ترانسدیوسر فشار

مبدل یا ترانسدیوسر فشار می تواند مقدار فشار اعمال شده را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری تبدیل کند. دو جزء اصلی یک مبدل فشار عبارت اند از:

ماده ی الاستیک یا Elastic material
دستگاه الکتریکی یا Electrical Device

تحت فشار قرار گرفتن مواد الاستیک موجب تغییر شکل آن ها می شود. این فرایند توسط دستگاه الکتریکی یا Electrical Device تشخیص داده شده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. قسمت Elastic material معمولا به شکل دیافراگم است. این عناصر از دیسک های فلزی دایره ایی شکل یا مواد انعطاف پذیر مانند لاستیک، پلاستیک یا چرم ساخته می شوند. در تصویر زیر یک پرشر ترانسدیوسر برند RS PRO را مشاهده می کنید.

آنچه در این مقاله می خوانید−

ترانسدیوسر فشار
ترانسمیتر فشار
- تفاوت ترانسمیتر و ترانسدیوسر
- ترانسمیتر فشار تفاضلی یا differential pressure transmitter
  - نمونه هایی از ترانسمیتر فشار

نکات انتخاب ترانسدیوسر

پرشر ترانسدیوسر ها جهت تولید سیگنال الکتریکی نیاز به منبع تغذیه دارند. سیگنال خروجی ترانسدیوسرها معمولا جریان 4 تا 20 میلی آمپر یا ولتاژ 0 تا 10 ولت dc است. قابل ذکر است که سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر در صنعت کاربرد بیشتری دارد. کنترل فشار در پروسه های صنعتی بسیار مهم بوده و هرگونه خطا در آن می تواند خسارت های سنگینی در پی داشته باشد. انفجار مخزن یا ترکیدن لوله های انتقال مایعات و غیره از خسارت های کنترل غیر صحیح فشار هستند. به منظور انتخاب و استفاده از ترانسدیوسر مناسب باید به نکات زیر توجه کنیم:

حساسیت فشار یا Pressure sensitivity
رنج
پاسخ فرکانسی یا فرکانس تشدید Frequency response or resonant frequency
حساسیت به شتاب
دمای کاری یا operating temperature مبدل فشار
فشار مرجع مبدل فشار
لرزش مکانیکی و غیره

انواع ترانسدیوسر فشار

به صورت کلی انواع مختلفی از ترانسدیوسر های فشار وجود دارد که برخی از آن ها عبارت اند از:

استرین گیج Strain gauge
خازنی Capacitance pressure transducers
پتانسیومتر Potentiometric pressure transducer
رزونانسی Resonant wire pressure transducer
القایی Inductive pressure transducer
پیزوالکتریک piezoelectric pressure transducer

ترانسدیوسر استرین گیج Strain gauge

جهت اندازه گیری فشار های بالا، پایین و فشار دیفرانسیلی می‌توان از Strain gauge ها استفاده کرد. اختلاف فشار بین دو نقطه به صورت فشار دیفرانسیلی یا Differential pressure تعریف می شود. ترانسدیوسر استرین گیج شامل یک المان حس کننده و یک دیافراگم است. در این مدل مقاومت کرنش سنج ها با تغییر شکل دیافراگم تغییر می کند. معمولا جهت به حداکثر رساندن حساسیت مبدل از چهار Gauge در پل وتستون استفاده می شود. در پل وتستون تغییرات مقاومت به سیگنال خروجی تبدیل خواهد شد. جهت آشنایی بیشتر با پل وتستون و عملکرد آن می توانید مقاله ی محاسبات RTD را مطالعه کنید. در تصویر زیر یک پرشر ترانسدیوسر از نوع Strain gauge نمایش داده شده است. قسمت های این ترانسدیوسر عبارتند از:

A: کانکتور

B: محفظه

C: استرین گیج

D: ورودی فشار

اطلاعات بیشتر را در خصوص این سنسور را در مقاله ی سنسور فشار مطالعه کنید.

ترانسدیوسر خازنی Capacitance pressure transducers

در این مبدل یک خازن وابسته به دیافراگم تعبیه شده است. با تغییر دیافراگم میزان ظرفیت الکتریکی خازن تغییر می کند. به صورت کلی مبدل های خازنی مجهز به دو صفحه خازن، یک دیافراگم و یک الکترود هستند. از این ترانسدیوسر ها می توان در اندازه گیری فشار مطلق، GAUGE یا فشار تفاضلی استفاده کرد. در تصویر زیر نمونه ای از مبدل فشار خازنی آورده شده است. اجزای مشخص شده در این تصویر به ترتیب عبارت اند از:

A: پایه های عایق

B: دیافراگم

C: صفحات خازن

D: پورت فشار

ترانسدیوسر پتانسیومتر Potentiometric pressure transducer

در Potentiometric pressure transducer: یک پتانسومتر دقیق وجود دارد. پتانسیومتر شامل یک Wiper متصل شده به المان حساس به فشار است. انحراف در المان حساس به فشار موجب تغییر موقعیت Wiper و در نهایت تغییر مقاومت میان Wiper و انتهای دیگر پتانسیومتر می شود. در تصویر زیر یک ترانسدیوسر پتانسیومتر به همراه اجزای آن را مشاهده می کنید:

A: جاروبک یا Wiper

B: مدار پل اندازه گیری مقاومت

C: اندازه گیری متناسب با فشار

D: منبع تغذیه ی پل

E: بازوی متحرک المان حساس به فشار

F: جابه جایی

ترانسدیوسر رزونانسی Resonant wire pressure transducer

Resonant wire pressure transducer شامل یک سیم ارتعاشی تعبیه شده در دیافراگم است. جهت نگهداری سیم در حالت ارتعاش در این ترانسدیوسر از یک نوسانگر الکترونیکی استفاده می شود. تغییر فشار در دیافراگم روی کشش سیم تاثیر گذاشته و فرکانس resonant آن تغییر می کند. با استفاده از شمارنده ی دیجیتال می توان این فرکانس را اندازه گیری و به سیگنال الکتریکی تبدیل کرد. تصویر و اجزای این مدل فشار در ادامه آورده شده است.

A: سیم resonant

B: مدار نوسان ساز یا oscillator circuit

high-side backup plate :C

D: آهن ربا

E: لوله فلزی

F: دیافراگم فشار بالا

G: پورت انتقال سیگنال

H: دیافراگم فشار پایین

I: عایق الکتریکی

J: فنر preload

low-side backup plate :K

ترانسدیوسر القایی Inductive pressure transducer

Inductive pressure transducer یا ترانسدیوسر فشار القایی با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی عمل می کند. این دستگاه دارای یک دیافراگم متصل شده به یک هسته ی فرومغناطیس است. انحراف جزئی در دیافراگم موجب حرکت خطی در هسته ی فرومعناطیس و القای جریان خواهد شد. همانطور که در تصویر مشاهده می کنید هسته بر اثر میزان فشار حرکت کرده و جریان القایی را تغییر می دهد. تغییر در جریان به یک سیگنال متناسب با فشار تبدیل می شود. قسمت های این ترانسدیسور عبارتند از:

A و C: سیم پیچ

B: دیافراگم

D: فشار

ترانسدیوسر پیزوالکتریک piezoelectric pressure transducer

در piezoelectric pressure transducer یا مبدل های فشار پیزوالکتریک مواد سرامیکی یا quartz crystal وجود دارد. ترانسدیوسر پیزوالکتریک می تواند میزان فشار را به بار الکتریکی تبدیل کند. در این ترانسدیوسر میزان بار الکتریکی متناسب با تغییرات فشار خواهد بود. این نوع مبدل ها بسیار حساس بوده و سرعت پاسخ گویی نسبتا بالایی دارند. بخش های مختلف مبدل پیزوالکتریک را در تصویر مشاهده می کنید:

A: مهره یا nut

B: محفظه

C: کریستال

D: دیافراگم

E: سیم سربی یا lead wire

F: دیسک

معیار های انتخاب ترانسدیوسر فشار

انتخاب ترانسدیوسر فشار بسیار مهم بوده و بر اساس آیتم های خاصی انجام می شود. تعدادی از نکات مهم در انتخاب ترانسدیوسر فشار عبارت اند از:

Type of media: جهت انتخاب ترانسدیوسر فشار مناسب باید به محل نصب توجه شود. برخی از محیط های رایج در اندازه گیری فشار شامل روغن هیدرولیک، بنزین، هوای فشرده، گاز ها و آب هستند.
محفظه و مواد مهر و موم: محفظه و مواد مهر و موم مبدل فشار باید از نظر شیمیایی با محیط نصب سازگار باشد. فولاد ضد زنگ یکی از رایج ترین متریال مورد استفاده در محفظه ی ترانسدیسور است. این ماده استحکام بالا و سازگاری بیشتری با سیالات خورنده دارد. برخی از متریال های رایج مورد استفاده در مهرو موم شامل Nitrile butadiene rubber (NBR) و Viton (FKM) هستند.
دما: دمای بسیار بالا ممکن است عملکرد مبدل را محدود کند.
فشار: رنج فشار کاری باید در رنج اندازه گیری مبدل فشار باشد.
نوع مبدل: به منظور اندازه گیری فشار مطلق و gauge pressure می‌توان از مبدل های فشار Capacitance and resonant wire استفاده کرد. مبدل های فشار Strain gauge یا کرنش سنج نیز جهت اندازه گیری فشار تفاضلی مناسب اند.
هیسترزیس: در کاربرد هایی با هیسترزیس کم می توان از مبدل فشار خازنی استفاده کرد.
تکرار پذیری: توانایی مبدل فشار جهت تولید خروجی یکسان در فشار یکسان را تکرار پذیری می نامند. هنگام انتخاب مبدل با تکرار پذیری متفاوت باید به دقت مورد نیاز در پروسه توجه شود.
Approvals: در شرایط خاص ممکن است مبدل های فشار نیاز به تاییدیه یا گواهی نامه داشته باشند.

کاربرد ترانسدیوسر های فشار

ترانسدیوسر فشار در طیف گسترده ای از تاسیسات مسکونی و تجاری استفاده می شود. برخی از این موارد روتین عبارت اند از:

نطارت بر ترمز و فشار سوخت در وسایل نقلیه با استفاده از مبدل های فشار ترمز
نطارت بر سطح مایع در سیستم HVAC با استفاده از مبدل های فشار تفاضلی
سنجش سطح مایع ایستگاه های پمپ و چاه با استفاده از مبدل های فشار آب
سنجش ارتفاع هواپیما و ماهواره
نظارت بر سطوح مایع و گاز در دستگاه های مختلف پزشکی

نحوه ی تست کردن یک ترانسدیوسر فشار

جهت تست یک پرشر ترانسدیوسر 2 سیمه ی جریانی می توان گام های زیر را انجام داد:

اتصال ترمینال های +ve مبدل به منبع تغذیه
اتصال ترمینال -ve مبدل به +ve lead در مولتی متر
اتصال -ve lead مولتی متر به ترمینال -ve منبع تغذیه
خروجی ترانسدیوسر جریانی هنگام تست باید بین 4 تا 20 میلی آمپر باشد. البته سیگنال خروجی به نوع سنسور و میزان فشار بستگی دارد.

ترانسمیتر فشار

با استفاده از مبدل فشار می توان نوعی از انرژی را به نوع دیگری تبدیل کرد. به عنوان مثال با استفاده ار ترانسدیوسر فشار یک کمیت فیزیکی مانند فشار به سیگنال آنالوگ ولتاژی تبدیل می شود. در ادامه جهت استاندارد سازی و تبدیل این سیگنال به یک سیگنال الکرتیکی بزرگ تر از یک ترانسمیتر فشار استفاده خواهد شد. به عبارت دیگر ترانسمیتر فشار قابل اتصال به خروجی یک مبدل یا ترانسدیوسر فشار است.

جهت آشنایی با ترانسمیتر ها، کاربرد و نحوه ی عملکرد آن ها لطفا مقاله ی ترانسمیتر چیست را مطالعه کنید.

تفاوت ترانسمیتر و ترانسدیوسر

هر دو دستگاه ترانسمیتر و ترانسدیوسر یک شکل از انرژی را به شکل دیگری تبدیل می کنند. همانطور که می دانید سیگنال ها در صنعت باید جهت اتصال به انواع کنترلرها استاندارد شود. تفاوت اصلی میان ترانسمیتر و ترانسدیوسر در سیگنال خروجی آن هاست. به صورت کلی یک ترانسدیوسر وظیفه ی تبدیل فشار به سیگنال الکترونیکی را بر عهده دارد. در ترانسمیتر این سیگنال تقویت، اصلاح و ارسال خواهد شد. با استفاده از ترانسمیتر می توان به یک سیگنال خروجی استاندارد دسترسی پیدا کرد. این سیگنال معمولا به شکل جریان 4 تا 20 میلی آمپر یا ولتاژی 2 تا 10 ولت است. سیگنال خروجی ترانسمیتر مشخص کننده ی 0 تا 100 درصد رنج فشار اندازه گیری شده توسط ترانسدیوسر است. در انیمیشن زیر نمونه ای از انتقال سیگنال ترانسمیتر به PLC را مشاهده می کنید.

قسمتی از ترانسدیوسر که جهت اندازه گیری فشار با موضوع در تمالس است می تواند فناوری های متفاوتی داشته باشد. از روش های مختلف در اندازه گیری فشار می توان به استرین گیج، تغییر ظرفیت خازن، پتانسیومتر و غیره اشاره کرد. در نظر داشته باشید که نوع حسگر باید طبق کاربرد و محیط مورد استفاده تعیین گردد.

ترانسمیتر های فشار جهت اندازه گیری فشار مطلق، تفاضلی یا گیج استفاده می شوند. در تصویر زیر رابطه ی میان انواع فشار را مشاهده می کنید:

تصویر زیر نحوه ی استفاده از ترانسمیتر فشار جهت اندازه گیری فشار pressure of gasses در یک خط لوله را نمایش می دهد:

سیگنال خروجی ترانسمیتر فشار مشخص کننده ی فشار فرآیند بوده و در نهایت به PLC یا کنترلر های دیگر ارسال می شود. انیمیشن زیر نحوه ی عملکرد ترانسمیتر در فشار صفر و ماکزیمم را نشان می دهد. در حالت صفر جریان خروجی 4 میلی آمپر و در ماکزیمم معادل 20 میلی آمپر خواهد بود. همانطور که مشاهده می کنید این ترانسمیتر 4 تا 20 میلی آمپر جهت سنجش فشار 0 تا 350psi استفاده می شود.

در مقاله ی ترانسمیتر چیست اطلاعات بیشتری شرح داده شده است.

ترانسمیتر فشار تفاضلی یا differential pressure transmitter

اصطلاحات استاندارد صنعتی مختلفی از جمله Delta-P یا DP برای فشار تفاضلی استفاده می شوند. در عبارت Delta-P کلمه ی Delta به معنی Change in یا تغییرات و P به معنی فشار یا Pressure است. ترانسمیتر DP یک گیج اندازه گیری فشار بوده که شامل دو عنصر یا المان جهت اندازه گیری اختلاف فشار در یک ظرف مهر و موم شده می باشد. طبق تصویر زیر اجزای یک ترانسمیتر فشار تفاضلی یا DP عبارت اند از:

المان یا element اولیه
المان ثانویه
یک محفظه الکترونیکی

نقش المان اولیه در DP ایجاد اختلاف فشار در صورت افزایش جریان در لوله است. تیپ های مختلف المان اولیه عبارت اند از:

صفحات روزنه ایی یا Orifice plates
لوله های ونتوری یا Venturi tubes
نازل های جریان یا Flow nozzles و غیره

نقش عنصر ثانویه در این ترانسمیتر اندازه گیری دقیق اختلاف فشار تولید شده توسط عنصر اولیه است. در برخی موارد از عنصر اولیه به عنوان high side و از عنصر ثانویه به عناون low side نیز یاد می شود. خروجی در ترانسمیتر DP معمولا یک سیگنال جریانی 4 تا 20 میلی آمپری است. در برخی موارد این سیگنال می تواند به شکل ولتاژ 0 تا 5 یا 0 تا 10 ولت باشد.