سنسور فشار (Pressure Sensor) چیست ؟

درکنترل بیشتر فرآیندهای صنعتی، سنجش فشار امر بسیار مهمی محسوب می شود. سنسور فشار، اطلاعات فشار را تبدیل به یک سیگنال الکتریکی می کند. اکثر سنسورهای فشار، تغییر شکل دیافراگم را با توجه به تفاوت در فشار اعمال شده بر هر دو جهت، مورد سنجش قرار می دهند.

سازنده ها برای چنین محصولاتی از عناوین مختلفی استفاده می کنند. «سنسور فشار» و «ترانسدیوسر فشار» می توانند به عنوان هم معنی و معادل استفاده شوند. اصطلاح «ترانسمیتر فشار» برای سنسور فشاری استفاده می شود که مجهز به قطعات الکترونیکی است که به آن اجازه ارائه یک سیگنال خروجی استاندارد شده را می دهد.

سنسور فشار جهت اندازه گیری فشار مایع و یا فشار گاز مورد استفاده قرار می گیرد . فشار به اصطلاح نیروی  لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع  است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود. سنسور فشار به صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند.

سنسور فشار، یک اصطلاح جامع است که برای توضیح هر ابزاری استفاده می‌شود که بتواند فشار را شناسایی کرده و یا اندازه ‌گیری کند. در کنار «ابزار فشار»، این رایج‌ترین اصطلاح است.

ما اینجا در مورد سوییچ‌های فشار صحبت نمی‌کنیم ، اما از نظر فنی ، حتی این سوییچ‌ها هم سنسورهای فشار هستند. لازم به ذکر است که وقتی ما از این اصطلاح استفاده می‌کنیم ، منظور ما ابزار اندازه ‌گیری پیوسته است که سیگنالی را خروجی می‌کند که به واحد خاصی از اندازه‌گیری روی یک مقیاس یا رنج خاص (مثلا 0-500 psi) کالیبره شده است.

سنسور فشار عموما فشار گاز یا مایع را اندازه می گیرد.

فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود.

سنسور فشار معمولاً به صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند.

برای این منظور می توان سیگنال الکتریکی در نظر گرفت. سنسورهای فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد استفاده می شوند، سنسورهای فشار می توانند به طور غیر مستقیم برای اندازه گیری سایر متغیرها استفاده شوند.

فشار یکی از اصلی‌ترین عواملی است که در عملیات صنایع مختلف باید به آن توجه کرد و آن را اندازه‌گیری کرد. با توجه به اهمیت بالای این پارامتر، ابزار مخصوصی برای اندازه‌گیری آن توسعه یافته است. سنسور فشار، که به آن ترانسمیتر فشار هم می‌گویند، برای این منظور استفاده می‌شود. در ادامه‌ی مقاله، درباره‌ی نحوه‌ی عملکرد این محصول، انواع و کاربرد آن، بیشتر صحبت می‌کنیم.

در تعریف ساده، سنسور فشار، وسیله‌ای است که کنترل فشار واردشده به یک دستگاه را بر عهده دارد. این ابزار، یک عملکرد مکانیکی (فشار) را به یک سیگنال الکترونیکی آنالوگ تبدیل می‌کند. از این سنسورها می‌توان برای اندازه‌گیری پارامترهای دیگری هم به طور غیر مستقیم استفاده کرد. دبی سیال، سرعت، سطح و ارتفاع مایعات، از جمله این پارامترها هستند.

اصطلاح “سنسور فشار” را می توان یک توصیفی کلی برای هر تجهیزی در نظر گرفت که کمیت فشار را اندازه گیری کرده و خروجی مناسبی را در پاسخ به آن ارائه می دهد. به عبارت دیگر سنسور فشار به تجهیزی گفته می شود که فشار را اندازه گیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

به طور کلی سنسور فشار یک اصطلاح فراگیر است که شامل تمام ترانسدیوسرهای فشار، ترانسمیترهای فشار و سوئیچ های فشار می شود. همه ترانسدیوسرها، ترانسمیترها و سوئیچ های فشار، نوعی سنسور فشار هستند.

عملکرد سنسور فشار چگونه است ؟

یک سنسور فشار با تبدیل نیروی فشار به سیگنال کوچک الکتریکی که قابل انتقال و نمایش باشد کار میکند. طبق این عملکرد به این سنسورها ترانسمیتر (فرستنده) فشار هم گفته می‌شود. معمولا دو سیگنال، یکی سیگنال جریانی در محدوده‌ی ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر و دیگری سیگنال ولتاژ در محدوده‌ی ۰ تا ۱۰ ولت، بیشترین کاربرد را دارند.

ذکر این نکته بسیار مهم است که سنسور فشار یک واژه عمومی برای توصیف تجهیزات اندازه‌گیری فشار است. اما بسته به طراحی مدار الکتریکی متناظر، ممکن است این عنصر سنسور یا ترانسدیوسر یا ترانسمیتر باشد. المان اندازه‌گیری که وظیفه شناسایی و اندازه‌گیری تاثیرات فشار وارده را بر عهده دارد، خروجی‌ را تولید می‌کند که نمی‌تواند مستقیما در یک مدار الکتریکی (مانند یک سیستم مبتنی بر میکروکنترلر) مورد استفاده قرار گیرد. پاسخ فیزیکی باید به یک سیگنال الکتریکی تبدیل شود و سپس یک مدار کاندیشنر یا حالت دهنده سیگنالSignal Conditioner  مورد نیاز است تا سیگنالی مناسب و قابل استفاده به دست آید.

ولتاژ خروجی یک سنسور فشار متناسب با فشاری است که به آن وارد می‌شود. اصطلاح سنسور معمولا به المان فیزیکی که فشار را تشخیص می‌دهد، اشاره می‌کند. سنسورهای فشار نصب شده بر روی برد به صورت پکیجی Packaged موجود هستند، اما نیاز است مهندس طراح کالیبراسیون، جبران‌ساز دمایی و تقویت کننده مناسب را به صورت جداگانه در نظر بگیرد. گاهی پیش می‌آید که واژه سنسور به اشتباه به جای ترانسمیتر و ترانسدیوسر نیز به کار برده می‌شود.

سازندگان سنسورهای فشار :

تقریبا می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند  که از جمله برندهای معتبر بازار می توان به موارد زیر اشاره کرد :

سنسور فشار آتونیکس Autonics

سنسور فشار هاگلر Hogller

سنسور فشار اتک Atek

سنسور فشار ترافاگ TRAFAG

سنسور فشار بی دی سنسور BD SENSORS

سنسور فشار ویکا WIKA

سنسور فشار سنسیس Sensys

سنسور فشار امرسون EMERSON

سنسور فشار اشکراف ASHCROFT

سنسور فشار یوکوگاوا  YOKOGAWA

سنسور فشار زیمنس  SIEMENS

سنسور فشار هانی ول HONEY WELL

سنسور فشار فاکس برو FOXBORO

سنسور فشار فیشر FISHER

سنسور فشار روزمونت ROSEMOUNT

سنسور فشار کلر KELLER

سنسور فشار دانفوس DANFOSS

سنسور فشار ایندومارت INDUMART

سنسور فشار آی اف ام  IFM

سنسور فشار بامر BAUMER

سنسور فشار اندرس هاوزن  ENDRESS + HAUSER

سنسور فشار وگا VEGA

سنسور فشار امگا Omega

سنسور فشار زیک SICK

سنسور فشار ای بی بی ABB

سنسور فشار فوجی Fuji

سنسور فشار چگونه ساخته می شود ؟

بیایید نگاهی سریع به طراحی و عملکرد یک سنسور فشار بیندازیم. سنسور فشار از محل کانکشن فشار در نقطه اندازه گیری پیچ می شود. عنصر حسگر فشار، فشار موجود را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. تجهیزات الکترونیکی قسمت پایینی، این سیگنال را تقویت و استاندارد می کند. و یک بدنه مناسب آن را در برابر تاثیرات محیطی محافظت می کند.

سیگنال استاندارد شده از طریق اتصال الکتریکی برای ارزیابی سیگنال منتقل می شود. اکنون میبینیم که چگونه اجزا جداگانه در قسمت تولید مونتاژ می شوند. درمرحله اول، کانکشن فشار به عنصر سنسور فشار جوش داده می شود. درکاربرد اندازه گیری فشار، سنسور فشار از طریق کانکشن فشار به نقطه اندازه گیری پیچ می شود. عنصر حسگر، فشار موجود را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

پس از آن پی سی بی نصب می شود، این تجهیزات الکترونیکی سیگنال سنسور را تقویت و استاندارد می کنند. اکنون، فقط اتصال الکتریکی لازم بین سنسور و پی سی بی نیاز است. این مجموعه اسمبل شده پیش تنش کاری (اتوفرتاژ) می شود. برای اطمینان از ثبات فشار طولانی مدت، فشار بیش از محدوده فشار بیش از حد به این سنسور فشار وارد می شود.

درمرحله بعدی بدنه نصب می شود. بدنه از تجهیزات الکترونیکی در برابر تاثیرات مکانیکی و محیطی محافظت می کند. برای بهبود خوانش و دوام برچسب محصول، سنسورهای فشار با لیزر برچسب گذاری می شوند. این کار در یک مرحله با جوشکاری بدنه انجام می شود. سپس کانکشن الکتریکی نصب می شود. از آن برای انتقال سیگنال استاندارد، برای ارزیابی سیگنال در دستگاه ها استفاده می شود.

در هنگام تنظیم فشار، همزمان، یک آزمایش ولتاژ بالا، برای بررسی عملکرد، انجام می شود. تجهیز ساخته شده همراه با لوازم جانبی بسته بندی می شود. اسناد و مدارک تجهیز، مانند دستورالعمل عملکرد و گزارش آزمایش کالیبراسیون، ضمیمه می شود. سرانجام برچسب بسته بندی چسبانده می شود، سنسور فشار اکنون برای ارسال آماده است.

انواع سنسور فشار :

وقتی قصد داریم یک سنسور فشار انتخاب کنیم لازم است با سه نوع فشار که هر کدام به طراحی های مختلف سنسور مرتبط می شوند آشنا باشیم. اکثر حسگرهای فشار، تغییر شکل دیافراگم که تحت تاثیر فشار اعمال شده روی آن شکل گرفته است را مورد سنجش قرار می دهند، و این امری است که دانستن آن بسیار مهم است.

از آنجایی که دیافراگم دو سمت (پهلو) دارد، فشار دیگری، روی سمت دیگر آن نیز اعمال می شود. تغییر شکل (انحراف) اندازه گیری شده نتیجه تفاوت فشار بین دو سمت مختلف دیافراگم می باشد.

سنسور های فشار بر اساس «فشار مرجع» به سه دسته تقسیم می شوند که باید در نظر گرفته شود :

۱- فشار مطلق Absolute pressure : در حسگر فشار ابسولوت (مطلق) سمت دوم دیافراگم در خلاء قرار می گیرد و تغییر شکل آن دقیقاً به فشار اندازه گیری شده مرتبط می گردد.

۲- فشار نسبی Relative pressure : در حسگر فشار نسبی سمت دوم دیافراگم تحت فشار اتمسفر قرار می گیرد، بنابراین تغییر شکل آن به تفاوت میان فشار اندازه گیری شده و فشار اتمسفر (محیط) مرتبط می گردد.

۳- فشار تفاضلی Differential pressure : در فشار حسگر فشار تفاضلی برای هر سمت دیافراگم دو ورودی مجزا وجود دارد. پس تغییر شکل آن مربوط به تفاوت فشار میان این دو ورودی می شود.

تفاوت میان حسگر فشار مطلق و حسگر فشار نسبی :

تفاوت میان حسگر فشار مطلق و حسگر فشار نسبی در این است که حسگر فشار مطلق، فشار را نسبت به فشار مرجع که خلاء است می سنجد در حالی که حسگر فشار نسبی، فشار را نسبت به فشار اتمسفر می سنجد، به عبارت دیگر تفاوت میان فشار فرآیند و فشار اتمسفر را اندازه گیری می کند.

هنگام انتخاب حسگر اولین ملاک می بایست نقطه مرجع شما باشد: اینکه آیا مایل هستید فشار مقایسه شده با فشار اتمسفر را بدانید یا خیر؟

حسگر فشار مطلق تنها سنسوری است که قادر به سنجش فشار اتمسفر می باشد پس می توان از آن برای سنجش فشار بارومتریک استفاده کرد.

از جمله کاربردهای آن ها شامل سنجش ارتفاع براساس تغییر فشار اتمسفر به هنگام تغییر ارتفاع می باشد.

فشار اتمسفر با توجه به تغییرات آب و هوایی می تواند تا حدود ۳۰ میلی بار متغیر باشد و اگر ارتفاع حسگرتغییر کند (متغیر بین سطح دریا و ارتفاع ۲۰۰۰ متر) ، می تواند تا حدود ۲۰۰ میلی بار نیز متغیر باشد. بنابراین یک سنسور فشار نسبی ممکن است با توجه به تغییرات فشار اتمسفر، برای یک میزان فشار مشخص ، دچار خطای اندازه گیری شود و فشار های متفاوتی را اندازه گیری کند. برای فشارهای بالا این خطا قابل چشم پوشی است، اما برای فشارهای پایین چشمگیر است. بنابراین دراین مورد بهتر است ازحسگر فشار مطلق استفاده شود.

تفاوت میان حسگر فشار مطلق و حسگر فشار نسبی را فراموش نکنید. حسگر فشار مطلق، فشار را نسبت به فشار مرجع خلاء می سنجد و حسگر فشار  نسبی نسبت به فشار اتمسفر. در واقع سنسور های فشار نسبی تفاوت میان فشار فرآیند و فشار اتمسفر را می سنجند. حسگر فشار نسبی هنگامی کاربرد دارد که بخواهید تاثیر فشار اتمسفر بر روی سنجش را حذف کنید.

برای مثال وقتی از حسگر فشار برای اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک Hydrostatic مایعات (برای اندازه گیری سطح مایعات) استفاده می شود، با توجه به اینکه سطح مایع درون مخزن نیز درمعرض فشار اتسمفر است، حسگر فشار نسبی فقط اجازه سنجش فشار هیدرواستاتیک را می دهد و تاثیر متغیرها بر فشار جوی را حذف می کند.

کاربرد و انتخاب سنسور فشار تفاضلی :

سنسور فشار تفاضلی دارای دو پورت فشار ورودی است که وقتی مایل به دانستن تفاوت فشار میان دو نقطه باشیم مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال می توان برای کاربردهایی از آن بهره گرفت که با استفاده از افت فشار، فلو محاسبه می شود.

سوئیچ فشار چیست ؟

بر خلاف ترانسدیوسر و تراسنمیتر فشار که متناسب با تمامی تغییرات فشار یک سیگنال الکتریکی تولید می کنند، سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) تجهیزی است که قادر به تشخیص تغییرات در فشار سیال می باشد و دارای یک سوئیچ الکتریکی است که می تواند در یک فشار معین ، نقطهSet point  یک کنتاکت الکتریکی را باز یا بسته نماید. به عبارت دیگر به محض اینکه فشار سیال از نقطه تنظیم    Set point بیشتر یا کمتر شود (متناسب با نوع سوئیچ فشار)، سوئیچ تحریک شده وضعیت ها کنتاکت را از حالت باز (NO) به حالت بسته (NC) و یا برعکس تغییر می دهد. همچنین نقطه تنظیم می تواند به صورت ثابت یا قابل تنظیم باشد.

گیج فشار چیست ؟

گیج فشار (پرشر گیج) یک تجهیز برای اندازه گیری و نمایش فشار سیالات (مایعات و گازها) می باشد. معمولا هنگامی که درباره پرشر گیج صحبت می کنیم به یاد گیج های آنالوگ عقربه ای با صفحه نمایش مدرج شده می افتیم.

ولی در واقع به طور کلی گیج های فشار به دو دسته زیر تقسیم می شوند :

گیج فشار (پرشر گیج) آنالوگ (Analog Gauge) :

گیج های فشار آنالوگ، که اغلب به آنها گیج مکانیکی یا گیج فشار عقربه ای نیز گفته می شود، از یک عقربه متحرک به منظور نمایش دادن میزان فشار ورودی بر روی یک صفحه نمایش مدرج شده استفاده می کنند. گیج های فشار آنالوگ تقریبا همه جا یافت می شود زیرا گزینه ای دقیق و ارزان قیمت را ارائه می دهد که به تغذیه و تعمیر و نگهداری احتیاجی ندارد.

گیج فشار (پرشر گیج) دیجیتال (Digital Gauge) :

گیج های فشار دیجیتال از سنسورها و ریز پردازنده های پیشرفته برای نمایش بسیار دقیق فشار بر روی یک نمایشگر دیجیتال استفاده می کنند. گرچه گیج های فشار دیجیتال به طور کلی گران تر از گیج های فشار آنالوگ هستند، اما ویژگی های جذابی به همراه دارند که آنها را برای کاربرد های متفاوت مناسب می سازد.

تفاوت میان سنسور فشار دیافراگمی (Flush diaphragm) و سوزنی یا قلمی (Internal diaphragm) چیست ؟

در مواقعی که نیاز به اندازه گیری فشار سیالات فاسد شدنی ، خمیری ، چسبناک و دارای ویسکوزیته بالا (high Viscosity) و سیالاتی که دارای ذرات جامد معلق (سیالاتی که امکان رسوب شدن و ته نشین شدن دارند) می باشد از سنسور فشار دیافراگمی استفاده می شود.

استفاده از سنسور های فشار به اصطلاح سوزنی (قلمی یا نفوذی) در این گونه مواقع می تواند منجر به گیر کردن سیال داخل پورت فشار سنسور و مسدود شدن آن و یا رسوب کردن ذرات بر روی دیافراگم داخلی سنسور شود. همچنین اگر سیال فاسد شدنی باشد (مانند لبینات ، شیر و …) عدم وجود دبی (حرکت) داخل پورت فشار منجر به فاسد شدن سیال داخل آن و در نتیجه کل سیال خواهد شد.

ورود به دسته بندی محصول سنسور فشار | Pressure Sensor ، تراسنمیتر فشار | Pressure Transmitter