سنسور فشار دیافراگمی ــ مفاهیم و اصول کاری

سنسور فشار دیافراگمی (diaphragm) یکی از انواع سنسورهای فشار است. اندازه‌گیری فشار یکی از ملزومات بسیار متداول در اکثر سیستم‌های کنترل فرایندهای صنعتی است و بعد از دما، دومین پارامتر در فرایندها است که بیشترین اندازه‌گیری را دارد. در این مطلب از وبلاگ پریسماتک ابتدا به بررسی مفاهیم ابتدایی در مورد فشار می‌پردازیم و سپس ساختار سنسور فشار دیافراگمی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

اندازه‌گیری فشار

انواع مختلفی از سیستم‌های سنجش و اندازه گیری فشار در صنعت وجود دارند تا پاسخگوی این نیاز در فرایندهای صنعتی باشند. اما قبل از بررسی انواع سنسورهای فشار، باید بدانیم که به طور کلی سه نوع فشار برای کمیت سنجی آن داریم. این سه نوع فشار عبارتند از: فشار مطلق، فشار گیج و فشار تفاضلی.

فشار مطلق

فشار مطلق برابر است با اختلاف بین فشار سیال و فشار صفر مطلق.

فشار گیج

این نوع فشار بیانگر اختلاف بین فشار سیال و فشار اتمسفر است. بنابراین رابطه بین فشار مطلق و فشار گیج به صورت زیر است:

فشار مطلق = فشار گیج + فشار اتمسفر

مقدار معمول فشار اتمسفر برابر با ۱/۰۱۳ بار است. با این حال، به دلیل اینکه فشار اتمسفر با تغییر ارتفاع و شرایط آب‌و‌هوایی تغییر می‌کند، مقداری ثابت نیست. چون فشار گیج هم به فشار اتمسفر وابسته است، پس آن هم مقدار ثابتی نخواهد داشت.

فشار تفاضلی

این نوع فشار بیانگر اختلاف بین دو مقدار فشار مطلق، مانند اختلاف فشار در دو نقطه مختلف درون یک سیال است. معمولا بین دو طرف یک محدودکننده فلو در یک سیستم، نرخ فلوی حجمی اندازه‌گیری می‌شود. فشار تفاضلی کمیتی است که از کمیت‌های پایه نیرو و سطح مشتق می‌شود و معمولا با ترم نیروی اعمال شده بر یک سطح مشخص اندازه‌گیری می‌شود.

واحد اندازه‌گیری فشار

واحد SI برای اندازه‌گیری فشار پاسکال است که به صورت نیوتون بر متر مربع نیز بیان می‌شود. واحد متریک دیگر فشار، بار (bar) نام دارد و هر بار برابر با ۱۰۰۰۰ پاسکال است. واحد پوند بر اینچ مربع یا psi واحد دیگر فشار است که واحد SI نیست، اما کاربرد گسترده‌ای مخصوصا در کشورهای آمریکا و کانادا دارد. گاهی فشار را با واحد اینچ جیوه یا اینچ آب نیز بیان می‌کنند، به خصوص هنگام اندازه‌گیری فشار خون و یا در خطوط لوله گاز. دو واحد آخر از ارتفاع جیوه در لوله مانومتر اتخاذ شده‌اند، که روش متداول اندازه‌گیری فشار در گذشته به شمار می‌آمد. torr هم واحد دیگری برای اندازه‌گیری فشار است که مخصوص اندازه‌گیری فشارهای بسیار پایین است. هر torr برابر با ۱۳۳/۳پاسکال است.

برای جلوگیری از ابهام، هنگام نوشتن مقدار فشار از حروف a یا abs برای نشان دادن فشار مطلق، g برای نشان دادن فشار گیج و d برای نشان دادن فشار تفاضلی استفاده می‌شود. بنابراین مقدار bar (g) ۲/۵۷ به این معنی است که مقدار فشار برابر با ۲/۵۷ است و بر حسب فشار گیج اندازه‌گیری انجام شده است. در مورد واحد فشار اینچ بر متر مربع متداول است که فشارهای مطلق، گیج و تفاضلی را به ترتیب با psia و psig و psid بیان کنند.

کاربردهای هر کدام از انواع فشار

اندازه‌گیری فشار مطلق با هدف سنجش ارتفاع هواپیماها و با کمیت‌سنجی فشار اتمسفر به وجود آمد. وسیله انجام این کار نیز اوج سنج (altimeter) نام دارد. همچنین مقادیر بسیار پایین فشار نیز معمولا با فشار مطلق اندازه‌گیری می‌شوند. از طرف دیگر، اندازه‌گیری فشار گیج توسط ابزارهایی مانند فشارسنج تایر اتومبیل‌ها و یا فشارسنج نقاط مختلف در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. فشار تفاضلی نیز با هدف سنجش فشار در برخی از فرایندهای صنعتی مخصوصا بخش‌هایی از ادوات سنجش نرخ فلو سیال یا فلومترها به کار می‌روند.

در اغلب کاربردها، بازه فشار اندازه‌گیری شده بین ۱/۰۱۳ بار (میانگین فشار اتمسفری) تا ۷۰۰۰ بار قرار دارد. این بازه را بازه فشار نرمال در نظر می‌گیرند و تعداد بسیار زیادی سنسور فشار وجود دارند که می‌توانند فشار را در این بازه اندازه‌گیری کنند. اندازه‌گیری فشار در خارج این بازه متداول نیست. برخی از سنسورهایی که برای سنجش فشار در بازه نرمال به کار می‌روند قادرند فشارهای بالاتر یا پایین‌تر از بازه را هم اندازه‌ بگیرند. البته توصیه می‌شود از سنسورهای مخصوص سنجش فشار برای فشارهای خیلی پایین یا خیلی بالا استفاده شود. به ابزاری که مخصوص سنجش فشارهای خیلی پایین است، خلاءسنج (vacuum gauge) می‌گویند.

در مقالات بخش سنسورهای فشار وبلاگ پریسماتک به بررسی انواع اصلی سنسورهای فشار می‌پردازیم. در این مطلب اولین نوع از این سنسورها یعنی سنسور فشار دیافراگمی را بررسی می‌کنیم.

سنسور فشار دیافراگمی

سنسور فشار دیافراگمی یکی از سه نوع ترانسدیوسر (transducer) فشار با المان ارتجاعی به شمار می‌آید. ساختار سنسور فشار دیافراگمی در تصویر زیر نشان داده شده است.

فشار وارد شده باعث جابه‌جایی دیافراگرام می‌شود و این حرکت توسط ترانسدیوسر جابه‌جایی اندازه‌گیری می‌شود. انواع مختلف سنسور فشار دیافراگمی می‌توانند هم فشار مطلق (تا ۵۰ بار) و هم فشار گیج (تا ۲۰۰۰ بار) را اندازه‌ بگیرند و این توانایی به این نکته بستگی دارد که آیا فضای یک طرف دیافراگم سنسور به ترتیب خلا است و یا رو به اتمسفر باز است. البته سنسور فشار دیافراگمی می‌تواند فشار تفاضلی (تا ۲/۵ بار) را نیز اندازه‌گیری کند. برای این کار باید دو فشار مختلف به دو طرف دیافراگم وارد شوند.

جنس دیافراگم می‌تواند آلیاژ فلزات، پلاستیک، استیل ضدزنگ و یا سرامیک باشد. همچنین در سنسورهای ممز یا سیستم مکانیکی میکروالکتریکی (MEMS) از دیافراگم سیلیکونی استفاده می شود. دیافراگم‌های پلاستیکی ارزان‌ترین نوع هستند و از طرف دیگر دیافراگم‌های فلزی دقت بهتری دارند. دیافراگم‌های استیل ضد زنگ معمولا در دماهای بالا و یا محیط‌ های با خورندگی بالا و نیز در صنایع غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. دیافراگم‌های سرامیکی حتی در برابر اسیدها و بازهای قوی نیز مقاوم هستند و زمانی به کار می‌روند که محیط‌ کاری بسیار خشن باشد. گاهی به سنسورهای فشاری که جنس دیافراگم آن‌ها فلزی باشد، گیج خشک (aneroid gauge) نیز می‌گویند.

ترانسدیوسر جابه‌جایی

دامنه متداول جابه‌جایی دیافراگم حدود ۰/۱ میلی‌متر است. این مقدار جابه‌جایی برای اندازه‌گیری توسط ترانسدیوسر جابه‌جایی نوع استرین گیج کاملا مناسب است. البته در برخی دیگر از انواع سنسور فشار دیافراگمی از سایر انواع ترانسدیوسرهای جابه‌جایی استفاده می‌شود. اگر برای سنجش میزان جابه‌جایی دیافراگم استرین گیج استفاده شود، باید چهار استرین گیج در آرایش مدار پل قرار داده شوند. مقدار ولتاژ خروجی مدار پل تابعی از تغییرات مقاومتی مدار به دلیل حرکت دیافراگم است. این آرایش به صورت خودکار برای تغییرات دمایی محیط نیز جبران‌ساز فراهم می‌کند. در تصویر زیر یک سنسور فشار دیافراگمی همراه با ترانسدیوسر استرین گیج نشان داده شده است.

در انواع قدیمی ترانسدیوسرهای فشار از استرین گیج فلزی استفاده می‌شد که به یک دیافراگم از جنس استیل ضدزنگ متصل شده بود. علاوه بر دشواری ساخت ناشی از مشکلات هنگام ایجاد اتصالات در گیج، استرین گیج فلزی دارای فاکتور گیج پایینی است. این امر بدین معنی است که ولتاژ ضعیف خروجی استرین گیج باید توسط یک امپلیفایر DC تقویت شود. علاوه بر این، رابطه بین ولتاژ خروجی و مقدار جابه‌جایی به شدت غیرخطی بود.

ترانسدیوسر پیزورزیستیو

مشکل اتصالات استرین گیج با ظهور تراسدیوسرهای فشار پیزورزیستیو (piezoresistive) حل شد. پیزورزیستیوها دارای عدم قطعیت اندازه‌گیری برابر با ٪۰/۵± هستند و امروزه متداول‌ترین نوع ترانسدیوسرهای فشار دیافراگمی به شمار می‌آیند. یک سلول پیزورزیستیو از صفحه‌ای سیلیکونی ساخته شده است که در طول فرایند ساخت مقاومت‌هایی درون آن پراکنده شده‌اند. این ترانسدیوسرهای فشار در ابعاد بسیار کوچک ساخته می‌شوند و معمولا به آن‌ها سنسورهای ممز یا میکروسنسور می‌گویند.

علاوه بر رفع مشکل دشواری در اتصالات، سلول‌های پیزورزیستیو این مزیت را دارند که برای تولید به تعداد زیاد، بسیار ارزان هستند. البته مشخصه غیرخطی بودن سنسور همچنان باقی می‌ماند. برای حل این مشکل معمولا سیگنال خروجی با یک مدار خطی‌ساز اکتیو پردازش می‌شود و یا سلول با یک ترانسدیوسر اندازه‌گیری هوشمند مبتنی بر میکروپروسسور تلفیق می‌شود. روش دوم معمولا تبدیل آنالوگ به دیجیتال و نیز امکانات وقفه را درون یک چیپ فراهم می‌کند و خروجی دیجیتالی دارد که می‌تواند در سیستم‌های کنترل کامپیوتری استفاده شود. این ابزار همچنین می‌تواند به جبران‌ساز دمای اتوماتیک، عیب‌یابی درونی و روش کالیبراسیون ساده مجهز باشد.

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

ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده

فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد

سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد

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

منبع