ترانسدیوسر فشار چیست؟

ترانسدیوسر فشار (pressure transducer) چیست؟

ترانسدیوسر فشار، فشار را به سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل می کند. سیگنال الکتریکی می تواند دیجیتال یا آنالوگ باشد و در دستگاه های دیگر مانند کنترلرها، آلارم ها و سایر سیستم های حلقه بسته بکار رود. ترانسدیوسرهای فشار به طور وسیع در طیف وسیعی از کاربردهای مسکونی و تجاری مانند HVAC، پمپ ها، وسایل حمل و نقل، هواپیما و سایر سیستم ها که در آن اندازه گیری فشار مورد نیاز است، بکار میروند. آنها همچنین به عنوان سنسور فشار یا فرستنده فشار نام گذاری می شوند.

طرز عملکرد ترانسدیوسر فشار

ترانسدیوسر فشار متشکل از یک عنصر حساس به فشار، مانند دیافراگم با مساحت ثابت است. فشار سیال باعث انحراف دیافراگم می شود. این تجهیز دارای از یک المان انتقال است که انحراف محسوس توسط دیافراگم را به سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل می کند. این سیگنال متناسب با تغییر فشار افزایش یا کاهش میابد. بنابراین، کالیبراسیون این ابزار برای اطمینان از اینکه فشار در حدود مشخصات فرایند است، امری حیاتی است.

ترانسدیوسرهای فشار برای تولید سیگنال های الکتریکی به منبع تغذیه نیاز دارند. سیگنال آن ها معمولاً 4-20 میلی آمپر یا 0-10 ولت DC است. برخی از سیستم ها ممکن است از ترکیبی از برق AC و DC بکار گیرند. سیگنال 4-20 میلی آمپر یک استاندارد پرکاربرد در صنعت است که پیکربندی 2 سیم دارد، در حالی که خروجی ولتاژ DC پیکربندی 3 سیم دارد. سیگنال 4-20 میلی آمپر را می توان در فواصل طولانی بکار برد و نسبت به سیگنال DC حساسیت کمتری به تداخل دارد.

ترانسدیوسر فشار را نباید با سوئیچ فشار اشتباه گرفت. سوئیچ فشار ابزاری است که با رسیدن به فشار سیال مشخص، یک اتصال الکتریکی را برقرار میکند.

انواع ترانسدیوسر فشار

انواع مختلفی از ترانسدیوسرهای فشار بر اساس تکنولوژی اندازه گیری وجود دارد. نمونه هایی از آن ها عبارتند از:

ترانسدیوسر فشار استرین گیج (Strain gauge pressure transducer)

این مبدل ها برای اندازه گیری فشارهای بسیار بالا و پایین و همچنین اختلاف فشار مناسب هستند. این ترانسدیوسر حاوی یک عنصر حسگر و یک دیافراگم است. هر تغییر شکل در دیافراگم باعث تغییر در مقاومت استرین گیج می شود. به طور معمول، 4 استرین گیج در پل وتستون برای به حداکثر رساندن حساسیت ترانسدیوسر بکار میرود. این تغییر مقاومت به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می شود.

ترانسدیوسر فشار خازنی (Capacitance pressure transducer)

ترانسدیوسرهای فشار خازنی با تشخیص تغییرات در ظرفیت الکتریکی ناشی از حرکت دیافراگم، فشار را اندازه گیری می کنند. این تجهیزات دارای دو صفحه خازن، یک دیافراگم و یک الکترود است که روی یک سطح بدون فشار، ثابت است. این صفحات در فاصله مشخصی از یکدیگر قرار دارند و تغییر فشار باعث افزایش یا کاهش فواصل بین این صفحات می شود. این تغییر در ظرفیت به یک سیگنال قابل کاربرد تبدیل می شود. این ترانسدیوسر می تواند فشار مطلق، گیج یا فشار تفاضلی را متناظر با کاربرد خود، اندازه گیری کند.

ترانسدیوسر فشار پتانسیومتری (Potentiometric pressure transducer)

این نوع مبدل دارای یک پتانسیومتر دقیق میباشد. پتانسیومتر از یک وایپر (Wiper) متصل به عنصر حساس به فشار مانند دیافراگم تشکیل شده است. انحراف روی این عنصر موقعیت وایپر را تغییر می دهد. مقدار مقاومت بین وایپر و انتهای پتانسیومتر تغییر می کند؛ این مقدار، میزان فشار اعمالی را نشان میدهد.

ترانسدیوسر فشار سیم رزونانسی (Resonant wire pressure transducer)

ترانسدیوسرهای فشار سیم رزونانسی دارای یک سیم ارتعاشی هستند که در یک دیافراگم قرار دارد. نوسانگر الکترونیکی سیم را در حالت ارتعاش نگه می دارد. تغییر فشار در دیافراگم، کشش سیم را تحت تأثیر قرار می دهد و فرکانس تشدید را تغییر می دهد. این فرکانس را می توان توسط مدارهای شمارنده دیجیتال حس کرد و به سیگنال الکتریکی تبدیل کرد.

ترانسدیوسر فشار القایی (Inductive pressure transducer)

ترانسدیوسرهای فشار القایی با استفاده از اصل القای الکترومغناطیسی کار می کنند. این مبدل دارای یک دیافراگم است که به یک هسته فرومغناطیسی متصل است. انحراف جزئی دیافراگم باعث حرکت خطی در هسته فرومغناطیسی می شود که باعث القای جریان می شود. به عبارت دیگر، حرکت هسته در اثر تغییر فشار، جریان القایی را تغییر می دهد که این تغییر در جریان به یک سیگنال قابل خواندن تبدیل می شود.

ترانسدیوسر فشار پیزوالکتریک (Piezoelectric pressure transducer)

ترانسدیوسر های فشار پیزوالکتریک به منظور تولید بار الکتریکی در هنگام فشار متشکل از کریستال کوارتز یا مواد سرامیکی هستند. این بار الکتریکی که به صورت ولتاژ اندازه گیری می شود، متناسب با تغییر فشار است. این مبدل بسیار حساس و در پاسخ بسیار سریع است.

معیارهای انتخاب ترانسدیوسر فشار

هنگام انتخاب یک ترانسدیوسر فشار، معیارهای انتخاب زیر را در نظر بگیرید:

1. نوع سیال: نوع سیال باید با مواد ترانسدیوسر سازگار باشد. برخی از انواع سیالات رایج عبارتند از:

• روغن هیدرولیک
• روغن گرمایش
• پترول یا گازولین
• چسب ها
• هوای فشرده
• گازها
• آب

2. متریال بدنه و قسمت آب بندی (Housing and seal material): محفظه و مواد آب بندی ترانسدیوسر باید از نظر شیمیایی با محیط کاربردی سازگار باشد. فولاد ضد زنگ متداول ترین مواد مورد استفاده برای بدنه است. این متریال استحکام بالا و سازگاری بیشتر در برابر سیالات خنثی و خورنده را دارد. متریال های رایج آب بندی عبارتند از لاستیک نیتریل بوتادین (NBR)، ویتون (FKM) و الاستومرها.
3. دما: دمای شدید ممکن است عملکرد ترانسدیوسر را محدود کند. بنابراین، اطمینان حاصل کنید که مبدل فشار در محدوده دمای کاربردی است.
4. فشار: ترانسدیوسر باید بتواند حدود فشار عملیاتی و همچنین فشار بیش از حد را برای کاربرد تحمل کند. برای این شرایط ترانسدیوسرهای فشار بالا با طراحی مخصوص برای کاربردهای فشار شدید موجود هستند.
5. نوع ترانسدیوسر: ترانسدیوسر های فشار خازنی و سیم رزونانسی برای فشار مطلق و گیج مناسب هستند. ترانسدیوسر استرین گیج برای بکار گیری به عنوان ترانسدیوسر اختلاف فشار مناسب است.
6. هیسترزیس یا پسماند (Hysteresis): هیسترزیس توانایی ترانسدیوسر فشار برای تولید خروجی یکسان با میزان خروجی در زمانی که فشار افزایش و کاهش متوالی به همان اندازه دارد، میباشد. برای هیسترزیس پایین، یک مبدل فشار خازنی مورد نظر است.
7. تکرار پذیری: تکرارپذیری توانایی ترانسدیوسر فشار برای تولید خروجی یکسان در فشار یکسان است. به طور کلی از 0.5٪ تا 0.05٪ متغیر است. این معیارانتخاب ترانسدیوسر به دقت مورد نظر کاربرد بستگی دارد.
8. تاییدیه ها (Approvals): برای بکارگیری ترانسدیوسرهای فشار در شرایط محیطی خاص ممکن است به تأییدیه ها یا گواهی خاصی نیاز باشد.

کاربردهای رایج ترانسدیوسر فشار

ترانسدیوسرهای فشار در طیف وسیعی از کاربردهای مسکونی و تجاری که نیاز به اندازه گیری فشار دارند بکار میروند. بنابراین، با در نظر گرفتن سیال، ترانسدیوسر فشار هوا، ترانسدیوسر فشار مایع و ترانسدیوسر فشار گاز وجود دارد. برخی از کاربردهای معمول ترانسدیوسر فشار الکترونیکی عبارتند از:

• مانیتورینگ فشار ترمز و فشار سوخت در وسايل نقليه
• مانیتورینگ سطح مایع در یک سیستم HVAC
• سنجش ارتفاع برای هواپیما و ماهواره
• نظارت بر سطوح مایع و گاز در دستگاه های مختلف پزشکی

کالیبراسیون و نگهداری ترانسدیوسرهای فشار

در این قسمت نکاتی در مورد کالیبراسیون و نگهداری ترانسدیوسرهای فشار عنوان میشود.

کالیبراسیون ترانسدیوسرهای فشار

کالیبراسیون فرآیند تنظیم یک مبدل فشار است تا اطمینان حاصل شود که اندازه گیری های دقیق و قابل اعتمادی را توسط ترانسدیوسر انجام می شود. کالیبره کردن منظم مبدل های فشار برای اطمینان از عملکرد آنها در حدود دقت مشخص اهمیت دارد.

فرآیند کالیبراسیون معمولا شامل اعمال فشارهای مشخصی به ترانسدیوسر و مقایسه مقادیر اندازه گیری شده با مقادیر مورد انتظار است. این کار را می توان با استفاده از یک میز کالیبراسیون یا کالیبراتور دستی انجام داد. میز کالیبراسیون فشارهای مشخصی را در حین اندازه گیری خروجی الکتریکی به مبدل اعمال می کند، در حالی که یک کالیبراتور دستی همان فشار مشخص را اعمال می کند و خروجی الکتریکی را همزمان اندازه گیری می کند.

هنگامی که کالیبراسیون کامل شد، هر گونه خطا یادداشت می شود و تنظیماتی در ترانسدیوسر انجام می شود تا آن را به حدود دقت مشخص شده خود بازگرداند.

نگهداری ترانسدیوسرهای فشار

برای اطمینان از اینکه ترانسدیوسرهای فشار همچنان اندازه گیری های دقیق و قابل اعتماد را ارائه می دهند، تعمیر و نگهداری منظم مورد نیاز است. این موارد شامل:

1. تمیز کردن: ترانسدیوسرهای فشار باید تمیز نگه داشته شوند تا از تجمع کثیفی یا سایر آلودگی ها که ممکن است بر دقت آنها تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.

2. بازرسی: بازرسی منظم ترانسدیوسر باید انجام شود تا هرگونه علائم آسیب یا ساییدگی بررسی شود. هر گونه مشکلی باید به سرعت برطرف شود تا از تأثیرگذاری بر دقت ترانسدیوسر جلوگیری شود.

3. تعویض: اگر مشخص شد ترانسدیوسر فشار آسیب دیده یا فرسوده است، باید آن را با یک مبدل جدید جایگزین کرد تا از اندازه گیری های دقیق و قابل اطمینان حاصل شود.

4. کالیبراسیون مجدد: همانطور که در بالا ذکر شد، کالیبراسیون مجدد و مرتب ترانسدیوسر فشار برای اطمینان از تدوام اندازه گیری های دقیق ضروری است.

به طور کلی، ترانسدیوسرهای فشار نقش مهمی در اندازه گیری و کنترل فشار در صنایع مختلف دارند. دقیق و قابل اعتماد هستند و طراحی آن ها می تواند برای مقاومت در برابر محیط های خشن و فشارهای شدید انجام شود.