سنسور فشار وسیله ای است که برای تبدیل تغییرات فیزیکی به سیگنال الکتریکی استفاده می شود. این وسیله به عنوان ابزاری حیاتی در صنایع فرآیندی به خصوص صنعت نفت و گاز استفاده می شود؛ صنایعی که با انواع سیالات و گازها سروکار دارند. این ابزار قادر است پارامتر مکانیکی فشار را به یک سیگنال خروجی الکتریکی چهار تا بیست میلی آمپر تبدیل کند. راهنمایی در انتخاب این ابزار بر اساس نوع کاربرد و شرایط محیطی، همواره یکی از اساسی ترین نیازهای صنعتگران و ماشین سازان می باشد. در بسیاری از موارد نیازی به صرف هزینه های زیادی برای تهیه پرشر سنسور نیست، اما در برخی کاربردهای خاص و حساس، انتخاب اشتباه سنسور و رعایت نکردن مشخصات فنی می تواند منجر به صدمات و صدمات جبران ناپذیری شود.
سنسور فشار چیست؟
سنسور فشار (Pressure Sensor) وسیله ای برای اندازه گیری فشار مایعات و گازها است. حسگرهای اولیه اندازه گیری فشار، مکانیکی بودند و از لوله های فشارسنج بوردون و حرکت دادن یک سوزن برای نشان دادن فشار استفاده می کردند. سنسورهای فشار امروزی، فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند. البته انواع سنسور فشار با فشارسنج ها فرق دارند؛ فشار سنج های امروزی نیز گاها کارکرد مکانیکی دارند.
سنسور فشار چگونه کار می کند؟
به طور خلاصه، یک سنسور فشار، فشار را به یک سیگنال الکتریکی کوچک تبدیل می کند که مخابره و نمایش داده می شود. به این دلیل معمولاً به این ترانسمیترهای فشار نیز می گویند. دو سیگنال متداول که استفاده می شود، سیگنال چهار تا بیست میلی آمپر و سیگنال صفر تا پنج ولت است. بیشتر حسگرهای فشار با استفاده از اثر پیزوالکتریک کار می کنند. این زمانی است که یک ماده در پاسخ به استرس بار الکتریکی ایجاد می کند. این تنش معمولاً فشار است اما می تواند پیچ خورده، خمیده یا ارتعاش باشد. سنسور فشار، فشار را تشخیص می دهد و می تواند با اندازه گیری بار الکتریکی میزان فشار را تعیین کند. سنسورهای فشار باید کالیبره شوند تا بدانند سیگنال ولتاژ یا میلی آمپر (mA) با چه فشاری مطابقت دارد. این یک کالیبراسیون اولیه “صفر” و “اسپان” یا حداقل و حداکثر است که یک کار رایج برای پرسنل تعمیر و نگهداری است.
اصول کاری در یک سنسور فشار چیست؟
اصول کاری یک سنسور فشار طبق واکنش فیزیکی نسبت به فشار اعمالی می باشد. سنسور فشار تغییرات نسبی به وجود آمده را به صورت الکتریکی اندازه کرده و برای این هدف از پدیدههایی مانند تغییر در ظرفیت خازنی، تغییر در مقاومت اهمی یک استرینگیج یا کرنشسنج (Strain Gauge) و عنصر پیزوالکتریک استفاده میکند. تمام این تغییرات با توجه به دامنه انحراف پس از اعمال فشار می باشند.
انواع سنسور فشار
سنسورهای فشار را می توان با توجه به روشی که تغییرات میزان فشار را تشخیص می دهد، دسته بندی نمود. این سنسورها می تواند واکنش های فیزیکی گوناگون را اندازه گیری کنند. از رایج ترین سنسورهای فشار می توان به 7 مدل زیر اشاره کرد:
1.کرنش سنج (Strain gauge)
از کرنش سنج ها می توان برای محاسبه تغییرات در ابعاد ماده استفاده کرد. با توجه به نیروی وارده به جسم، اگر ابعاد جسم نسبت به حالت اولیه خود افزایش یابد، کرنش مثبت است، یعنی ماده دچار کشش شده است. اگر ابعاد نسبت به حالت اولیه خود کاهش یابد، کرنش منفی است، یعنی ماده دچار فشردگی شده است. محاسبه کرنش در این سنسور با توجه به تغییرات مقاومت اندازه گیری می شود.
2. خازنی (Capacitive)
خازن وسیله ای است که برای ذخیره بار الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. خازن ها با داشتن دو هادی که با شکافی نزدیک به هم از یکدیگر جدا شدند، عمل می کنند. سنسور فشار خازنی می تواند ظرفیت بین دو صفحه را اندازه گیری کند. فاصله بین دو صفحه مقادیر خازن را تعیین می کند و این مقادیر با فشار اطراف سنسور دچار تغییر می شود.
سنسور فشار خازنی برای کاربردهای مختلفی مانند اندازه گیری تغییرات فشار در موتورهای جت، کشتی ها و لاستیک خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. طراحی آنها ساده است و به همین دلیل می توان از آنها در محیط های سخت و خشن استفاده کرد.
3. پیزوالکتریک (Piezoelectric)
سنسور فشار پیزوالکتریک با استفاده از اثر پیزوالکتریک کار می کند. اثر پیزوالکتریک با تولید یک بار الکتریکی به عنوان پاسخی برای تغییرات فیزیکی مواد توصیف می شود. این تاثیرات در مواد خاصی تا حدی که قابل اندازه گیری باشد، مشهود تر است. بار ایجاد شده با نیروی اعمال شده متناسب است، لذا می توان فشار مربوطه را اندازه گیری نمود.
سنسور فشار پیزوالکتریک را می توان در اندازه های بسیار کوچک تولید کرد. در نتیجه انتخاب بسیار مناسبی برای کاربردهایی است که فضای محدودی دارند. همچنین این سنسور می تواند فرکانس های بالا را دریافت کند که آن را برای اندازه گیری های پویا بین نقاطی که فواصل کوتاه دارند مناسب می سازد.
4. پیزورزیستیو (Piezoresistive)
در سنسور فشار پیزورزیستیو، عنصر اندازه گیری پل ویت استون بر پایه سیلیکون است. زمانی که کمترین فشاری اعمال شود مقاومت الکتریکی افزایش یافته و در نتیجه مقاومت تغییر می کند. معمولا از پیزورزیستیو برای اندازه گیری فشار ساکن استفاده می شود به این علت که این حسگر ها بدون رانش است.
در این حسگر به کمک تراشه سیلیکونی و از طریق یک لایه و روغن سیلیکون، فشار حس می شود. با توجه به کاربردشان، این حسگرها توانایی اندازه گیری فشار خلاء، اختلافی و گیج را دارد.
5.مانومتر (Manometers)
مانومترها نیز بر همین اساس کار می کنند، یعنی لوله ای که از حرکت مایع برای مقایسه فشار توسط دو سطح خود استفاده می کند. اولین مانومتر ها شکلی مانند U داشتند که درون آن با مایعی پر شده و به وسیله فشار وارد شده، ارتفاع آن تغییر می کند.
از مانومتر می توان برای کالیبره کردن تجهیزات دیگر نیز استفاده نمود. امروزه نیز استفاده از مانومتر در آزمایشگاه ها امری رایج است. اما به دلیل آهسته بودن روند اندازه گیری و دامنه محدود فشار برای کاربردهای تشخیص فشار دینامیکی مناسب نیست.
6.فشار خلاء (Vacuum pressure)
معمولا حسگرهای فشار با اندازه گیری نیروی اعمال شده به یک دستگاه مکانیکی کار می کنند. این روش ها زمانی پیچیده می شود که فشار وارد شده زیر سطح اتمسفر به ویژه سطوح فشار خلاء شدید باشد. در فشار خلاء، اندازه گیری کمتر به واکنش های مکانیکی وابسته است. در عوض حسگرهای خلاء اثرات بر خواص ماده را مشاهده و اندازه گیری می کنند.معروف ترین سنسور خلاء که برای اندازه گیری فشار در خلاء مورد استفاده قرار می گیرد، سنسور پیرانی است که به نام مخترع آن یعنی مارچلو استفانو پیرانی (Marcello Stefano Pirani) نامگذاری شده است. سنسور فشار پیرانی با اندازه گیری مقاومت یک رشته گرم شده که در محفظه ای قرار دارد، کار می کند. همانطور که محفظه گیج در معرض فشار خلاء قرار می گیرد، دمای محفظه کاهش می یابد. تغییرات دما به طور نسبی رسانایی را در رشته تغییر می دهد. بنابراین می توان از این خاصیت برای اندازه گیری غیر مستقیم فشار استفاده کرد.
7.بوردون تیوب (Bourdon tube)
در سنسورهای فشار دیدیم که معمولا نحوه اندازه گیری آنها بر اساس تغییر شکل فیزیکی ناشی از نیروی وارد بر ماده است. بوردون تیوب یا لوله بوردون نیز از همین خاصیت ولی به شکلی بسیار مبتکرانه استفاده می کند.
لوله های بوردون از لوله ای به شکل C ساخته شده که یک سر آن بسته است. در حالی که سر دیگه لوله باز و با محیط بیرون در تماس است. با توجه به خواص کشسانی و فیزیکی لاستیک، با افزایش فشار، انتهای لوله به سمت بیرون تمایل پیدا می کند و با بازگشت فشار به اندازه اولیه، لوله به حالت اولیه خود بازمیگردد. به کمک این تغییر رفتار در لوله می توان تغییرات فشار را اندازه گیری کرد.
Bourdon tube بسیار ساده، ارزان و در عین حال با دوام است. آنها اندازه گیری در فشار بالا را فراهم کرده و به دلیل ماهیت مکانیکی خود در معرض ضربه و لرزش هستند. استفاده از Bourdon tube در فشارهای کم که نیاز به اندازه گیری دقیق دارد پیشنهاد نمی شود.
نکات با اهمیت در انتخاب یک سنسور فشار
- برای انتخاب سنسور فشار یکی از اساسی ترین موارد قابل ملاحظه دامنه و محدوده فشاری است که می خواهیم برای آن سنسور انتخاب کنیم.
- نوع فشار موردی است که باید هنگام انتخاب سنسور به آن دقت کرد، فشار گیج بیشتر در فشار اتمسفریک که به عنوان نقطه مرجع یا نقطه صفر شناخته می شود.
- نوع خروجی سنسور فشار و رنج آن
- دقت سنسور نکته ای است که قیمت آن را تعیین می کند. هرچه دقت بالاتر باشد هزینه نیز بیشتر می شود.
- رزولوشن نکته ی کاربردی است که کاربران حین انتخاب سنسور فشار باید مد نظر قرار دهند.
- طول عمر و تکرار پذیری و مدت زمانی که میخواهید از سنسور استفاده کنید نیز موردی است که باید درنظر بگیرید.
- درجه حفاظت سنسور (IP) سطح ایمنی سنسور
- نوع کانکشن و اتصالات سنسور هم از نظر الکتریکی و هم از نظر مکانیکی
- محیط کاربری که می خواهید از سنسور در آن استفاده کنید. در یک محیط داخلی یا خارجی و یا در یک منطقه مملو از نویزهای الکترو مغناطیسی از قبیل پمپ ها یا موتورها در هر صورت باید از از محل نصب سنسورها و حفاظت کابل ها اطمینان حاصل کنید.
