن دیاترمیک به همراه تاییدیه FDA و جیوه.
فشار از دیافراگم اندازه گیری (اولین دیافراگمی که با سیال مذاب در تماس است) توسط کپیلاری و مایع درون آن (مایع پرکننده) به دیافراگم دوم منتقل می شود. مایع درون کپیلاری می¬تواند با/بدون جیوه باشد که متناسب با نوع اپلیکیشن انتخاب می گردد. استرین گیجی که برروی دیافراگم دوم نصب شده است، از تغییرات خطی مقاومت که از انحراف دیافراگم ناشی می شود، در جهت ایجاد سیگنال الکتریکی بهره می برد.
بنابراین کل ساختار داخلی جهت انتقال فشار سیال وارده بر دیافراگم سنسور به استرین گیج توسط مایع پرکننده، طراحی شده است و درنهایت استرین گیج فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.
اکستروژن
مواد پلاستیکی توسط فرایندی که اکستروژن نامیده می شود ، شکل می گیرند و این امر با نرم کردن مواد از طریق حرارت حاصل می شود. با استفاده از یک مارپیچ محرک (screw) ، که توسط یک موتور چرخانده می شود ، مواد در امتداد مسیر اسکرو حرکت کرده و از طریق یک روزنه به نام قالب (die)، برای شکل دادن به پلاستیک مذاب استفاده می شود. ترکیبات ، رنگها و مواد افزودنی مختلف را می توان در طول مسیر مارپیچ با مواد پلاستیکی مخلوط کرد. مواد حرارت دیده پس از اکستروژن توسط قالب شکل گرفته و سپس برای حفظ شکل خود سرد می شوند.
سنسور فشار اکسترودر، اپراتور دستگاه اکسترودر را قادر می سازد تا شرایط فشار فرآیند را مانیتور و کنترل کند. همچنین مکانیزمی ایمن را جهت حفاظت از تجهیزات موجود در فرآیند و اپراتور ها فراهم می سازد. جلوگیری از فشار مازاد در دستگاه، افزایش عملکرد و بازده از طریق پایدار نگه داشتن نرخ جریان از جمله مزایایی است که استفاده از سنسور فشار اکسترودر را در دستگاه اکسترودر ضروری می کند.
مکان های مناسب جهت نصب سنسور فشار اکسترودر:
- قبل از screen changer (filter changer)
- قبل از پمپ ملت
- بعد از پمپ ملت
- در قالب
در شکل زیر می توانید برخی از محل های نصب سنسور های فشار اکسترودر را بر روی اکسترودر مشاهده نمایید:
محل های نصب معمولاً موقعیت هایی مانند خواندن فشار سیلندر به منظور بررسی عملکرد آن در توسعه و طراحی اسکرو ، در تغییر فیلتر (filter changer) برای بررسی میزان پاکی و تمیزی، قبل و بعد از پمپ برای حفظ سرعت ثابت جریان می باشد.
انواع اکستروژن پلاستیک
فرآیند اکستروژن براساس شیوه عملکرد فرآیند به ۶ دسته طبقه بندی می شود و در ذیل قادر خواهید بود بصورت خلاصه شیوه عملکرد هر نوع را ملاحظه فرمایید:
Sheet Extrusion
پلاستیک به شکل ورق ذوب می شود و در سایز های مختلف بریده خواهد شد.
Pipe Extrusion
فرآیند پلیمر را از قالب گذرانده ، سپس خنک می شود تا به شکل یک لوله در آید.
Profile Extrusion
پلاستیک با گذر از Die، تحت فشار و حرارت قرار می گیرد تا قطعه ای با سطح مقطعی خاص ایجاد کند.
Blown Film Extrusion
فیلم موقعی پردازش می شود که با دمیدن هوا در قالب اکسترودر یک برش متقاطع لوله ایی از طریق قالب مارپیچی ایجاد می شود و این برش باد شده سپس به طرف دستگاه دمنده باد کشیده می شود.
Foam Extrusion
رزین پلاستیکی با مواد کف کننده شیمیایی مخلوط گشته و ذوب می شود. عامل کف کننده شیمیایی تجزیه، گاز در مذاب پلیمر پراکنده شده و پس از خارج شدن از قالب منبسط می گردد.
Co-Extrusion
فرآیند اکسترود دو یا چند ماده از طریق یک قالب منفرد با دو یا چند روزنه مرتب شده به طوری که اکسترودرها با هم ادغام شده و با هم جوش بخورند.
تاثیرات محیطی بر اندازه گیری فشار ملت
تغییرات در فشار مذاب اکستروژن می تواند مربوط به تغییرات ابعاد در محصول اکسترود شده باشد. محیط کار سنسور فشار اکسترودر ممکن است تحت تغییرات سریع نوع پالس در دما ، با بزرگی تا ۱۰۰ درجه فارنهایت قرار گیرد. قسمت های استم (stem) در سنسور فشار اکسترودر با تکنولوژی استرین گیج که مایع پر کننده ندارند یا به اصطلاح Push rod نامیده می شوند ، به شوک حرارتی حساس هستند.
تغییر در دمای عملکرد محیط بر سیگنال های خروجی ترانسدیوسرها تأثیر می گذارد که نشان دهنده بی ثباتی فشار مذاب است در حالی که ممکن است فشار ذوب پایدار باشد. سنسور فشار اکسترودر به همراه کپیلاری، ارزیابی شده است که تحت تأثیر نوسانات دمای محیط قرار نمی گیرد. عایق حرارتی قرار گرفته در اطراف قسمت استم (stem) ترانسدیوسرهای فشار می تواند تا حدودی اثرات نامطلوب دمای محیط را کاهش دهد.
اما چرا باید فشار را در اکسترودر اندازه گیری کنیم؟
در اکستروژن پلاستیک، تغییر فشار در ورودی قالب یا die، می تواند ناشی از تغییر خروجی از اکسترودر (افت / افزایش فشار) یا تفاوت در دما (موثر بر ویسکوزیته) باشد.
۱٫ نوسانات فشار با اندازه گیری فشار کنترل می شود.
۲٫ بر روی پمپ ها، پورت هایی جهت نصب سنسور فشار ملت تعبیه می شود که اپراتور را قادر میسازد تا فشار را جهت کنترل جریان، مانیتور کند. (ثابت نگه داشتن نرخ جریان در قبل و بعد از پمپ)
۳٫ سنسور فشار اکسترودر به اپراتور کمک خواهد کرد تا تغییراتی در متغیر های فرآیند بر اساس خواندن فشار ایجاد کند. (از طریق خروجی سیگنال)
۴٫ تجهیزات برنامه نویسی شده قادر به متوقف کردن اکسترودر هستند اگر شرایط فشار به گونه ای باشد که دیگر تجهیزات را به خطر بیندازد.
۵٫ این تجهیزات بصورت یک مکانیزم ایمنی جهت جلوگیری از آسیب های احتمالی به اپراتور یا دیگر تجهیزات عمل می کنند.
۶٫ سیگنال خروجی (ولتاژ یا جریان) از سنسور فشار اکسترودر جهت کنترل اکسترودر می باشد.
۷٫ سنسور فشار اکسترودر همچنین می تواند (Filter Changer) screen changer را کنترل کند. (بررسی پاک بودن فیلتر فرآیند)
۸٫ سیگنال های فشار را می توان برای تجزیه و تحلیل متغیرهای فرآیند در آینده ثبت و ذخیره کرد.
۹٫ ترانسدیوسر فشار باید یک المان برجسته از هر سیستم کنترل اکستروژن باشد ، تا از قابل اطمینان بودن فرآیند اطمینان حاصل شود.
۱۰٫ سنسور های فشار اکسترودر منجر به افزایش کیفیت و بازده تولید از طریق ثابت و بهینه نگه داشتن نرخ جریان می شوند.
پس در نهایت می توان گفت استفاده از سنسور فشار ملت منجر به موارد زیر می شود:
- بهره وری بیشتر
- محصولات با کیفیت تر
- کاهش ضایعات
- کاهش هزینه ها
- کاهش زمان
- افزایش سود و بهره وری
- جلوگیری از افزایش فشار
- تضمین فشار پمپ مناسب برای قالب
- تصمین فشار مناسب برای تولید محصول
- تضمین ایمنی
در هنگام انتخاب سنسور فشار اکسترودر مناسب باید به چه نکاتی توجه کرد؟
۱- پیکره بندی
بصورت Rigid (اتصال مستقیم به فرآیند) یا بصورت Rigid And Flexible Stem (اتصال غیر مستقیم به فرآیند توسط لوله)
۲- خروجی
| ۳٫۳۳ mV/V | ۲ mV/V | ۰~۱۰ VDC | ۰~۵ VDC | ۴~۲۰ mA | Output |
۳- درستی سنسور
| ۱ %FS | ۰٫۵ %FS | ۰٫۲۵ %FS | Accuracy |
۴- محدوده فشار مورد نیاز
برای مثال ۰ تا ۵۰۰ بار (۵۰KPa)
۵- فشار استاتیک و دینامیک
۶- خروجی دمایی
سنسور فشار های ملت بصورت اختیاری میتواند شامل یک ترموکوپل باشد که می تواند یک خروجی از دما نیز فراهم سازد.
۷- مایع پر کننده
انتخاب نوع مایع پر کننده برحسب جزییات هر مایع و شرایط فرآیند.
۸- کاربرد
برای مثال کاربرد پزشکی است یا برای دستگاه های تزریق پلاستیک؟
۹- شرایط فرآیند
- آیا در فرآیند پرشر اسپایک (فشار مازاد لحظه ای) وجود دارد؟
- آیا فرآیند با افزایش ناگهانی دما روبرو خواهد شد؟
- آیا سیال خورنده، ساینده یا چسبنده است؟
- آیا شرایط خاص دیگه¬ای در فرآِیند برقرارست؟
۱۰- کانکشن الکتریکی، کانکشن مکانیکی و انواع تاییدیه ها
کانکشن های مکانیکی رایج:
| M22 x 1.5 | M18 x 1.5 | M14 x 1.5 | G1/4” | ۱/۲”-۲۰UNF | Mechanical Connections |
| China | Europe & US | ||||
کانکشن های الکتریکی رایج:
|
۸ Pin |
۷ Pin | ۶ Pin | ۵ Pin | Electrical Connections |
۱۱- لوازم جانبی نظیر نمایشگر، کنترلر و یا کابل برای مونتاژ
پدیده ای مخرب به نام اسپایک فشار (فشار مازاد)
بسیاری از سنسور های فشار، در فرآیند هایی که با سیالات کار می کنند قربانی فشار های بیش از حد و کوتاه مدت می شوند. معمولاً این فشار ها را فشار مازاد یا اسپایک فشار می نامند. اگر این اسپایک ها به اندازه کافی شدید باشند، یک تغییر دائمی در نقطه صفر خروجی رخ داده و سنسور را کاملاً از حالت کالیبره منحرف می کند.
پس از بررسی، روشی آزمایشگاهی جهت اندازه گیری میزان شدت اسپایک های فشار ابداع شد. این روش نشان می دهد اسپایک های فشار چندین برابر فشار نامی سیستم می تواند در سیستم رخ دهد.
برای مثال، در فرآیندی که فشار نامی سیستم در حد ۱۰۰ بار است، اسپایک های فشاری تا ۱۳۰۰ یا ۱۴۰۰ بار می تواند رخ دهد. حتی اگر در سیستم کاری شما از ریلیف ولو ها، رم های هیدرولیکی و انواع شیرهای اطمینان نیز بکار برده شود، به دلیل سرعت بالا و غیرقابل ثبت یا تشخیص بودن آن توسط دستگاه های غیردقیق، امکان وجود اسپایک های فشار در سیستم چندان دور از ذهن نیست!
وقتی به کاربرین گفته می شود که ممکن است فشار در سیستم به ۱۴ یا ۱۵ برابر فشار نامی سیستم برسد می گویند که منطق برخلاف صحبت ما حکم می کند و به جای بررسی و برطرف کردن مشکل در سیستم، برند سنسور فشار خود را عوض می کند ولی در نهایت همان اتفاق برای سنسور فشار های دیگر نیز اتفاق خواهد افتاد. از کاربرد هایی که پرشر اسپایک در آنها به وفور یافت می شود میتوان به پرس های هیدرولیک، آب و فاضلاب و جرثقیل های هیدرولیکی نام برد.
چگونه از فشار مازاد یا اسپایک فشار جلوگیری کنیم؟
پس می توان گفت:
• اسپایک فشار در سیستم های هیدرولیکی به وفور رخ می دهد. شدیدترین آن ها با تغییر در جریان سیستم اتفاق می افتد که می تواند توسط اجزایی از جمله پمپ ها، پیستون ها، شیر ها و کنترلر ها ایجاد شود.
• هوای محبوس شده در سیال هیدرولیک، میزان اسپایک فشار را افزایش می دهد. تخلیه هوا از سیستم می تواند پیک های فشار را تا ۶۰ درصد کاهش دهد.
• میزان اسپایک فشار می تواند تا ۱۵ برابر فشار نامی سیستم نیز برسد. مثلا در سیستمی که فشار نامی ۹۰ بار می باشد، اسپایک فشار ممکن است تا ۱۳۵۰ بار نیز برسد.
• معمولاً مدت زمان اسپایک های فشار حدود ۰٫۲۵ میلی ثانیه می باشد. بیشتر شیرهای ایمنی یا اجزای تخلیه فشار مازاد، قادر به پاسخگویی در برابر چنین فشار و زمان کوتاهی نیستند.
• میزان اسپایک منتقل شده به سنسور بسته به محل نصب سنسور نیز دارد. هرچه از مکان ایجاد اسپایک دور تر باشد، ضربه کمتری به سنسور وارد خواهد شد.
• اسنابر های فشار میزان اسپایکی که باید سنسور فشار تحمل کند را بطور موثری کاهش می دهد. اسنابرهای فشار از شوک و پالس هایی که منجر به آسیب سنسور فشار خواهند شد، جلوگیری می کند.
توصیه ها
- سعی کنید سنسور فشار اکسترودر آسیب دیده خود را با سنسور فشاری با محدوده فشار بالاتری جایگزین کنید.
- قبل از راه اندازی سیستم، سیستم را از هوا تخلیه کنید.
- از حداقل طول لوله بین سنسور فشار اکسترودر و نقطه اندازه گیری فشار استفاده کنید.
- سنسور های فشار ملت را در پایان لوله های مستقیم و طولانی نصب نکنید.
- مخرب ترین اسپایک ها، از تغییر نرخ جریان در سیستم اتفاق می افتند. اگر شیرهای برقی با سرعت خیلی بالا در سیستم بسته شوند، افزایش فشار می تواند بسیار بسیار زیاد باشد (حتی تا ۱۵ برابر فشار نامی). تا جایی که امکان دارد شیرهای برقی را با شیب ملایم به مدار وارد یا از مدار خارج کنید. این موضوع در مورد تمام کنترل کننده های جریان باید صدق کند.
- از یک اسنابر فشار مناسب در سنسور فشار ملت جهت جلوگیری از اسپایک فشار استفاده کنید.
نویسنده: علی اکبر مسکین هستم. علاقه مند به برق صنعتی و فروش لطفا نظرات تون رو درباره این مقاله برام بنویسید.
سلام وقت بخیر
مقاله های خوبی دارید لطفا بیشتر از این مقاله ها بزارید .