سنسور فشار صنعتی

در این مقاله سنسور فشار صنعتی و سایر المان های مهم مانند ترنسدیوسر فشار و ترنسمیتر فشار بررسی شده است. فشار عبارت است از نیروی وارد شده بر واحد سطح که آن را با علامت اختصاری P نشان می دهند. واحد استاندارد فشار در دستگاه SI پاسکال و برابر 1Pa = 1N/m2 است. یک پاسکال برابر با مقدار یک نیوتن نیرو است که بر یک متر مربع از سطح جسمی وارد می شود.
به منظور تشخیص مقاومت های کوچک از پل وتستون استفاده می شود. این شیوه در سنسور های وزن یا سنسور های فشار نیز رایج است. در برخی از این سنسور ها سیم هایی وجود دارد که مقاومت آن ها با اعمال فشار یا وزن، تغییر می کند. در این سنسورها با اندازه گیری میزان تغییرات مقاومت می توان مقدار فشار یا وزن را مشخص کرد. در انیمیشن زیر نحوه ی عملکرد یک سنسور فشار نمایش داده شده است.

سنسور فشار ابزاری جهت اندازه گیری فشار گاز ها یا مایعات است. این سنسور معمولا به عنوان مبدل یا ترنسدیوسر عمل می کند. سنسور دستگاهی جهت اندازه گیری یک کمیت فیزیکی و تبدیل آن به سیگنال قابل قرائت است. در سنسور Pressure نیز این عمل انجام شده و میزان فشار گاز یا مایع اندازه گیری می شود. فشار اندازه گیری شده به صورت یک سیگنال الکتریکی در خروجی سنسور ایجاد می شود. سیگنال تولید شده توسط سنسور تابعی از فشار اعمال شده به آن است. به منظور اندازه گیری غیر مستقیم متغیر های دیگر از جمله جریان سیال، گاز، سرعت، سطح آب و ارتفاع نیز می توان از سنسور فشار استفاده کرد. در برخی موارد از ترنسدیوسر فشار، فرستنده فشار، پیزومتر و مانومتر به عنوان سنسور فشار نام برده می شود. در تصویر زیر انواع سنسور های فشار پرکاربرد نمایش داده شده اند.

فشار به شکل های مختلفی تعریف می شود. به عنوان مثال:

• فشار نسبی یا Gauge pressure: فشار بالاتر از فشار هوای محیط را به صورت نسبی تعریف می کنند. قابل ذکر است که فشار هوای محیط صفر در نظر گرفته می شود.
• فشار مطلق Absolute pressure: فشار مطلق عبارت است از فشاری که نسبت به صفر مطلق یا خلا اندازه گیری می شود. رابطه ی فشار نسبی و مطلق به صورت زیر است:

فشار مطلق = فشار نسبی + فشار هوا

• فشار خلا یا Vacuum pressure: فشار کمتر از فشار هوای محیط را فشار خلا می گویند.

اجزای تشکیل دهنده ی سنسور فشار عبارت اند از:

• یک المنت حساس به فشار که قادر به تشخیص فشار اعمال شده باشد.
• اجزای تبدیل کننده ی اطلاعات به سیگنال خروجی

سنسور های فشار را می توان از نظر فناوری، طراحی، عملکرد و نوع کاربرد و هزینه دسته بندی کرد. به صورت کلی پرشر سوئیچ ها یکی از مهم ترین اعضای خانواده ی سنسور های فشار هستند. پرشر سوئیچ یک دستگاه دو قسمتی متشکل از مبدل حسگر یا sensing transducer و یک سوئیچ الکتریکی یا electrical switch است. سوئیچ های فشار طوری طراحی شده اند که در صورت رسیدن به محدوده ی فشار مورد نظر، یک کنتاکت را قطع یا وصل کنند. ترنسدیوسر وسیله ایی جهت تبدیل یک شکل از انرژی به شکل دیگر است. از این رو قسمت sensing transducer در سوئیچ فشار همان قطعه ای است که با فرآیند مورد آزمایش در تماس می باشد. ترنسدیوسر باید به نحوی سوئیچ الکتریکی را فعال کند. یکی از مزایای پرشر سوئیچ ها، پاسخ سریع آن ها است. این سوئیچ ها قابل اعتماد بوده و طول عمر بالایی دارند. سوئیچ های فشار معمولا اندازه ی کوچک و قیمت پایین تری نسبت به سایر دستگاه های سنجش فشار دارند.

ترنسدیوسرها ی فشار عضو دیگر خانواده ی سنسور های فشار هستند. Pressure transducers به وسیله ی سیگنال خروجی دیجیتال یا آنالوگ، یک فیدبک یا بازخورد از فشار واقعی سیستم را ارائه می کند. مبدل های فشار معمولا گران تر از سوئیچ های فشار بوده و عملکرد قوی تری از خود نشان می دهند. به عبارت دیگر مبدل های فشار در شرایط محیطی سخت مقاوم بوده و بیشتر در محیط های صنعتی استفاده می شوند. در تصویر زیر یک سنسور فشار دیجیتال نمایش داده شده است.

تفاوت سنسور، ترنسمیتر و ترنسدیوسر

گاها واژه های سنسور، ترنسدیوسر و ترنسمیتر به نادرستی به جای یکدیگر استفاده می شوند. همانطور که می دانید یک سنسور المان حس کننده ای است که کمیت های فیزیکی مانند فشار را به کمیت های الکتریکی تبدیل می کند. در برخی موارد سنسور با ایجاد تماس فیزیکی با کمیت مورد اندازه گیری می تواند تغییرات آن را تشخیص داده و سیگنال قابل قرائت در خروجی تولید کند. در تصویر زیر اندازه گیری فشار توسط یک سنسور و تبدیل آن به سیگنال قابل قرائت را مشاهده می کنید.

ترنسدیوسر ابزاری جهت تبدیل یک شکل از انرژی به شکل دیگر است. کمیت خروجی ارائه شده در ترنسدیوسر ها، رابطه ی مشخصی با کمیت ورودی دارد. کمیت خروجی در ابزار دقیق یک سیگنال الکتریکی یا الکترونیکی است. به عبارت ساده تر ترنسدیوسر مقدار فشار، بار، نیرو و غیره را اندازه گیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی یا الکترونیکی تبدیل می کند.

به عنوان مثال کرنش سنج یک ترنسدیوسر است. مقدار مقاومت کرنش سنج ها متناسب با کرنش یا Strain متغیر خواهد بود. در انیمیشن زیر نحوه ی عملکرد Strain Gauge نمایش داده شده است.

در نظر داشته باشید که همه ی سنسور ها نوعی ترنسدیوسر هستند اما همه ی ترنسدیوسر ها سنسور به شمار نمی آیند. به عنوان مثال یک بلندگو را در نظر بگیرید. در این بلندگو سیگنال الکتریکی به Motion تبدیل می شود. در نتیجه بلندگو یک ترنسدیوسر یا مبدل بوده و سنسور محسوب نمی شود. در تصویر یک سنسور فشار هوا آورده شده است:

این تصویر مربوط به یک  سنسور فشار آب می باشد:

ترنسمیتر یا فرستنده چیست؟

فرستنده یا ترنسمیتر در کنترل فرایند به دستگاهی گفته می شود که سیگنال تولید شده توسط یک سنسور را به سیگنال استاندارد ابزار دقیق تبدیل می کند. این سیگنال همان مقدار متغییر اندازه گیری و کنترل شده در فرآیند را نشان می دهد. سیگنال های الکتریکی استاندارد در رنج ولتاژ 1 تا 5 ولت و جریان 4 تا 20 میلی آمپر بوده که بیان گر 0 تا 100 درصد متغیر های فیزیکی هستند. سیگنال های استاندارد به تجهیزات کنترلی مانند ورودی آنالوگ یک PLC و یا DCS متصل می شوند. در انیمیشن زیر نقش سنسور و ترنسمیتر در یک فرآیند نمایش داده شده است.

فرآیند اندازه گیری یک کمیت فیزیکی به ترتیب زیر است:
1. ابتدا مقدار یک کیمت فیزیکی توسط سنسور اندازه گیری می شود.
2. در صورت نیاز، یک مبدل یا ترنسدیوسر مقدار اندازه گیری شده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.
3. سیگنال الکتریکی توسط ترنسمیتر تقویت و استاندارد می شود.
4. سیگنال نهایی به کنترلر منتقل خواهد شد.

سنسور های فشار را می توان بر حسب محدوده یا رنج فشار اندازه گیری، محدوده دمای عملکردی و نوع فشار قابل اندازه گیری به گروه های مختلف تقسیم کرد. به صورت کلی برخی از انواع سنسور های فشار عبارت اند از:

• سنسور فشار مطلق یا Absolute pressure sensor: این سنسور، فشار را نسبت به فشار خلا کامل اندازه گیری می کند. از این سنسور در کاربرد های نیازمند به مرجع ثابت استفاده می شود. از کاربرد های سنسور مطلق در فرایندهای صنعتی می توان به نظارت بر پمپ خلا، اندازه گیری فشار مایع، بسته بندی صنعتی و کنترل فرایند صنعتی اشاره کرد.
• سنسور فشار سنج یا Gauge pressure sensor: فشار در این سنسور نسبت به فشار اتمسفر اندازه گیری می شود. گیج فشار تایر یا tire pressure gauge نمونه ای از این نوع اندازه گیری است. نمایش مقدار فشار 0 در این دستگاه به معنی برابر بودن فشار اندازه گیری شده با فشار محیط است.
• سنسور فشار خلا یا Vacuum pressure sensor: این سنسور ممکن است فشار های زیر فشار اتمسفر را اندازه گیری کرده و تفاوت بین فشار پایین و فشار اتمسفر را نمایش دهد. ممکن است از این مدل جهت توصیف سنسور اندازه گیری کننده ی فشار مطلق نسبت به خلا نیز استفاده شود.
• سنسور فشار تفاضلی یا Differential pressure sensor: این سنسور دارای دو نقطه ی مجزا بوده و می تواند تفاوت میان فشار در آن ها را اندازه گیری کند. از این سسنور ها در کاربردهای بسیاری از جمله فیلترهای روغن، فیلترهای هوا، سطح سیال یا نرخ جریان و غیره استفاده می شود. در تصویر زیر اندازه گیری سطح آب تانک با استفاده از سنسور فشار تفاضلی را مشاهده می کنید.

• سنسور فشار Sealed pressure sensor: این سنسور شبیه به gauge pressure sensor بوده با این تفاوت که به جای فشار اتمسفر می تواند فشار را نسبت به مقداری ثابت اندازه گیری کند.

به منظور انتخاب پرشر سوئیچ یا پرشر ترنسدیوسر باید به تفاوت میان آن ها توجه کرد. ممکن است به ظاهر این دو مدل تقاوتی نداشته باشند اما  آن ها اصول طراحی بسیار متفاوتی دارند. به عبارت دیگر کابرد پرشر سوئیچ یا پرشر ترنسدیوسر متفاوت است. از پرشر سوئیچ جهت تغییر در مدار الکتریکی هنگام رسیدن سطح فشار به یک مقدار مشخص استفاده می شود. پرشر سوئیچ ها می توانند به صورت مستقیم یک فرایند را کنترل کنند. ترنسدیوسر فشار می تواند یک سیگنال پیوسته تولید کرده و سطح فشار را مشخص کند. ترنسدیوسر به صورت انفرادی استفاده نشده و سیگنال خروجی آن اغلب به یک PLC یا کنترلر دیگر منتقل می شود. از ترنسدیوسر فشار در سیستم های نسبتا پیچیده مانند مانیتورینگ یا کنترل یک فرآیند صنعتی استفاده می شود. به صورت کلی قیمت ترنسدیوسر فشار بیشتر از پرشر سوئیچ است.

میزان فشار توسط مبدل یا ترنسدیوسر فشار به یک سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل می شود. این سیگنال الکتریکی دیجیتال یا آنالوگ بوده و توسط دستگاه های دیگر از جمله کنترلر ها و سایر سیستم های حلقه بسته دریافت می شود. در تصویر زیر از چپ به راست به یک پرشر سوئیچ مکانیکی، پرشر ترنسدیوسر آنالوگ و یک پرشر ترنسدیوسر دیجیتال با عملکرد سوئیچ فشار یکپارچه را مشاهده می کنید.

مقایسه ی پرشر سوئیچ و پرشر ترنسمیتر

خروجی یک سوئیچ فشار به شکل دیجیتال بوده و تنها دارای دو مقدار یک یا صفر است. در مقابل خروجی ترنسمیتر فشار یک سیگنال آنالوگ ولتاژی یا جریانی است. این سیگنال 0 تا 100 درصد محدوده ی فشار حس شده توسط مبدل را نمایش می دهد. تفاوت اصلی پرشر سوئیچ با پرشر ترنسمیتر در نوع سیگنال خروجی آن هاست. در تصویر زیر نحوه ی اندازه گیری فشار با استفاده از ترنسمیتر فشار و انتقال سیگنال خروجی به PLC را مشاهده می کنید:

انواع سنسور فشار از نظر نوع حسگر

سنسور های فشار از نظر نوع حسگر به گروه های زیر تقسیم می شوند:

• سنسور فشار مقاومتی یا Resistive: در سنسور های فشار مقاومتی از تغییر مقاومت الکتریکی یک کرنش سنج متصل به دیافراگم استفاده می شود. این دیافراگم در معرض فشار محیط قرار می گیرد.
• سنسور فشار خازنی یا Capacitive: انحراف یک صفحه در اثر اعمال فشار موجب تغییر ظرفیت خازن در سنسور های خازنی می شود. این سنسور ها حساسیت بالایی داشته و فشار های زیر 10 میلی بار را اندازه گیری می کنند.
• سنسور فشار پیزوالکتریک یا Piezoelectric: سنسور های فشار پیزو الکتریک از خواص مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز به منظور تولید بار در اثر اعمال فشار استفاده می کنند. در این سنسور مقدار بار متناسب با نیروی اعمال شده بوده و پلاریته یا قطبیت آن نیز جهت یا Direction آن را بیان می کند.
• سنسور نوری یا Optical و غیره

کاربرد سنسور فشار

برخی از کاربرد های سنسور فشار عبارت اند از:

• سیستم های هشدار دهنده
• دستگاه تنفس پزشکی
• رباتیک
• اتوماسیون
• کاربرد های کشاورزی
• نطارت بر سطح اکسیژن
• هیدرولیک صنعتی و غیره

در بررسی جزئی تر، از پرشر سوئیچ ها در کاربرد های زیر استفاده می شود:

• سیستم آلارم در کنترل اتاق دیگ بخار HVAC
• مانیتور سطح اکسیژن در مخازن تحت فشار در صنعت پزشکی
• پخش مایع در دستگاه های قهوه ساز
• دستگاه تنفس پزشکی و غیره

به منظور اندازه گیری فشار می توان از دستگاه های فشار سنج استفاده کرد. برخی از فشار سنج های پرکاربرد عبارت اند از:

• فشارسنج لوله ای U شکل
• فشارسنج مکلئود
• فشارسنج جیوه‌ای
• فشارسنج ترموکوپل
• فشارسنج صوتی
• فشارسنج خازنی
• فشارسنج گاز ایده‌ال

پرشر سوئیچ

سوئیچ فشار یک دستگاه مکانیکی یا الکترونیکی بوده و با رسیدن فشار به یک آستانه یا Setpoint فعال می شود. سوئیچ فشار می تواند مجهز به یک لوله ی Bourdon، پیستون، دیافراگم و غیره باشد. این قطعات به یک یا چند کنتاکت متصل بوده و متناسب با میزان فشار؛ حرکت یا تغییر شکل می دهند. اعمال نیروی کافی موجب بسته یا باز شدن کنتاکت ها در پرشر سوئیچ خواهد شد. به صورت کلی باز یا بسته شدن کنتاکت به پیکربندی سوئیچ بستگی دارد. در تصویر زیر قسمت های مختلف یک پرشر سوئیچ نمایش داده شده است.

از سوئیچ های فشار در طیف گسترده ای از کاربرد های صنعتی و مسکونی مانند سیستم های HVAC، پمپ های چاه، کوره ها، سیستم های پمپاژ و غیره استفاده می شود. تصویر زیر کاربرد یک پرشر سوئیچ را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می کنید رسیدن سطح فشار به مقدار ست پوینت باعث بسته شدن سوئیچ قرمز رنگ خواهد شد. پرشر سوئیچ ها در مقاله های بعدی بیشتر بررسی می شوند.