فشار، همواره معقوله ایی بوده که بشر با آن سر و کار داشته و تقریباً بعد از وقوع انقلاب صنعتی در غرب نیاز به اندازه گیری این کمیت افزایش پیدا کرد. از همین جهت تلاش برای گسترش و توسعه سنسور فشار افزایش پیدا کرد.
صحبت از اندازه گیری کمیت شد لازم به ذکر است یادآوری کنیم کمیت ها به دو نوع بُرداری (دارای مقدار و جهت) و کمیت های اسکالر یا نرده ای (فقط دارای مقدار) تقسیم می شوند.
کمیت های اسکالر مانند وزن، دما و چگالی و کمیت برداری مانند سرعت ، فشار، شتاب و هر کمیت دیگری که برای بیان آن علاوه بر مقدار و بزرگی نیاز به ابراز جهت آن هم داریم.
اغلب افراد آماتور ، درک واضحی از مفهوم فشار ندارند و اغلب آن را با مفاهیم دیگر مانند نیرو یا وزن ، اشتباه گرفته و آن را تبدیل به غلط مصطلح در جامعه می نمایند. در حالی که مفهوم فشار، ترکیبی از این دو مفهوم است و عامل دیگری به نام سطح در آن دخیل می شود. با این تفاسیر میتوانیم فشار را این گونه تفسیر کنیم که به نسبت میان نیروی وارد شده و سطح مقطعی که به آن نیرو وارد می شود فشار گفته می شود. نسبت نیروی وارده به فشار، مستقیم ، و نسبت سطح مقطع به فشار، معکوس می باشد، پس می توان آن را در غالب فرمول اینگونه بیان نمود P=F/A که P برابر با فشار ، F برابر با نیرو و A برابر با سطح مقطع یا مساحت می باشد.
برای درک بهتر این نسبت کافیست تا با شصت خود با تمام قوا به دیوار فشار وارد کنید. می بینید که دیوار خم به ابرو هم نخواهد آورد!!!
در این مثال سطح مقطع برابر با مساحت نوک انگشت شماست. حال بیایید مخرج کسر یعنی سطح مقطع یا همان شصت خود به میزان 1000 برابر کوچکتر کنید!!! البته برای این امر نیازی نیست تا انگشت خود را بتراشید فقط کافیست از یک پونز نو با نوک سوزنی به جای انگشت خود استفاده و به واسطه آن ، نیرو را به دیوار وارد کنید. خواهید دید که با نیرویی بسیار کمتر از آنچه که در مثال اول به دیوار وارد آوردید ، پونز دیوار را سوراخ و به آن نفوذ می کند.
حال باز می گردیم به مبحث اصلی یعنی اندازه گیری کمی فشار و سنسور های فشار. همانطور که گفته شد، بشر از سالهای دور به فکر اندازهگیری فشار بوده تا بتواند آن را با واحد های استاندارد عنوان نماید. برای انجام این کار لازم است تا ما ابزاری ابداع کنیم تا اولاً فشار، روی آن تاثیر فیزیکی بگذارد، دوماً بر اساس همین تغییر، تغییر مستقیمی در ویژگی ها و خواص آن ماده یا ابزار ایجاد شود. در این مورد دانشمندان توانستند به سنسور فشار پیزورزستیو یا پیزو مقاومتی دست یابند. پیزورزستیو یک اصل ساخت سنسور فشار است که کمپانی KELLER برای ساخت تقریبا همه تجهیزات اندازه گیری فشار خود از آن در ساختشان بهره می برد. درون این سنسور یک محفظه ی ایزوله وجود دارد که داخل آن با روغن پر شده است. ساختار محفظه به این شکل است که از همه طرف کاملاً بسته و ایزوله بوده به جز یک طرف که توسط یک دیافراگم منعطف کاملاً محصور شده. و از داخل محفظه دو الکترود به بیرون هدایت شده.
اساس کار این سنسور فشار به این شکل است که سیال از سمتی که دیافراگم وجود دارد با سنسور فشار در تماس قرار میگیرد. فشار سیال، به دیافراگم سنسور فشار منتقل می شود و دیافراگم روغن درون محفظه را فشرده میکند. این فشردگی باعث تغییر در خواص الکتریکی روغن شده بنا بر این اگر ما به دو الکترود موجود در روغن ، ولتاژ اعمال کنیم، روغن پس از فشردگی جریان بیشتری از الکتریسیته را از خود عبور خواهد داد.
حال برای اینکه این جریان عبوری را برای خودمان به صورت معنا دار تبدیل کنیم، میتوانیم از یکی از انواع استاندارد های خروجی موجود در ابزار دقیق برای این امر استفاده کنیم.
خروجی های تجهیزات انواع مختلفی دارند که در مقاله ایی جداگانه به آن خواهیم پرداخت. یکی از این استاندارد ها که بیشتر مورد استفاده برای سنسور فشار قرار میگیرد ، خروجی 20-4 mA می باشد. در این نوع خروجی میزان شدت جریان الکتریکی در مدار ، مورد استفاده قرار میگیرد؛ به این معنا که اگر سنسور فشار 4 میلی آمپر خروجی دهد ، میزان فشار ، حداقل و اگر 20 میلی آمپر جریان را عبور دهد میزان فشار سیال در بالا ترین حد رنج سنسور فشار خواهد بود.
که البته تنظیم این مقادیر به صورت دستی امکان پذیر است و می توان آن را با هر مقدار، که مدنظر دارید کالیبره نمایید.
در بازار ایران!!!
البته موضوعی که گفتن آن خالی از لطف نیست این است که متاسفانه در بازار ایران تفاوتی بین واژه سنسور فشار و ترانسمیتر فشار قائل نمی شوند.
سنسور فشار یک تجهیز به لحاظ ابعادی کوچکتر (البته در اغلب موارد) و تفاوتی که با ترانسمیتر فشار دارد در این است که سیگنال های خروجی از سنسور فشار یا اصطلاحاً ترنسدیوسر (Pressure Transducer) بسیار ضعیف بوده و به لحاظ ابعاد می تواند نهایتا در طول یک بورد الکترونیکی سیگنال ها را انتقال دهند. اگر ما همین سنسور را توسط یک مدار الکترونیکی تقویت کنیم به قسمی که بتوان اطلاعات را حتی تا چندصد متر انتقال داد آنگاه به آن تجهیز ترانسمیتر فشار (Pressure Transmitter) گفته می شود.
سنسور های فشار KELLER
سنسور های فشار keller انواع مختلفی را شامل می شود که آنها را بر اساس موضوعات زیر تقسیم بندی کرده:
سنسور فشار با رنج متوسط: (OEM Pressure Transducers)
این سنسور ها نهایتاً تا رنج 200 …0 bar را ساپورت می کنند . دارای دقت 0.25% می باشند. و به لحاظ ابعادی جسه کوچکتری دارند.
سنسور های فشار رنج بالا: (OEM High-Pressure Transducers)
حداقل رنج این سنسور فشار 100بار و تا 2000 بار را هم ساپورت می کنند. دقت این سنسور فشار ±0.5%FS می باشد و به لحاظ دمایی از منفی° 50 سانتی گراد تا °200+ را تحمل می کنند.
سنسور های فشار اختلافی: (OEM Differential Pressure Transducers)
این نوع سنسور فشار جهت اندازهگیری اختلاف فشار بین دو نقطه طراحی شده اند. این سنسور، در دو نوع فشار بالا و فشار پایین تولید می شود. رنج اندازهگیری اختلاف فشار در هر دو آنها 0.1 … 0 تا 30 … 0 bar می باشد اما در مدل Series PD-10LHP فشار خط 600bar و در مدل Series PD-10L فشار خط یا اصطلاحاً Line pressure ، 200bar می باشد. دقت این سنسور ها 0.25%± می باشد.
سنسور های فشار رزوه ایی : (OEM Pressure Transducers With Thread)
این سنسور ها مناسب برای مکان هایی هستند که احتیاج به فیکس کردن محکم تر سنسور وجود دارد. در این سری می توان تا رنج 1000 بار را نیز تامین نمود. ضمناً اگر به دنبال سنسور فشاری هستید که دارای سیستم خنک کننده داخلی باشد و تا دمای 350 درجه سانتیگراد بدون از دست دادن دقت ، به کار ادامه دهد و تا دمای 450 درجه سانتیگراد خراب نشود حتماً آن را می توانید در این سری از سنسور فشار های کلر بیابید.
سنسور فشار های فوق کوچک و بدون روغن: (Miniature Pressure Transducers Without Oil Filling)
اگر سیستم شما به اندازه گیری فشار های بالا نیازی ندارد و از طرفی به دنبال یک سنسور فشار خیلی ظریف کوچک هستید و ابعاد بزرگی را برای نصب در اختیار ندارید پیشنهاد KELLER به شما ، این سری سنسور های فشار می باشد. در این سری دو مدل 0 … 5bar یک مدل 30bar و یک مدل هم 0 … 400bar موجود می باشد. دقت این سنسور ها 0.5%± می باشد.
بررسی 4 نوع از استاندارد های اندازه گیری فشار
کمیت فشار به نحوی باید مورد سنجش قرار گیرد تا مرجع آن مشخص باشد. یعنی شما باید بدانید که این عددی که بابت فشار این سیال به دست آوردید نسبت به چه فشاری سنجیده شده؟ به طور مثال من در حال نگاه کردن به دو خودرو هستم در حالی که خودم هم در حال رانندگی هستم. حالا اگر بخواهم مقدار سرعت خودرو A را بسنجم، نسبت به خودرو B یک سرعت را ثبت می کنم، نسبت به خودم یک عدد و نسبت زمین ثابت یک عدد دیگر را مشاهده خواهم کرد.
در مورد اندازه گیری فشار هم همین امر صادق می باشد.
در زیر به چهار مورد از این استاندارد ها اشاره خواهیم کرد:
فشار مطلق: (Absolute Pressure)
فشار واقعی در هر نقطه را فشار مطلق میگویند که نسبت به خلأ مطلق (absolute vacuum) سنجیده میشود.
ساختار این سنسور فشار به این شکل است که به صورت پیشفرض، در محفظهی ایزولهی پشت سنسور به میزان -1 اتمسفر فشار منفی اعمال شده، یعنی زمانی که خروجی سنسور فشار در کمترین میزان خود ( اگر خروجی جریانی باشد 4mA ) قرار داشته باشد در اصل فشار آن سیال 1- اتمسفر خواهد بود
زمانی که مرجع اندازه گیری شما خلا مطلق (absolute vacuum) باشد. آنگاه باید از تجهیزی استفاده کنید که با این استاندارد همگن باشد. در خصوص تجهیزات KELLER ، شناسه آنهایی که از استاندارد ابسولوت پیروی می کنند، با پیشوند PAA شروع می شود. به طور مثال اگر شما به یک ترانسمیتر مدل 21Y ، 0 … 16 بار ، با استاندارد ابسولوت نیاز داشته باشید آنگاه شناسه این تجهیز می شود KELLER Pressure Transmitter PAA – 21Y – 0…16 bar
فشار گیج : (Gauge Pressure)
حال اگر مرجع اندازه گیری فشار شما ، مثبت یک اتمسفر واقعی باشد، آنگاه مرجع سنسور فشار شما از استاندارد Gauge پیروی خواهد کرد.
فشار یک اتمسفر در حقیقت برابر است با فشار هوای آزاد در کنار ساحل آب های آزاد. به زبان ساده تر می توان اینگونه بیان کرد تجهیزاتی که از این استاندارد پیروی می کنند، در کنار آبهای آزاد صفر می شوند.
ساختار این دست سنسور های فشار اینگونه است که در پشت سنسور همواره به میزان یک اتمسفر فشار ثابت وجود دارد.
در سیستم نام گذاری تجهیزات کمپانی KELLER ، شناسه این تجهیزات با پسوند PA شروع می شود. به طور مثال شناسه ی یک سنسور فشار مدل 23SY با رنج 16 بار میشود: KELLER Pressure Transmitter PA-23SY-0…16bar
فشار نسبی: (Relative Pressure)
برخی مواقع می خواهید فشار سیال خود را نسبت به فشار اتمسفر در همان نقطه که حظور دارید و در حال اندازه گیری هستید سنجیده شود. در این صورت شما باید از تجهیزی استفاده کنید که از استاندارد Relative یا نسبی پیروی نماید.
همانطور که از اسم این استاندارد برمیآید این تجهیزات، فشار فرآیند شما نسبت به فشار اتمسفر در همان ارتفاع که حضور دارید را می سنجند. در ساختار این سنسور ها هیچ فشار پیشفرضی به پشت سنسور اعمال نشده و سنسور با هوای آزاد در ارتباط است.
در تجهیزات KELLER ، شناسه آنهایی که فشار نسبی را اندازه گیری می کنند با پیشوند PR شروع می شوند.
به طور مثال، شناسهی یک ترانسمیتر مدل 33x با رنج فشار 1000 بار،
نوشته می شود: KELLER Pressure Transmitter PR-33X-0…16bar
فشار تفاضلی: (Differential Pressure)
به طور مثال شما یک مخزن پر از روغن دارید که فشار روغن در بالای آن پایین از سطوح پایینی آن کمتر است و شما نیاز دارید تا اختلاف فشار بین این دو نقطه را به دست بیاورید. در این صورت شما نیاز به تجهیزی دارید تا از استاندار فشار تفاضلی یا اختلافی و یا (Differential Pressure) پیروی نماید. طبعاً این تجهیزات به جای یک اتصال مکانیکی از دو اتصال بهره مند هستند. که هر کدام از این اتصال ها به بخش مجزایی از سیال متصل می شود.
در ساختار این سنسور ها به جای اینکه در پشت سنسور، فشاری پیشفرض اعمال شود ؛ قسمت پشتی سنسور را به بخش دیگری از سیال متصل میکنند. در اصل یک سمت سنسور با سیال و سمت دیگر آن با بخشی دیگر از همان سیال در ارتباط خواهد بود.
تجهیزاتی از کلر که از این الگو پیروی می کنند با پیشوند PD مشخص می شوند. به طور مثال یک ترانسمیتر مدل 25Y به شناسه ی KELLER Pressure Transmitter PD-25Y-0..16bar شناخته خواهد شد.
انواع ساختار سنسور فشار:
سنسور های فشار KELLER به دو صورت دیافراگمی و سوزنی عرضه می شوند. آن سنسور هایی که دیافراگمی هستند قابلیت سفارش گذاری در حالت ضد خورندگی ( با دیافراگم هستلوی ) را دارا هستند.
کلیه تجهیزات KELLER از یک سال گارانتی که مجری آن شرکت مهندسی دقت گستر تجهیز است ، و ده سال خدمات پس از فروش بهره مند هستند.
کلام آخر
در مقالات بعد ساختار سنسور های فشار بیشتر از گذشته شرح خواهیم داد کما اینکه در مقاله ی ساختار سنسور فشار پیزورزستیو ، به صورت خلاصه به آنها پرداخته شد. امید است تا با ارائه این مقالات گامی کوچک در آشنایی شما دوستداران علم، با این مباحث برداشته باشیم.