سنسور فشار چیست؟ چگونه سنسور فشار مناسب انتخاب کنیم؟

سنسور فشار (چکیده)

درکنترل بیشتر فرآیندهای صنعتی، سنجش فشار امر بسیار مهمی محسوب می شود.سنسور فشار، اطلاعات فشار را تبدیل به یک سیگنال الکتریکی می کند. اکثر سنسورهای فشار، تغییر شکل دیافراگم را با توجه به تفاوت در فشار اعمال شده بر هر دو جهت، مورد سنجش قرار می دهند.

سازنده ها برای چنین محصولاتی از عناوین مختلفی استفاده می کنند. «سنسور فشار» و «ترانسدیوسر فشار» می توانند به عنوان هم معنی و معادل استفاده شوند. اصطلاح «ترانسمیتر فشار» برای سنسور فشاری استفاده می شود که مجهز به قطعات الکترونیکی است که به آن اجازه ارائه یک سیگنال خروجی استاندارد شده را می دهد.

دراین مقاله به صورت مفصل به مبحث سنسور فشار پرداخته و سعی خواهیم کرد تا هرآنچه در مورد سنسور فشار لازم است بدانید را به شما بگوییم.

فهرست مطالب

• سنسور فشار چیست؟
• سنسور فشار چگونه ساخته می شود؟
• انواع سنسور فشار
• کاربرد و انتخاب سنسور فشار مطلق
• کاربرد و انتخاب سنسور فشار نسبی (گیج)
• کاربرد و انتخاب سنسور فشار تفاضلی
• کدام تکنولوژی سنسور فشار را باید انتخاب کنیم؟
• چگونه سنسور فشار مناسب انتخاب کنیم؟

سنسور فشار چیست؟ (تفاوت آن با ترانسمیتر و ترانسدیوسر فشار چیست؟)

سنسور فشار، یک اصطلاح جامع است که برای توضیح هر ابزاری استفاده می‌شود که بتواند فشار را شناسایی کرده و/یا اندازه‌گیری کند. در کنار «ابزار فشار»، این رایج‌ترین اصطلاح است.

ما اینجا در مورد سوییچ‌های فشار صحبت نمی‌کنیم، اما از نظر فنی، حتی این سوییچ‌ها هم سنسورهای فشار هستند. لازم به ذکر است که وقتی ما از این اصطلاح استفاده می‌کنیم، منظور ما ابزار اندازه‌گیری پیوسته است که سیگنالی را خروجی می‌کند که به واحد خاصی از اندازه‌گیری روی یک مقیاس یا رنج خاص (مثلا ۰-۵۰۰ psi) کالیبره شده است.

ترانسدیوسر فشار چیست؟

زمانی که یک مهندس اصطلاح ترانسدیوسر فشار را به کار می‌برد، معمولا از این اصطلاح در زمینه‌ی خاصی استفاده می‌کند:

مثلا ممکن است این اصطلاح در مورد گروهی از المان‌های سنسور داخل یک سنسور به کار برده شود (همچون پل وتسون، گیجی که آن را نگه می‌دارد و دیافراگمی که به آن متصل است).

همچنین ممکن است اصطلاح ترانسدیوسر فشار در مورد کل یک سنسور به کار برده شود – اما بدون بزرگنمایی سیگنال. به عبارت دیگر، یک سنسور با خروجی میلی‌ولتی. این احتمالا از نظر فنی، دقیق‌ترین تعریف است – البته در اغلب مواقع، به این شکل استفاده نمی‌شود.

یا ممکن است این اصطلاح به جای «سنسور فشار» استفاده شود، به معنی کاملا کلی و جامع آن. در هنگام گفتگوی کلی و معمولی، اغلب به این معنا از این اصطلاح استفاده می‌شود. شاید پیچیده به نظر برسد، اما معمولا به سادگی می‌شود تشخیص داد که اصطلاح ترانسدیوسر فشار در چه زمینه‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. به طور مثال، اگر موضوع در مورد انواع مختلف سنسورهای فشار باشد، منظور از اصطلاح «ترانسدیوسر فشار» احتمالا سنسوری بدون تقویت سیگنال است.

ترانسمیتر فشار چیست؟

همچون «ترانسدیوسر فشار»، اصطلاح ترانسمیتر اغلب در زمینه‌های مختلفی استفاده می‌شود. از طرفی منظور یا سنسور فشار به صورت کلی است یا به شکل دقیق‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یک ترانسمیتر فشار در واقع سنسوری است که تقویت سیگنال (signal amplification) دارد. سیگنال تقویت شده و به یک بازه مشروط می‌شود، همچون ۴-۲۰mA. به این روش، سیگنال می‌تواند فواصل طولانی‌تری را طی کند و در برابر افت کیفیت سیگنال، آسیب‌پذیری کمتری دارد.

ترانسمیتر ارتباطی مستقیم با توانایی ترانسمیتر (یا مخابره‌ی) سیگنال تقویت شده دارد.

معنای این‌ها برای شما چیست؟

معنای این حرف‌ها این است که باید به اصطلاحات استفاده شده بیشتر توجه کنید. اگر به یک ترانسمیتر فشار نیاز دارید و چیزی بخرید که نام آن ترانسدیوسر فشار است و انتظار داشته باشید که عملکردی یکسان داشته باشد، ممکن است متوجه شوید که انتظار شما اشتباه بوده است. ما مطمئنیم که شما می‌توانید تفاوت بین این‌ها را تشخیص دهید. اگر مشخصات فنی را با دقت مطالعه کنید، تضمین می‌شود که چنین اشتباهی مرتکب نشوید.

توجه داشته باشید که انتخاب نادرست سنسور فشار در برخی از کاربردهای خاص و حساس می تواند خسارات  جبران ناپذیری به دنبال داشته باشد.در ویدیوی زیر تاریخچه و تعریف کاملی از سنسور فشار ارائه شده که شما را به مشاهده آن دعوت می کنیم.

سنسور فشار چگونه ساخته می شود؟

بیایید نگاهی سریع به طراحی و عملکرد یک سنسور فشار بیندازیم. سنسور فشار از محل کانکشن فشار در نقطه اندازه گیری پیچ می شود. عنصر حسگر فشار، فشار موجود را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. تجهیزات الکترونیکی قسمت پایینی، این سیگنال را تقویت و استاندارد می کند. و یک بدنه مناسب آن را در برابر تاثیرات محیطی محافظت می کند.

سیگنال استاندارد شده از طریق اتصال الکتریکی برای ارزیابی سیگنال منتقل می شود. اکنون میبینیم که چگونه اجزا جداگانه در قسمت تولید مونتاژ می شوند. درمرحله اول، کانکشن فشار به عنصر سنسور فشار جوش داده می شود. درکاربرد اندازه گیری فشار، سنسور فشار از طریق کانکشن فشار به نقطه اندازه گیری پیچ می شود. عنصر حسگر، فشار موجود را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

پس از آن پی سی بی نصب می شود، این تجهیزات الکترونیکی سیگنال سنسور را تقویت و استاندارد می کنند. اکنون، فقط اتصال الکتریکی لازم بین سنسور و پی سی بی نیاز است. این مجموعه اسمبل شده پیش تنش کاری (اتوفرتاژ) می شود. برای اطمینان از ثبات فشار طولانی مدت، فشار بیش از محدوده فشار بیش از حد به این سنسور فشار وارد می شود.

درمرحله بعدی بدنه نصب می شود. بدنه از تجهیزات الکترونیکی در برابر تاثیرات مکانیکی و محیطی محافظت می کند. برای بهبود خوانش و دوام برچسب محصول، سنسورهای فشار با لیزر برچسب گذاری می شوند. این کار در یک مرحله با جوشکاری بدنه انجام می شود. سپس کانکشن الکتریکی نصب می شود. از آن برای انتقال سیگنال استاندارد، برای ارزیابی سیگنال در دستگاه ها استفاده می شود.

در هنگام تنظیم فشار، همزمان، یک آزمایش ولتاژ بالا، برای بررسی عملکرد، انجام می شود. تجهیز ساخته شده همراه با لوازم جانبی بسته بندی می شود. اسناد و مدارک تجهیز، مانند دستورالعمل عملکرد و گزارش آزمایش کالیبراسیون، ضمیمه می شود. سرانجام برچسب بسته بندی چسبانده می شود، سنسور فشار اکنون برای ارسال آماده است. 

انواع سنسور فشار

وقتی قصد داریم یک سنسور فشار انتخاب کنیم لازم است با سه نوع فشار که هر کدام به طراحی های مختلف سنسور مرتبط می شوند آشنا باشیم. اکثر حسگرهای فشار، تغییر شکل دیافراگم که تحت تاثیر فشار اعمال شده روی آن شکل گرفته است را مورد سنجش قرار می دهند، و این امری است که دانستن آن بسیار مهم است.

از آنجایی که دیافراگم دو سمت (پهلو) دارد، فشار دیگری، روی سمت دیگر آن نیز اعمال می شود. تغییر شکل (انحراف) اندازه گیری شده نتیجه تفاوت فشار بین دو سمت مختلف دیافراگم می باشد.
سنسور های فشار بر اساس «فشار مرجع» به سه دسته تقسیم می شوند که باید در نظر گرفته شود:

۱- فشار مطلق (Absolute pressure):

در حسگر فشار ابسولوت (مطلق) سمت دوم دیافراگم در خلاء قرار می گیرد و تغییر شکل آن دقیقاً به فشار اندازه گیری شده مرتبط می گردد.

۲- فشار نسبی (Relative pressure):

در حسگر فشار نسبی سمت دوم دیافراگم تحت فشار اتمسفر قرار می گیرد، بنابراین تغییر شکل آن به تفاوت میان فشار اندازه گیری شده و فشار اتمسفر (محیط) مرتبط می گردد.

۳- فشار تفاضلی (Differential pressure):

در فشار حسگر فشار تفاضلی برای هر سمت دیافراگم دو ورودی مجزا وجود دارد. پس تغییر شکل آن مربوط به تفاوت فشار میان این دو ورودی می شود.

بیشتر بخوانید :آشنایی با سنسور فشار مطلق، سنسور فشار گیج، سنسور فشار تفاضلی

کاربرد و انتخاب سنسور فشار مطلق

تفاوت میان حسگر فشار مطلق و حسگر فشار نسبی در این است که حسگر فشار مطلق، فشار را نسبت به فشار مرجع که خلاء است می سنجد در حالی که حسگر فشار نسبی، فشار را نسبت به فشار اتمسفر می سنجد، به عبارت دیگر تفاوت میان فشار فرآیند و فشار اتمسفر را اندازه گیری می کند.
هنگام انتخاب حسگر اولین ملاک می بایست نقطه مرجع شما باشد: اینکه آیا مایل هستید فشار مقایسه شده با فشار اتمسفر را بدانید یا خیر؟

حسگر فشار مطلق تنها سنسوری است که قادر به سنجش فشار اتمسفر می باشد پس می توان از آن برای سنجش فشار بارومتریک استفاده کرد.
از جمله کاربردهای آن ها شامل سنجش ارتفاع براساس تغییر فشار اتمسفر به هنگام تغییر ارتفاع می باشد.

فشار اتمسفر با توجه به تغییرات آب و هوایی می تواند تا حدود ۳۰ میلی بار (۳۰ mbar) متغیر باشد و اگر ارتفاع حسگرتغییر کند (متغیر بین سطح دریا و ارتفاع ۲۰۰۰ متر)، می تواند تا حدود ۲۰۰ میلی بار (۲۰۰mbar) نیز متغیر باشد. بنابراین یک سنسور فشار نسبی ممکن است با توجه به تغییرات فشار اتمسفر، برای یک میزان فشار مشخص ، دچار خطای اندازه گیری شود و فشار های متفاوتی را اندازه گیری کند. برای فشارهای بالا این خطا قابل چشم پوشی است، اما برای فشارهای پایین چشمگیر است. بنابراین دراین مورد بهتر است ازحسگر فشار مطلق استفاده شود.

کاربرد و انتخاب سنسور فشار نسبی (گیج)

تفاوت میان حسگر فشار مطلق و حسگر فشار نسبی را فراموش نکنید. حسگر فشار مطلق، فشار را نسبت به فشار مرجع خلاء می سنجد و حسگر فشار  نسبی نسبت به فشار اتمسفر. در واقع سنسور های فشار نسبی تفاوت میان فشار فرآیند و فشار اتمسفر را می سنجند.

هنگام انتخاب سنسور، اولین ملاک می بایست نقطه مرجع شما باشد: اینکه آیا مایل هستید تفاوت فشار فرآیند با فشار اتمسفر را بدانید یا خیر؟ حسگر فشار نسبی هنگامی کاربرد دارد که بخواهید تاثیر فشار اتمسفر بر روی سنجش را حذف کنید.

برای مثال وقتی از حسگر فشار برای اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک (Hydrostatic) مایعات (برای اندازه گیری سطح مایعات) استفاده می شود، با توجه به اینکه سطح مایع درون مخزن نیز درمعرض فشار اتسمفر است، حسگر فشار نسبی فقط اجازه سنجش فشار هیدرواستاتیک را می دهد و تاثیر متغیرها بر فشار جوی را حذف می کند.

بیشتر بخوانید : سنسور دنده عقب و هرآنچه راجب آن باید بدانید.

بیشتر بخوانید : میکرو سنسور چیست؟عملکرد آن چگونه است؟

بیشتر بخوانید : تابلو برق (بررسی تخصصی)

کاربرد و انتخاب سنسور فشار تفاضلی

سنسور فشار تفاضلی دارای دو پورت فشار ورودی است که وقتی مایل به دانستن تفاوت فشار میان دو نقطه باشیم مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال می توان برای کاربردهایی از آن بهره گرفت که با استفاده از افت فشار، فلو محاسبه می شود.

کدام تکنولوژی سنسور فشار را باید انتخاب کنیم؟

هنگامی که نوع فشاری که باید اندازه گیری کنید را مشخص کردید می توان روی تکنولوژی حسگر تمرکز کرد.

سنسور فشار پیزومقاومتی

در حسگر فشار پیزومقاومتی (Piezoresistive pressure sensor)، فشار باعث اعمال نیرویی بر روی عنصر حسگر شده و منجر به تغییر در مقاومت آن می شود. سنسورهای فشار پیزومقاومتی حساسیت بالایی دارند، مستحکم هستند و همچنین مقاومت حرارتی بالایی دارند. اما سیگنال خروجی آنها ضعیف است.

سنسور فشار پیزوالکتریکی

در حسگر فشار پیزو الکتریکی (Piezoelectric pressure sensor)، فشار باعث اعمال نیرو بر عنصر حسگری که از مواد پیزو الکتریک ساخته شده می گردد و از این رو منجر به ایجاد ولتاژ در این عنصر می گردد. این سنسور ها می توانند دامنه ی بسیار گسترده ای از سنجش و نیز مقاومت حرارتی بسیار خوبی داشته باشند. با این حال سیگنال خروجی آنها ضعیف است و در مقایسه با سنسورهای پیزو مقاومتی از دقت و درستی کمتری برخوردار هستند.

سنسور فشار خازنی

در حسگر فشار خازنی (Capacitive pressure sensor)، دیافراگم یکی از صفحات خازن است. دیافراگم تحت فشار تغیر حالت می دهد و ظرفیت الکتریکی خازن را تغییر می دهد. این سنسورها سطح دقت و حساسیت بالایی ارائه می دهند و می توانند فشارهای پایین را در محدوده mbar اندازه گیری کنند. با این حال این سنسورها هنگام قرار گرفتن در معرض لرزش خوب کار نمی کنند به دلیل اینکه لرزش، اندازه گیری و سنجش آنها را متزلزل و ناپایدار می کند.

چگونه سنسور فشار مناسب انتخاب کنیم؟

وقتی مشخص کردید که کدام یک از سنسورهای فشار مطلق، نسبی یا تفاضلی احتیاج دارید و همچنین تکنولوژی حسگر فشار خود را نیز انتخاب کردید، آنگاه مدل مناسب را با توجه به ملاک های زیر انتخاب کنید.

محدوده اندازه گیری (رنج فشار کاری)

اول از همه مهم است که سنسوری انتخاب کنیم که محدوده اندازه گیری آن، با دامنه فشاری که می خواهید اندازه بگیرید همخوانی داشته باشد. برای این مهم متغیرهای فشار در شرایط نرمال و شرایط احتمالی را نیز در نظر بگیرید.

دما

دمای عملیات نیز مهم است. اکثر سنسورها دامنه عملیاتی بین ۲۵- تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد دارند. دمای به شدت بالا یا پایین، گرم یا سرد، معمولا همراه با محیط‌هایی کثیف و پر گرد و غبار است. مواد و متریال‌های الکترونیکی استفاده شده در اجزا، تحت تاثیر دما قرار می‌گیرند. در معرض دمای به شدت بالا یا پایین بودن در زمانی طولانی که ورای مشخصات دمای عملیاتی ترانسمیتر فشار تعیین شده باشد و در جاهایی که سنسور درجه‌بندی حفاظت IP یا NEMA مناسب را ندارد، امید به زندگی سنسور شما را تا حد قابل توجهی کاهش می‌دهد. به محدودیت‌های دمای عملیاتی و نیازمندی‌های IP و NEMA نیز توجه کنید.

چگالی ویژه

دانستن چگالی ویژه (چگالی فرآورده‌ای که باید اندازه‌گیری شود) برای کالیبراسیون صحیح سنسور و کالیبراسیون خروجی برای سیستم کنترل شما بسیار مهم است. چگالی ویژه‌ی مایعات و گازها با تغییر دما، ممکن است تغییر کند. در مورد تمام تغییرات ممکن آگاه باشید تا سنسور شما به شکل صحیح کالیبره شود.

فشار بارومتریک

در سنسورهای فشار با یک مرجع سیلد گیج و در بازه‌های کم‌فشار (کمتر از ۱۰۰ PSI)، مراقب تغییرات فشار بارومتریک محیط باشید. این ممکن است باعث افستی ورای دقت و درستی تعیین‌شده‌ی سنسور شود. در فشارهای بزرگ‌تر از ۱۰۰ PSI، افست اسمی (جزئی) است و عامل چندان مهمی نیست.

سازگاری شیمیایی

سنسورهای فشار گاهی در محیط‌های خورنده نصب می‌شوند. در محیطی خورنده، ممکن است آلاینده‌هایی گازی همچون آمونیاک، اسیدهای سولفوریک و هیدروکلریک وجود داشته باشد. مواد شیمیایی خورنده معمولا از طریق نشت لوله‌کشی، دود و بخار، به تجهیزات حمله می‌کنند. قطعات الکترونیکی و سیم‌کشی‌ها ممکن است خورده شوند و به خرابی تجهیز و از دست رفتن اطلاعات خروجی منجر شود.
از پوشش خروجی و دیگر قطعات الکترونیکی باید در برابر مواد شیمیایی محافظت شود. سازگاری شیمیایی درست برای سنسور حیاتی است.

لرزش

در کاربردهای صنعتی سنگین و پیچیده معمولا لرزش شدیدی وجود دارد. یک ترانسدیوسر فشار تحت لرزش شدید، بدون حفاظت مناسب، ممکن است کاملا خراب شده و از بین برود. حفاظت در برابر لرزش معمولا شامل ایمن ساختن قطعات الکترونیکی سنسور با یک اپوکسی برای جلوگیری از تخریب فیزیکی می‌شود. این کار اضافه تنها زمانی انجام می‌شود که مورد نیاز باشد چون سرویس کردن سنسور را برای کارخانه سخت می‌کند.

محیط های پر خطر

محیط های خطرناک (Hazardous Areas) به مناطقی گفته می شود که به دلیل وجود ترکیبات هوا، گازها و غبارهای قابل اشتعال، امکان وقوع انفجار در آن ها وجود دارد.
اگر قرار است سنسور فشار شما در جایی خطرناک نصب شود، اطمینان حاصل کنید که تاییدیه‌های لازم و درست (IECE و ATEX و غیره) را داشته باشد و علائم با کاربرد منطبق باشد تا از موقعیت‌های خطرناک پرهیز شود.

سیگنال خروجی

سیگنال خروجی سنسور فشاری که انتخاب می کنید باید با اندازه گیری یا لوپ کنترل شما همخوانی داشته باشد.

ترکیب بندی و نصب

آخرین معیار مهم، انتخاب ترکیب بندی حسگر و چگونگی نصب شدن آن به نقطه مورد نظر می باشد.

اکثر حسگرها به منظور نصب آسان بر روی لوله، مخزن و غیره به صورت رزوه ای طراحی می شوند. همچنین برخی از سنسور ها با کانکشن فلنج به منظور اتصال به فرآیند ساخته می شوند.

نصب سنسورهای فشار فلاش دیافراگمی نیز محاسن خاص خود را دارد. در این ترکیب بندی دیافراگم حسگر هم سطح (تراز) با دیواره ی لوله است که باعث جلوگیری از مشکلات مربوط به گرفتگی ناشی از انباشتگی مواد در محیط های بدون فلو (جریان) می گردد. این حسگر ها برای مایعات حاوی عناصر جامد، به خصوص در صنایع غذایی، بسیار کاربردی می باشند.

در این مطلب، چند حوزه اساسی که موقع انتخاب سنسور فشار باید در نظر بگیرید را بررسی کردیم. هر یک از این حوزه‌ها به تنهایی می‌توانند مطلبی مفصل باشند. اگر تصمیماتی درست مرتبط با کاربرد خود بگیرید، تضمین می‌کنید که سنسور شما تا چندین سال به شکلی رضایت‌بخش عمل خواهد کرد.

جدول مقایسه و تبدیل رنج های فشار با واحدهای مختلف

بیشتر بخوانید :سنسور اکسیژن (بررسی تخصصی)

بیشتر بخوانید : سنسور مادون قرمز چیست؟

بیشتر بخوانید :از شانزلیزه فرنگی، تا لاله‌زار برقی !

سخن آخر :

اتوماسیون صنعتی صنعت تک، یک مجموعه تخصصی آموزش ، معرفی و فروش تجهیزات اندازه گیری فشار از جمله ، ترانسمیتر فشار ، پرشر سوئیچ (پرشر سوئیچ دانفوس)و گیج فشار است که به مشتریان خود کمک می کند به راحتی حسگر یا ترانسمیتر مناسب خود را شناسایی و در صورت نیاز خرید کنند. شما همواره می توانید جهت مشاوره و یا راهنمایی با شماره ۰۲۱۴۴۰۳۲۵۷۸ تماس بگیرید.