ترنسمیتر وسنسورهای فشار

سنسور اندازه گیری فشار چیست؟ انواع مختلف روش های اندازه گیری فشار و فناوری های سنجش فشار چیست و چگونه در اندازه گیری فشار کار می کنند؟

در این راهنمای جامع با عملکردها و قابلیت های سنسورهای مختلف اندازه گیری فشار آشنا شوید.

سنسورهای فشار در ایالات متحده توسط FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK)، تولید کننده پیشرو حسگر مبدل‌های فشار، با استفاده از یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌ها در صنعت حسگرها: فناوری کرنش سنج فویل فلزی، تولید می‌شوند. سنسور فشار به عنوان مبدلی تعریف می شود که فشار مکانیکی ورودی را به سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل می کند (تعریف سنسور فشار). انواع مختلفی از سنسورهای فشار بر اساس اندازه، ظرفیت، روش اندازه گیری، فناوری سنجش و الزامات خروجی وجود دارد.

سنسور اندازه گیری فشار چیست؟

سنسور فشار یک مبدل یا ابزاری است که فشار مکانیکی ورودی در گازها یا مایعات را به سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل می کند. مبدل فشار شامل یک عنصر حساس به فشار است که می تواند فشار اعمال شده را اندازه گیری، تشخیص یا نظارت کند و قطعات الکترونیکی برای تبدیل اطلاعات به سیگنال خروجی الکتریکی.

فشار به عنوان مقدار نیروی اعمال شده توسط یک مایع یا گاز به یک واحد «مساحت» (P=F/A) تعریف می‌شود و واحدهای فشار رایج پاسکال (Pa)، بار (bar)، N هستند. /mm2 یا psi (پوند بر اینچ مربع). سنسورهای فشار اغلب از فناوری پیزومقاومت استفاده می کنند، زیرا عنصر پیزومقاومت مقاومت الکتریکی خود را متناسب با کرنش (فشار) تجربه شده تغییر می دهد.

مبدل اندازه گیری فشار چگونه کار می کند؟

برای درک نحوه کار یک سنسور فشار صنعتی FUTEK و نحوه اندازه گیری فشار، ابتدا باید علم فیزیک و مواد را در پشت اصل کار سنسور فشار و اثر پیزومقاومتی، که توسط کرنش سنج اندازه گیری می شود، درک کرد (که گاهی اوقات به عنوان یک کرنش سنج). کرنش سنج فویل فلزی مبدلی است که مقاومت الکتریکی آن با نیروی اعمالی تغییر می کند. به عبارت دیگر، نیرو، فشار، کشش، تراکم، گشتاور و وزن (معروف به سنسورهای وزن) را به تغییر در مقاومت الکتریکی تبدیل می‌کند که سپس می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد.

کرنش سنج ها هادی های الکتریکی هستند که به صورت زیگزاگی به یک فیلم محکم وصل شده اند. وقتی این فیلم کشیده می شود، آن – و هادی ها – کشیده و کشیده می شوند. وقتی هل داده می شود منقبض می شود و کوتاه تر می شود. این تغییر شکل باعث می شود که مقاومت در هادی های الکتریکی نیز تغییر کند. کرنش اعمال شده در لودسل را می توان بر اساس این اصل تعیین کرد، زیرا مقاومت کرنش سنج با کرنش اعمال شده افزایش می یابد و با انقباض کاهش می یابد.

از نظر ساختاری، یک سنسور فشار از یک بدنه فلزی (که خمش نیز نامیده می‌شود) ساخته شده است که کرنش سنج‌های فویل فلزی به آن متصل می‌شوند. بدنه این سنسورهای اندازه گیری نیرو معمولاً از آلومینیوم یا فولاد ضد زنگ ساخته شده است که به سنسور دو ویژگی مهم می دهد: (1) استحکام را برای تحمل بارهای زیاد فراهم می کند و (2) دارای خاصیت ارتجاعی است که به حداقل تغییر شکل داده و به شکل اولیه خود باز می گردد. نیرو حذف می شود.

یک سنسور فشار، فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. سنسورهای فشار صنعتی FUTEK از اثر پیزورزیستیو استفاده می‌کنند که شامل فشار سنج‌های فویل فلزی است که روی دیافراگم نصب شده‌اند. با تغییر فشار، دیافراگم تغییر شکل می‌دهد و باعث می‌شود مقاومت در استرین‌گیج‌ها تغییر کند و این امکان را می‌دهد که تغییرات فشار به صورت الکتریکی اندازه‌گیری شود. سنسورهای فشار ما به طور طبیعی یک سیگنال الکتریکی در میلی ولت تولید می کنند که متناسب با بار و ولتاژ تحریک سنسور (mV/V – میلی ولت بر ولت) تغییر می کند. با این حال، ما سنسورهای فشار را با تقویت کننده های آنالوگ داخلی ارائه می دهیم. سنسورهای فشار با تقویت‌کننده‌های داخلی، سیگنال‌هایی را در ولتاژ متغیر، یعنی ± 10 ولت، یا جریان متغیر، یعنی 4-20 میلی‌آمپر، تولید می‌کنند. با این حال، اگر برنامه شما به تقویت‌کننده سنسور فشار دیجیتال یا USB نیاز دارد، لطفاً به صفحه فروشگاه ابزار و آمپلی‌فایر سنسورهای نیرو ما مراجعه کنید.

کرنش سنج ها در مداری که مدار تقویت کننده پل وتستون نامیده می شود مرتب شده اند (نمودار متحرک زیر را ببینید). این بدان معنی است که چهار کرنش سنج به عنوان یک مدار حلقه به هم متصل شده اند و شبکه اندازه گیری نیروی اندازه گیری شده بر این اساس تراز می شود.

تقویت کننده های پل کرنش سنج ولتاژ تحریک تنظیم شده را ارائه می دهند و سیگنال خروجی mv/v را به شکل دیگری از سیگنال که برای کاربر مفیدتر است تبدیل می کنند. سیگنال تولید شده توسط پل استرین گیج یک سیگنال کم قدرت است و ممکن است با سایر اجزای سیستم مانند PLC، ماژول های جمع آوری داده ها (DAQ) یا رایانه ها کار نکند. بنابراین، عملکردهای تنظیم کننده سیگنال سنسور فشار شامل ولتاژ تحریک، فیلتر یا تضعیف نویز، تقویت سیگنال و تبدیل سیگنال خروجی است.

علاوه بر این، تغییر در خروجی تقویت کننده سنسور فشار متناسب با نیروی اعمال شده به خمش کالیبره شده است که می تواند از طریق معادله مدار سنسور فشار محاسبه شود.

انواع سنسورهای اندازه گیری فشار چیست؟

سنسورهای فشار را می‌توان از نظر نوع اندازه‌گیری فشار که اندازه‌گیری می‌کنند و همچنین فناوری سنجش فشاری که مبدل کار می‌کند طبقه‌بندی کرد.

سنسور فشار دیفرانسیل: فشار دیفرانسیل اندازه گیری اختلاف فشار بین دو مقدار فشار یا دو نقطه فشار در سیستم است، بنابراین اندازه گیری میزان اختلاف دو نقطه با یکدیگر است، نه اندازه آنها نسبت به فشار اتمسفر یا فشار مرجع دیگر. مانند خلاء مطلق. این با یک سنسور فشار استاتیک یا مطلق که فشار را فقط با استفاده از یک پورت اندازه گیری می کند متفاوت است و معمولاً سنسورهای فشار دیفرانسیل با دو پورت بسته بندی می شوند که لوله ها را می توان در دو نقطه فشار مجزا به سیستم متصل کرد و از جایی که فشار دیفرانسیل می تواند به سیستم متصل شود. اندازه گیری و محاسبه شود.

این روش اندازه‌گیری فشار معمولاً برای اندازه‌گیری جریان یک مایع یا گاز در لوله‌ها یا مجاری استفاده می‌شود.

شکل 3: اندازه گیری سطح مخزن با استفاده از سنسور اندازه گیری فشار تفاضلی.

سنسور فشار مطلق یا خلاء: این سنسور فشار مطلق را اندازه گیری می کند که به عنوان فشار اندازه گیری شده نسبت به یک خلاء کامل مهر و موم شده تعریف می شود. سنسورهای فشار مطلق در کاربردهایی که نیاز به یک مرجع ثابت است استفاده می شود. این کاربردها نیاز به ارجاع به فشار ثابت دارند زیرا نمی توان آنها را به سادگی به فشار محیط اطراف ارجاع داد. به عنوان مثال، کاربردهای صنعتی با کارایی بالا مانند نظارت بر پمپ های خلاء، اندازه گیری فشار مایع، بسته بندی صنعتی، کنترل فرآیند صنعتی و بازرسی هوافضا و هوانوردی از این تکنیک استفاده می کنند. هنگامی که نوبت به اندازه گیری فشار هوا می رسد، به ویژه برای کاربردهایی مانند اندازه گیری فشار سنجی برای آب و هوا یا ارتفاع سنج، یک سنسور فشار مطلق دستگاه انتخابی است.

گیج یا سنسور فشار نسبی: فشار گیج به سادگی یک مورد خاص از فشار دیفرانسیل با فشارهایی است که به صورت متفاوت اما همیشه نسبت به فشار محیط محلی اندازه گیری می شود. در همین راستا، فشار مطلق را می توان یک فشار دیفرانسیل نیز در نظر گرفت که در آن فشار اندازه گیری شده با خلاء کامل مقایسه می شود. تغییرات فشار اتمسفر به دلیل شرایط آب و هوایی یا ارتفاع به طور مستقیم بر خروجی سنسور فشار گیج تأثیر می گذارد. فشار گیج بالاتر از فشار محیط به عنوان فشار مثبت شناخته می شود. اگر فشار اندازه گیری شده کمتر از فشار اتمسفر باشد به آن فشار گیج منفی یا خلاء می گویند.

شکل 4: اندازه گیری فشار با استفاده از سنسور فشار در سیستم پمپاژ آب

انواع فن آوری های سنجش فشار یا اصول کار

انواع فن آوری های سنجش فشار یا اصول حسگری وجود دارد که قادر به تبدیل فشار به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری و استاندارد هستند. این مقاله بر روی انواع جمع‌آورنده نیرو تمرکز می‌کند، که از یک گیج نیرو (به عنوان مثال دیافراگم) برای اندازه‌گیری کرنش (یا انحراف) ناشی از نیروی اعمال شده بر روی یک منطقه (فشار) استفاده می‌کنند.

اثر مقاومتی یا پیزومقاومتی: سنسورهای اندازه گیری فشار مقاومتی از تغییر در مقاومت الکتریکی یک کرنش سنج متصل به دیافراگم (که به عنوان عنصر خمشی نیز شناخته می شود) که در معرض محیط فشار قرار دارد، استفاده می کنند.

کرنش سنج ها اغلب شامل یک عنصر مقاومتی فلزی بر روی یک پشتوانه انعطاف پذیر متصل به دیافراگم (یعنی کرنش سنج فویل فلزی)، یا به طور مستقیم با استفاده از فرآیندهای لایه نازک هستند.

به طور معمول، کرنش سنج ها برای تشکیل یک مدار پل وتستون برای به حداکثر رساندن خروجی سنسور و کاهش حساسیت به خطاها متصل می شوند. این متداول‌ترین فناوری سنجشی است که برای اندازه‌گیری فشار همه منظوره استفاده می‌شود و از همان اصل نحوه عملکرد یک لودسل استفاده می‌کند.

ویدیوی یوتیوب: سنسور فشار مینیاتوری (PFT510) | مبدل فشار دیافراگم فلاش.

خازنی: حسگرهای فشار خازنی از دیافراگمی استفاده می کنند که با فشار اعمال شده منحرف می شود تا یک خازن متغیر برای تشخیص کرنش ناشی از فشار اعمال شده ایجاد کند. با اعمال فشار، نیروی خارجی دیافراگم را فشرده می کند و مقدار خازن کاهش می یابد. با آزاد شدن فشار، دیافراگم به شکل اولیه خود باز می گردد و ظرفیت خازنی به دنبال دارد. فناوری های رایج از دیافراگم های فلزی، سرامیکی و سیلیکونی استفاده می کنند. ظرفیت خازن را می توان برای ارائه فشار دقیق کالیبره کرد.

حسگرهای خازنی که تغییر ظرفیت خازنی را با انحراف یک صفحه تحت فشار اعمال شده نشان می‌دهند، می‌توانند بسیار حساس بوده و در برابر بارهای زیاد مقاومت کنند. با این حال، محدودیت در مواد، و الزامات اتصال و آب بندی، می تواند برنامه ها را محدود کند.

اثر پیزوالکتریک: حسگرهای فشار پیزوالکتریک از خواص مواد پیزوالکتریک مانند سرامیک یا کوارتز متالیز شده برای تولید پتانسیل الکتریکی بر روی سطح زمانی که مواد تحت فشار مکانیکی و کرنش تولید می‌شوند، استفاده می‌کنند. مقدار بار متناسب با بار اعمال شده است و قطبیت با جهت نیرو تعیین می شود. پتانسیل الکتریکی با تغییر فشار به سرعت انباشته و از بین می رود و امکان اندازه گیری فشارهای دینامیکی با تغییر سریع را فراهم می کند.

لطفا توجه داشته باشید که اثر پیزوالکتریک با اثر پیزوالکتریک متفاوت است. اگرچه هر دو اصطلاح به اثرات فشار اعمال شده بر مواد مرتبط هستند (پیزو از کلمه یونانی فشار فیزیکی گرفته شده است)، اثر پیزوالکتریک به تغییر مقاومت الکتریکی مربوط می شود در حالی که اثر پیزوالکتریک به تولید پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) مربوط می شود. شارژ) در مواد.

استانداردهای اندازه گیری فشار

فشار معمولاً بر حسب واحد نیرو در واحد سطح (P = F / A) اندازه گیری می شود. در علم فیزیک نماد فشار p و واحد SI برای اندازه گیری فشار پاسکال است (نماد: Pa). یک پاسکال نیروی یک نیوتن بر متر مربع است که عمود بر یک سطح عمل می کند. دیگر واحدهای فشار رایج برای بیان سطح فشار psi (پوند بر اینچ مربع) و بار هستند. استفاده از واحدهای فشار دارای اولویت منطقه ای و کاربردی است: psi معمولاً در ایالات متحده استفاده می شود، در حالی که نوار واحد اندازه گیری ترجیحی در اروپا است.

چرا کالیبره کردن سنسورهای اندازه گیری فشار مهم است؟

کالیبراسیون سنسور اندازه گیری فشار تنظیم یا مجموعه ای از اصلاحات است که بر روی یک سنسور یا ابزار (تقویت کننده) انجام می شود تا اطمینان حاصل شود که سنسور تا حد امکان دقیق یا بدون خطا کار می کند.

هر سنسور اندازه گیری فشار مستعد خطاهای اندازه گیری است. این عدم قطعیت های ساختاری تفاوت جبری ساده بین مقداری است که با خروجی سنسور در مقابل مقدار واقعی متغیر اندازه گیری شده یا فشارهای مرجع شناخته شده نشان داده می شود. خطاهای اندازه گیری می تواند ناشی از عوامل زیادی باشد:

افست صفر (یا تعادل صفر سنسور فشار): آفست به این معنی است که خروجی سنسور در فشار صفر (صفر واقعی) بیشتر یا کمتر از خروجی ایده آل است. علاوه بر این، پایداری صفر به درجه ای که مبدل تعادل صفر خود را با ثابت ماندن تمام شرایط محیطی و سایر متغیرها حفظ می کند، مربوط می شود.

خطی (یا غیر خطی): تعداد کمی از حسگرها دارای منحنی مشخصه کاملاً خطی هستند، به این معنی که حساسیت خروجی (شیب) با سرعت متفاوتی در سراسر محدوده اندازه گیری تغییر می کند. برخی از آنها به اندازه کافی در محدوده مورد نظر خطی هستند و از خط مستقیم منحرف نمی شوند (تئوری)، اما برخی از سنسورها برای خطی کردن خروجی به محاسبات پیچیده تری نیاز دارند. بنابراین، غیرخطی بودن سنسور فشار، حداکثر انحراف منحنی کالیبراسیون واقعی از یک خط مستقیم ایده‌آل است که بین خروجی‌های بدون فشار و فشار نامی ترسیم شده است، که به صورت درصدی از خروجی نامی بیان می‌شود.

هیسترزیس: حداکثر اختلاف بین قرائت های خروجی مبدل برای فشار اعمالی یکسان. یک قرائت با افزایش فشار از صفر و دیگری با کاهش فشار از خروجی نامی بدست می آید. معمولاً با نصف خروجی امتیاز اندازه گیری می شود و به عنوان درصدی از خروجی نامی بیان می شود. اندازه گیری ها باید تا حد امکان سریع انجام شود تا خزش به حداقل برسد.

تکرارپذیری (یا عدم تکرار): حداکثر اختلاف بین قرائت های خروجی مبدل برای ورودی های مکرر تحت فشار و شرایط محیطی یکسان. این به توانایی سنسور اندازه گیری فشار برای حفظ خروجی ثابت زمانی که فشار یکسان به طور مکرر اعمال می شود ترجمه می شود.

Temperature Shift Span و Zero: تغییر در خروجی و تعادل صفر به ترتیب به دلیل تغییر دمای مبدل.