ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر ــ اصول کاری و انواع

ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر ــ اصول کاری و انواع

ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر (Pressure transmitter) که گاهی به آن ترانسدیوسر فشار نیز می‌گویند، یک تجهیز ابزار دقیق است که فشار را به سیگنال نیوماتیکی یا سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند تا بتوان آن را به فواصل دورتر منتقل کرد و در کاربردهای کنترلی مورد استفاده قرار داد.

در واقع، پارامتر فیزیکی فشار سیال که با سنسور فشار اندازه‌گیری می‌شود، توسط ترنسدیوسر فشار (Pressure transducer) به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود و سپس ترانسمیتر فشار وظیفه استاندارسازی (مثلا ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر)، پردازش و انتقال آن را به عهده دارد. این سیگنال برای تغذیه تجهیزات ابزار دقیق دیگر مانند آلارم، ریکوردر و رگولاتور با هدف اندازه‌گیری، نمایش و یا تغییر فرایند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترانسمیتر فشار

ابتدا باید به این نکته توجه کرد که هر ترانسمیتر فشار قطعا شامل یک ترانسدیوسر فشار و هر ترانسدیوسر فشار هم قطعا شامل یک سنسور فشار است. گاهی این واژه‌ها به جای هم به کار برده می‌شوند.

اما سنسور برای اشاره به المان اندازه‌گیر فشار (مانند بوردن تیوب و دیافراگم)، ترانسدیوسر برای اشاره به سنسور اندازه‌گیری فشار به همراه اجزای تبدیل پارامتر مکانیکی به سیگنال الکتریکی و منبع تغذیه است. ترانسمیتر فشار نیز شامل سه قسمت اساسی منبع تغذیه، ترانسدیوسر فشار و مدارات پردازش سیگنال الکتریکی و تبدیل آن به یک سیگنال استاندارد الکتریکی یا نیوماتیکی و انتقال آن است. در تصویر زیر بازه فشار مورد استفاده برای انواع مختلف سنسورهای فشار نشان داده شده است.

نصب ترانسمیتر فشار

ترانسمیتر فشار پرکاربردترین ابزار دقیق برای اندازه‌گیری فشار در کاربردهای صنعتی است. پرشر ترانسمیتر در اغلب صنایع خود-کنترل از جمله حمل و نقل ریلی، ساختمان هوشمند، اتوماسیون صنعتی، صنایع هوافضا، نظامی، پتروشیمی، نفت و گاز، کشتی، نیروگاه‌های برق، ماشین‌سازی و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترانسمیترهای فشار معمولا به دو صورت local و remote نصب می‌شوند. اما نصب remote به دلیل وزن بالای تجهیز رایج‌تر است. اگر سیال فرایند گاز باشد، قطعا ترانسمیتر فشار باید در موقعیت بالاتر از خط لوله نصب شود. اما اگر سیال فرایند مایع یا بخار باشد، ترانسمیتر فشار در پایین‌تر از خط لوله فرایند نصب می‌شود. توجه کنید که اگر سیال فرایند بخار باشد، حتما باید از condensate pot یا seal pot استفاده شود تا به ترانسمیتر فشار صدمه وارد نشود.

p_operation ترانسمترهای فشار باید حتما در بازه ۵۰٪ تا ۸۰٪ فول اسپن قرار داشته باشند. همچنین بیشترین میزان تحمل فشار ترانسمیتر فشار هم باید ۱.۳ برابر فول اسپن باشد. کانکشن ترانسمیتر فشار بر خلاف گیج فشار به صورت NPTF با اندازه ″۱/۲ است. بیشترین زمان مجاز damping برای این تجهیز ابزار دقیق ۲۰ ثانیه است. اما برای اکثر ترانسمیترهای فشار این مقدار ۲ ثانیه است.

دقت ترانسمیترهای فشار حتما باید بیشتر از ۰.۵٪ F.S باشد که امروزه با پیشرفت تکنولوژی رسیدن به مقادیر بالاتر نیز کاملا عملی است. ترانسمیتر فشار هم مانند هر تجهیز دارای سیگنال الکتریکی باید دارای استاندارد ضد انفجار باشد که به آن EX می‌گویند. همچنین ترانسمیترهای فشار حداقل استاندارد حفاظتی IP65 نیز الزامی است.تکرارپذیری این تجهیزات باید ٪۰.۲±  باشد. توجه کنید که تکرارپذیری دستگاه بر خلاف تنظیمات، با کالیبراسیون بهبود نمی‌یابد و یک خطای ماندگار محسوب می‌شود.

متعلقات ترانسمیتر فشار

برخلاف گیج‌های فشار، ترانسمیترهای فشار به متعلقات زیادی نیاز ندارند. هر گیج فشار متعلقاتی از جمله منیفولد، diaphragm seal، سایفون (syphone)، کپیلری تیوب، تجهیزات pulsation damper مانند snubber و تجهیزات over range protector دارد.

اما ترانسمیترهای فشار چون معمولا به صورت remote نصب می‌شوند، پس دچار تلاطم نمی‌شوند و به pulsation damper احتیاج ندارند. همچنین به این دلیل که رنج‌های محدودی ندارند، پس به تجهیزات over range protector نیازی ندارند. ترانسمیترهای فشار معمولا فقط به منیفولد و diaphragm seal نیاز دارند. البته اگر دمای سیال بالا باشد، از ترکیب diaphragm seal و کپیلری تیوب استفاده می‌شود و در این حالت استفاده از منیفولد لازم نیست.

انواع ترانسمیتر فشار

بر اساس نوع فشار اندازه‌گیری، می‌توان ترانسمیتر یا ترانسدیوسرهای فشار را به سه نوع فشار مطلق، فشار گیج و فشار تفاضلی طبقه‌بندی کرد.

ترانسمیتر فشار مطلق:

ترانسدیوسر فشار مطلق، فشار را نسبت به خلا کامل، با استفاده از صفر مطلق به عنوان نقطه مرجع می‌سنجد. یک مثال از این نوع ترانسدیوسرها، ترانسدیوسر فشار بارومتریک (barometric) است. این ترانسمیترها همچنین دارای گیج آب‌بندی شده هستند که در آن سیگنال برای مطابقت با فشار گیج در زمان ساخت، تنظیم شده است.

ترانسمیتر فشار گیج:

نوع دوم، ترانسمیتر فشار گیج است که فشار را نسبت به فشار اتمسفری محلی می‌سنجد. به عنوان یک مثال از این نوع می‌توان به ترانسمیتر فشار تایر اشاره کرد. مثال دیگر ترانسمیتر خلا است که سیگنال‌های آن معکوس شده‌اند تا هنگامی که فشار اندازه‌گیری شده زیر فشار اتمسفر است، مقداری مثبت باشند.

ترانسمیتر فشار تفاضلی:

ترانسمیتر فشار تفاضلی نوع سوم پرشر ترانسمیترهای تفاضلی هستند که اختلاف فشار بین دو منبع فشار ورودی را اندازه‌گیری می‌کنند. هر ترانسمیتر فشار تفاضلی دارای دو پورت فشار پایین و فشار بالا است که هنگام نصب حتما باید به اتصال صحیح آن‌ها توجه کرد. یک نمونه از ترانسمیترهای فشار تفاضلی در مانیتورینگ فیلترها است. با گرفتگی یا انسداد فیلتر، فشار تفاضلی آن افزایش می‌یابد.

یک طبقه‌بندی دیگر از ترانسمیترهای فشار، بر حسب نوع المان اندازه‌گیری سنسور آن است. در این حالت انواع مختلفی از سنسورهای مکانیکی مانند ترانسمیترهای فشار استرین گیج مقاومتی (resistance strain gauge)، ترانسمیترهای فشار استرین گیج نیمه‌رسانا، ترانسمیترهای فشار پیزورزیستیو (piezoresistive)، ترانسمیترهای فشار القایی، ترانسمیترهای فشار خازنی، ترانسمیترهای فشار رزونانس و شتاب‌سنج‌های خازنی وجود دارند. در ادامه به بررسی پرکاربردترین انواع ترانسمیترهای فشار بر حسب المان اندازه‌گیر و اصول کار آن‌ها می‌پردازیم.

ترانسمیتر فشار استرین گیج

ترانسمیتر فشار یا ترانسدیوسر فشار استرین گیج به صورت گسترده، مخصوصا در اندازه‌گیری فشار تفاضلی و فشارهای narrow-span مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تجهیز می‌تواند هم فشار گیج و هم فشار تفاضلی را اندازه‌گیری کند. برای اندازه‌گیری فشار گیج باید پورت فشار پایین آن رو به فشار اتمسفر باز گذاشته شود. برای اندازه‌گیری فشار تفاضلی نیز باید پورت‌ها به دو فشار فرایند مد نظر متصل شوند. اگر سمت فشار ضعیف یک رفرنس خلا آب‌بندی شده باشد، در این حالت ترانسمیتر فشار به عنوان یک ترانسمیتر فشار مطلق عمل خواهد کرد.

ترانسمیتر یا ترانسدیوسر استرین گیج برای بازه‌های فشار بسیار پایین در حدود ۳ اینچ آب و نیز بسیار بالا در حدود ۲۰۰۰۰۰psig موجود هستند. همچنین بازه‌های عدم دقت از ۰.۱٪ تا ۰.۲۵٪ فول اسپن هستند. منابع خطای اضافه می‌توانند ۰.۲۵٪ درفت فول اسکیل در طول شش ماه و ۰.۲۵٪ اثرات دمایی فول اسکیل در هر ۱۰۰۰ درجه فارنهایت باشند.

یکی از پرکاربردترین انواع ترانسمیترهای فشار استرین گیج، نوع پیزورزیستیو است که دارای قیمت بسیار پایین، دقت بالا، و عملکرد خطی مناسب است. حال ساختار و نحوه عملکرد استرین گیج مقاومتی را بررسی می‌کنیم.

استرین گیج

یک استرین گیج در واقع ابزاری با حساسیت بالا است که تغییرات نیروی کششی بر وسیله تحت اندازه‌گیری را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این ابزار یکی از مهم‌ترین اجزا ترانسمیترهای فشار استرین گیج پیزورزیستیو است. پرکاربردترین استرین گیج‌های مقاومتی انواع فلزی و نیمه‌رسانا هستند. نوع فلزی خود شامل دو نوع رشته‌ای (filament) و فویل فلزی (metal foil) است. معمولا استرین گیج توسط یک چسب مخصوص به ماتریس کرنش مکانیکی متصل می‌شود.

زمانی که نیروی تنشی بر اثر فشار تغییر می‌کند، استرین گیج نیز تغییر فرم می‌دهد و در نتیجه مقدار مقاومت آن تغییر می‌کند. استرین گیج را در یک مدار پل استرین گیج یا پل وتستون به کار می‌برند تا تغییر مقاومت به تغییر ولتاژ متناسب با آن تبدیل شود. تغییرات مقاومت استرین گیج هنگام اعمال فشار بسیار کوچک است. به همین دلیل ابتدا توسط تقویت‌کننده، تقویت می‌شود و سپس به مدار پردازش‌ (معمولا مبدل آنالوگ به دیجیتال)، نمایشگر و یا محرک (actuator) منتقل می‌شود. در تصویر زیر ساختار داخلی یک استرین گیج مقاومتی فلزی نشان داده شده است.

بازه مقاومت استرین گیج باید حتما ذکر شود. اگر مقدار مقاومت خیلی کوچک باشد، جریان درایو آن بزرگ می‌شود و گرمای ناشی از استرین گیج موجب افزایش دما می‌شود. بسته به کاربرد در محیط‌های مختلف مقدار مقاومت استرین گیج متفاوت و دریفت صفر خروجی واضح خواهد بود. همچنین مدار تنظیم صفر پیچیده است. از طرف دیگر، اگر مقاومت بزرگ باشد، مقدار امپدانس نیز بالا خواهد بود و توانایی مقاومت در برابر تداخلات الکترومغناطیسی خارجی ضعیف خواهد بود. معمولا استرین گیج‌ها از مقاومت حدود ده اهم تا چند ده کیلواهم موجود هستند.

اصول کار استرین گیج‌های مقاومتی فلزی بر این پدیده استوار است که مقاومت کششی روی ماده پایه با تغییر شکل مکانیکی، تغییر می‌کند. به این پدیده اثر استرین مقاومتی (resistance strain effect) می‌گویند. مقدار مقاومت فلز رسانا معمولا تابع مقاومت ویژه فلز رسانا (ρ)، سطح رسانا و طول آن است. اگر استرین گیج تحت یک نیروی خارجی کشیده شود، طول آن افزایش، سطح کاهش و در نتیجه مقاومت آن افزایش می‌یابد. اما اگر تحت نیروی خارجی فشرده شود، طول آن کاهش، سطح آن افزایش و در نتیجه مقاومت آن کاهش می‌یابد.

ترانسمیتر فشار خازنی

ترانسمیتر یا ترانسدیوسر فشار خازنی در ابتدا برای استفاده در تحقیقات فشار پایین خلا توسعه یافت. تغییرات خازنی ناشی از حرکت المان دیافراگمی است. بسته به نوع فشار، ترانسمیتر فشار خازنی می‌تواند ترانسمیتر یا ترانسدیوسر فشار تفاضلی، گیج و یا مطلق باشد. ترانسدیوسر فشار خازنی به دلیل گسترده بودن بازه اندازه‌گیری، از خلا در بازه میکرون تا ۱۰۰۰۰psig دارای تنوع بسیار بالایی هستند. فشار تفاضلی بسیار پایین در حد ۰.۰۱ اینچ آب را نیز می‌توان با ترانسمیتر فشار نوع خازنی اندازه‌گیری کرد و در مقایسه با نوع استرین گیج، دریفت کمتری هم دارند. در طراحی‌های دقیق این ترانسدیوسر، دقت اندازه‌گیری به ۰.۱٪ خوانش یا ۰.۰۱٪ فول اسکیل می‌رسد. اثرات دمایی معمولا حدود ۰.۲۵٪ فول اسکیل در هر ۱۰۰۰ درجه فارنهایت است.

ترانسمیتر یا ترانسدیوسر خازنی معمولا به عنوان استاندارد ثانویه (secondary standard) مخصوصا در کاربردهای فشار تفاضلی کم و فشار مطلق پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ترانسمیترها کاملا واکنش‌گرا (responsive) هستند، زیرا فاصله‌ای که دیافراگم به صورت فیزیکی طی می‌کند فقط در حد چند میکرون است. ترانسدیوسرهای فشار خازنی جدیدتر در مقابل خوردگی مقاوم‌تر هستند. همچنین حساسیت کمتری به اثرات خازنی سرگردان (stray capacitance) و ارتعاشی دارند که در طراحی‌های قدیمی‌تر باعث پرش در اندازه‌گیری می‌شد.

فولاد ضدزنگ متداول‌ترین ماده مورد استفاده برای ساخت دیافراگم است. اما برای سیالات با خورندگی بالا، آلیاژهای فولادی با نیکل بالا، مانند هستلوی (Hastelloy) عملکرد بهتری خواهند داشت. برای کاربردهای با خورندگی بالا و دمای بالا از تانتالیوم (Tantalum) نیز استفاده می‌شود. به عنوان یک مورد خاص، از نقره به عنوان دیافراگم برای اندازه‌گیری فشار کلر، فلوئور و سایر هالوژن‌ها در حالت عنصری استفاده کرد.

ترانسمیتر فشار پتانسیومتری

ترانسمیتر فشار پتانسیومتری (potentiometric) روشی ساده برای به دست آوردن یک خروجی الکترونیکی از گیج فشار مکانیکی است. این نوع ترانسمیتر فشار از یک پتانسیومتر دقیق تشکیل شده است که بازوی حرکتی آن به صورت مکانیکی به المان بوردن تیوب، دیافراگم یا بیلوز متصل شده است. حرکات این بازو در طول پتاسیومتر، انحراف تشخیص‌داده شده مکانیکی سنسور را با استفاده از پل وتستون به یک اندازه‌گیری مقاومت تبدیل می‌کند. ماهیت مکانیکی اتصال بازوی پتانسیومتر به المان بوردن تیوب، دیافراگم یا بیلوز موجب ایجاد خطای اجتناب ناپذیری در این نوع ترانسمیترهای فشار می‌شود. اثرات دمایی نیز به دلیل ضرایب انبساط حرارتی متفاوت اجزای فلزی سیستم، موجب خطاهای اضافی می‌شوند.

ترانسمیترهای فشار پتانسیومتری می‌توانند در اندازه‌های بسیار کوچکی ساخته شوند و در مکان‌های کوچک مانند هاوزینگ یک گیج فشار با صفحه ۴.۵ اینچ نیز نصب شوند. همچنین این ترانسمیترهای فشار می‌توانند خروجی قدرتمندی تولید کنند که بدون استفاده از تقویت کننده اضافی قابل خواندن است. همین ویژگی آن‌ها را برای استفاده در کاربردهای توان پایین بسیار مناسب می‌سازد. قیمت این نوع از ترانسدیوسرهای فشار بسیار ارزان است و می‌توانند فشارهای بین ۵ تا ۱۰۰۰۰psig را اندازه‌گیری کنند. دقت آن‌ها نیز بین ۰.۵٪ تا ۱٪ فول اسکیل است که شامل اثرات دما و دریفت نمی‌شود.

ترانسدیوسر فشار سیم رزونانس

ترانسدیوسر فشار سیم رزونانس (resonant-wire pressure transducer) در اواخر ۱۹۷۰ به صنعت معرفی شد. در طراحی این ترانسدیوسرهای فشار، یک سیم توسط یک قسمت ثابت در یک انتها و توسط دیافراگم در انتهای دیگر نگه داشته می‌شود. یک مدار نوسانگر باعث می‌شود که سیم در فرکانس تشدید خود نوسان کند. هر گونه تغییر در فشار فرایند باعث تغییر کشش سیم می‌شود که آن هم به نوبه خود فرکانس رزونانس سیم را تغییر می‌دهد. یک مدار شمارنده دیجیتال مقدار جابه‌جایی را تشخیص می‌دهد. به این دلیل که تغییر در فرکانس را می‌توان با دقت بالایی تشخیص داد، ترانسدیوسر فشار نوع سیم رزونانس برای کاربردهای فشار تفاضلی بسیار کوچک و نیز فشار مطلق و گیج مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزیت مهم ترانسدیوسر فشار سیم رزونانس این است که ذاتا یک سیگنال دیجیتال تولید می‌کند و در نتیجه می‌تواند مستقیما به یک کلاک کریستال پایدار در میکروپرسسور ارسال شود. این ترانسدیوسر محدودیت‌ها و نقاط ضعفی مانند حساسیت به تغییرات دما، سیگنال خروجی غیرخطی و حساسیت به شوک و ارتعاش دارد. البته این محدودیت‌ها معمولا با استفاده از یک میکروپروسسور برای جبران‌سازی غیرخطی بودن و نیز تغییرات دمای فرایند و محیط کاهش می‌یابند. ترانسدیوسر فشار سیم رزونانس می‌تواند فشار مطلق را از ۱۰ میلی‌متر جیوه، فشار تفاضلی را تا ۷۵۰ اینچ آب و فشار گیج را تا ۶۰۰۰psig اندازه‌گیری کنند. دقت معمول آن‌ها ۰.۱٪ اسپن کالیبره با دریفت شش ماه ۰.۱٪ و اثرات دمایی ۰.۲٪ در هر ۱۰۰۰ درجه فارنهایت است.

خروجی الکتریکی ترانسمیترهای فشار

ترانسمیتر یا ترانسدیوسرهای فشار معمولا در سه نوع خروجی الکتریکی میلی ولت، ولتاژ تقویت شده و یا ۴ تا ۲۰ میلی آمپر موجود هستند. در ادامه به بررسی این سه نوع خروجی و دلایل استفاده از هر کدام می‌پردازیم.

ترانسدیوسر فشار با خروجی میلی ولت

ترانسدیوسر فشار با خروجی میلی ولت معمولا به صرفه‌ترین نوع ترانسمیترهای فشار محسوب می‌شوند. خروجی این ترانسمیترها تقریبا حدود ۳۰ میلی ولت است. خروجی واقعی مستقیما با تحریک (excitation) یا توان ورودی ترانسدیوسر فشار متناسب است. اگر تحریک نوسان کند، خروجی نیز تغییر خواهد کرد. به دلیل وجود این وابستگی به سطح تحریک، منبع تغذیه رگوله شده برای استفاده در این نوع ترانسمیترهای فشار توصیه می‌شود. به این دلیل که سیگنال خروجی بسیار پایین است، این نوع ترانسمیتر فشار نباید در یک محیط با نویز الکتریکی بالا قرار بگیرد. همچنین فاصله بین ترانسمیتر و محل قرائت نیز باید کوتاه باشد.

ترانسدیوسر فشار با خروجی ولتاژ

ترانسدیوسر فشار با خروجی ولتاژ دارای یک سیگنال کاندیشنر مجتمع است که ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به ترانسدیوسر با خروجی میلی ولت فراهم می‌کند. خروجی معمولا بین ۰ تا ۵ ولت dc یا ۰ تا ۱۰ ولت dc است. همچنین خروجی این ترانسمیترهای فشار معمولا یک تابع مستقیم از میزان تحریک نیست. این امر بدین معنی است که تا زمانی که در یک بازه توان معین باشند، منبع تغذیه رگوله نشده برای استفاده در آن‌ها کفایت می‌کند. چون خروجی سطح بالاتری دارند، این ترانسمیترها در برابر نویزهای الکتریکی محل مقاوم‌ترند و در نتیجه در محیط‌های صنعتی بالاتری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترانسمیتر فشار با خروجی جریان

این نوع از ترانسدیوسرهای فشار را می‌توان ترانسمیترهای فشار نیز دانست. چون جریان ۴ تا ۲۰ میلی آمپر کمتر تحت تاثیر نویزهای الکتریکی و مقاومت سیم‌های انتقال قرار می‌گیرد، در نتیجه این ترانسمیترهای فشار برای کاربردهای انتقال سیگنال به فواصل دور بهترین انتخاب هستند. بعد از این مراحل لازم است خروجی الکتریکی به یک واحد استاندارد مهندسی مانند psi یا bar تبدیل شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده

کالیبراسیون ترانسمیتر فشار

فلومتر اختلاف فشار یا فشار تفاضلی

انتخاب فلومتر ــ راهنمای جامع

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها