در این مقاله یاد می گیریم که چگونه فشار را به وسیله سنسورهای فشار اندازه گیری می کنند و انواع سنسورهای فشار و سخت افزار مناسب جهت اندازه گیری دقیق فشار چگونه عمل می کنند.
فشار چیست؟
فشار به عنوان نیرویی برای واحد سطح تعریف می شود که یک سیال در محیط اطراف خود اعمال می نماید. فشار P، تابعی از نیرو F و مساحت A می باشد. P = F / A
ظرف پر از گاز حاوی اتمها و مولکول های بی شماری است که دائماً در حال برخورد به دیواره های آن هستند. فشار می تواند فشار متوسط این اتمها و مولکولها بر روی دیواره های آن در واحد سطح ظرف باشد. علاوه بر این، فشار لازم نیست که در امتداد دیواره یک ظرف اندازه گیری شود بلکه می تواند به عنوان نیرو در واحد سطح در طول هر صفحه اندازه گیری شود. به عنوان مثال فشار هوا تابعی از وزن هوای فشرده شده بر روی زمین است. بنابراین، با افزایش ارتفاع، فشار کاهش می یابد. به همین ترتیب، هنگامی که یک غواص یا زیر دریایی به عمق اقیانوس بیشتر وارد می شود به دلیل وجود افزایش وزن آب، فشار افزایش می یابد.
واحد فشار در SI پاسكال ((N / M2) است، اما ساير واحدهای متداول فشار شامل:
پوند در هر اينچ مربع (PSI)، اتمسفر (atm)، بار (bar)، اينچ جيوه (in Hg) و ميلي متر جيوه(mmHG)است.
اندازه گیری فشار را می توان استاتیک یا دینامیک توصیف کرد. فشار در مواردی که هیچ حرکتی رخ ندهد به فشار استاتیک گفته می شود. نمونه هایی از فشار استاتیک شامل فشار هوا در داخل یک بالون یا آب درون یک حوضچه است. اغلب اوقات، حرکت یک سیال نیروی اعمال شده به محیط اطراف خود را تغییر می دهد. چنین اندازه گیری فشار به عنوان اندازه گیری فشار دینامیک شناخته شده است. به عنوان مثال، فشار داخل یک بادکنک یا در انتهای یک حوضه آب در زمانی که با تغییر هوای بادکنک و یا زمان بیرون آمدن آب از حوضچه، فشار تغییر می کند.
فشار سر (Head Pressuure) فشار استاتیک مایع را در مخزن یا لوله اندازه گیری می کند.
فشار سر، P، تابعی است از ارتفاع مایع h و چگالی وزنی (w) از مایع اندازه گیری می شود که در شکل 1 زیر نشان داده شده است.
اندازه گیری فشار سر
شکل 1. اندازه گیری فشار سر
فشار روی غواص در حال شنا در اقیانوس می تواند به صورت عمق غواص ضربدر وزن آب اقیانوس (64 پوند در هر فوت مکعب) محاسبه نمود.
یک غواص که در فاصله 33 پایی در داخل اقیانوس غوطه ور است، در هر فوت مربع بدن وی 2112 پوند آب خواهد داشت. فشار جوی هوا در سطح دریا نیز PSI 14.7 یا 1 اتمسفر است. بنابراین، 33 فوت آب به اندازه 5 مایل هوا فشار می آورد! فشار كلی كه روی اقیانوس در عمق 33 متر غواص می شود، فشار تركیبی ناشی از وزن هوا و آب است كه 29.4 PSI یا 2 اتمسفر خواهد بود.
اندازه گیری فشار را می توان نوع دیگری از اندازه گیری انجام داد. سه نوع اندازه گیری فشار در صنعت وجود دارد: فشار مطلق، فشار گیج و اختلاف فشار.
اندازه گیری فشار مطلق نسبت به خلاء اندازه گیری می شود (شکل 2). اغلب اوقات، برای اختصار PAA (Pascals Absolute) یا PSIA (پوند در اینچ مربع مطلق) برای توصیف فشار مطلق استفاده می شود.
سنسور فشار مطلق
شکل 2. سنسور فشار مطلق [3]
فشار گیج نسبت به فشار اتمسفر محیط اندازه گیری می شود (شکل 3). مشابه فشار مطلق، از اختصارات PAG (فشار گیج) یا PSIG (پوند در هر متر گیج) برای توصیف فشار سنج استفاده می شود.
سنسور فشار سنج
شکل 3. سنسور فشار سنج [3]
دیفرانسیل فشار شبیه فشار گیج است، اما به جای اندازه گیری نسبت به فشار اتمسفر محیط، اندازه گیری های افتراقی با توجه به فشار مرجع خاص انجام می شود (شکل 4). همچنین، از اختصارهای PAD (Pascals Difference) یا PSID (پوند در مربع اینچ دیفرانسیل) برای توصیف فشار دیفرانسیل استفاده می شود.
سنسورهای فشار دیفرانسیل، اندازه گیری فشار با توجه به فشار مرجع مشخص گرفته می شود.
سنسور فشار دیفرانسیل
شکل 4. سنسور فشار دیفرانسیل [3]
سنسور فشار
به دلیل تنوع بسیار زیاد شرایط، دامنه ها و موادی که فشار برای آن اندازه گیری می شود، انواع مختلفی از طراحی سنسورهای فشار وجود دارد. غالباً فشار می تواند به نوعی واسطه مانند، تبدیل به جابجایی شود. سپس سنسور این جابجایی را به یک خروجی الکتریکی مانند ولتاژ یا جریان تبدیل می کند. سه نوع جهانی ترین مبدل های فشار این فرم عبارتند از فشار کرنش، ظرفیت متغیر و پیزو الکتریک.
از بین همه سنسورهای فشار، سنسورهای Bridge Wheatstone (مبتنی بر کرنش) رایج ترین هستند و راه حل هایی را ارائه می دهند که دقت، اندازه، ناهمواری و محدودیت هزینه های مختلف را برآورده می کنند. سنسورهای بریدج(Bridge Sensor) برای کاربردهای فشارهای قوی و کم استفاده می شوند و می توانند فشار مطلق، گیج یا فشار دیفرانسیل را اندازه بگیرند. همه سنسورهای بریدج از یک فشار سنج و دیافراگم استفاده می کنند (شکل 4).مقطع سنسور فشار
شکل 4. مقطع سنسور فشار یک نوع استرین گیج معمولی [3]
هنگامی که تغییر فشار باعث انحراف دیافراگم می شود، یک تغییر متناظر در مقاومت روی فشار سنج ایجاد می شود، که می تواند توسط یک سیستم دستیابی به داده اندازه گیری شود. این ترنسدیوسرهای فشار یا مبدل های فشار استرین گیج در چندین نوع مختلف وجود دارد:
bonded strain gauge
sputtered strain gauge
semiconductor strain gauge.
bonded strain gauge
استرین گیج فلزی در واقع برای این اندازه گیری فشار، سالهاست که استاندارد صنعت بوده و به دلیل زمان پاسخ سریع 1000 هرتز برای تغییر در فشار و همچنین دمای کار زیاد آنها، بطور مداوم مورد استفاده قرار می گیرند.
Sputtered strain gauge
این دسته سنسور ها برای استفاده طولانی مدت و شرایط سخت بسیار مناسب هستند.
semiconductor strain gauge
این سنسورها معمولاً از دیافراگم نیمه هادی استفاده می کنند. این مبدل های فشار به طور کلی بسیار پایدار و خطی هستند، اما نسبت به دمای بالا حساس هستند و نسبت به بیشتر سنسورهای فشار برای تنظیم پیچیده تر هستند.
مرکز ابزار دقیق ایران آمادگی تامین، مشاوره، فروش، نصب و راه ندازی کلیه محصولات برندهای CTC , IFM . SICK , TESTO را دارد و تاکنون پروژه های بسیار زیادی را در این زمینه انجام داده است.