تکنولوژی اندازه گیری فشار در مانومترهای الکتریکی
فشارسنج ها به دو دسته اصلی عقربه ای یا آنالوگ و الکتریکی یا دیجیتال تقسیم می شوند. در این مقاله به بررسی تکنولوژی اندازه گیری فشار در مانومترهای الکتریکی می پردازیم.
مانومترهای الکتریکی ایمنی و دقت فرآیند را بالا می برند و ذخیره انرژی فرآیندها را کنترل می کند.
در سیستم های هوایی و هیدرولیک، اندازه گیری و کنترل فشار، مهمترین پیش نیاز کنترل ایمن و اقتصادی سیستم است.
در طی بیست سال گذشته، وسایل اندازه گیری فشار الکترونیک برای کاربردهای متنوعی به کار رفته اند.
نصب مانومتر الکتریکی در صنایع گوناگونی متداول شده است. این افزایش نصب نشان دهنده افزایش تولید مانومترهای الکتریکی است.
در ابتدای عرضه این مدل مانومترها کاربر رنج انتخاب گسترده ای نداشت.
اما امروزه کاربر با رنج گسترده ای از تولیدات روبه رو است بنابراین باید ویژگی های سنسور را به خوبی بشناسد تا انتخاب مناسبی داشته باشد.
انتخاب گیج فشار
در روش سنتی انتخاب دستگاه اندازه گیری یک فرآیند، تعدادی از پارامترها با یک دیگر مقایسه می شوند.
مقایسه پارامترها برای اطمینان از بالاترین بهره برداری از سیستم الزامی است.
از دیگر دلایل اهمیت انتخاب مناسب دستگاه اندازه گیری میتوان موارد زیر را نام برد:
- دستیابی یا افزایش عملکرد برنامه ریزی شده برای ماشین و دستگاه
- کاهش مجموع هزینه ها
انتخاب نادرست تجهیزات ابزار دقیق در یک سیستم تنها ضرر مالی ندارد، بلکه در سیستم های حساس خطر امنیتی نیز دارد.
بنابراین به منظور انتخاب بهترین دستگاه اندازه گیری فشار، کاربران و مهندسان باید درباره عملکرد دستگاه های اندازه گیری فشار اطلاعات کاملی داشته باشند.
از مهم ترین نکاتی که در هنگام انتخاب فشارسنج باید در نظر گرفت عبارتند از:
- مزایا و معایب تکنولوژی سنسورهای مختلف
- اطلاعات پایه تکنولوژی تجهیزات
در انتخاب فشارسنج الکتریکی باید موارد زیر را در نظر گرفت:
- رنج فشار
- اتصال فرآیند
- اتصال الکتریکی
- سیگنال خروجی
- دقت اندازه گیری
فشار و اندازه گیری فشار
از مهم ترین تجهیزات اندازه گیری فشار، فشارسنج های هیدرواستاتیک هستند که ساختار داخلی آن ها از یک ستون مایع و فشار اتمسفر تشکیل شده است.
تعریف فشار
طبق قرار دادهای جهانی فشار به صورت زیر تعریف می شود:
نیرو بر واحد سطحی که به شکل عمودی بر سطح وارد میشود بنابراین نسبت مقدار نیرو F به مساحت سطح وارده A را فشار می نامند:
واسطه های تراکم ناپذیر مانند مایعات برای انتقال فشار بهترین انتخاب هستند. همچنین از گازهای تراکم ناپذیر برای ذخیره انرژی در فشار سنج ها استفاده می شود.
واحد بین المللی فشار
در سیستم SI واحد فشار پاسکال است (با نماد Pa) ، در این سیستم واحد نیرو نیوتون و واحد طول متر است که مطابق رابطه بالا یک پاسکال برابر است با:
در سیستم اروپایی، مشابه سیستم SI واحد بار متداولترین واحد برای بیان مقادیر فشار است.
در آمریکای شمالی psiواحد متداول فشار است که برابر با نیرو (با واحد پوند) به مربع اینچ است.
در سیستم های آسیایی واحدهای متداول فشار MPa و Kg/cm2 می باشند.
در جدول زیر میتوانید تبدیل های واحدهای مختلف فشار را مشاهده کنید.
| تبدیل | واحد فشار | |
| ۱۰۰۰ mbar | ۱۰۵ pa | ۱ bar |
| ۶۸٫۹۵ mbar | ۶۸۹۵ Pa | ۱ psi |
| ۱۰ bar | ۱۰۶Pa | ۱ MPa |
| .۹۸۱ bar | .۰۹۸۱ MPa | ۱ Kg/cm2 |
فشار مطلق، فشار و اختلاف فشار
فشار مطلق، فشار و اختلاف فشار سه پارامتری هستند که از پایه با هم متفاوت هستند. این فشارها در اندازه فشار نقطه صفر متناظر با یک دیگر متفاوت هستند.
نقطه صفر در حالت فشار مطلق به فشار در فضای خالی به عنوان مثال در خلا گفته میشود.
نقطه صفر برای گیج فشار در هوا به دست می آید. این فشار هوا تقریبا برابر ۱bar در سطح دریا است.
با افزایش ارتفاع به طور پیوسته فشار کاهش می یابد.
باید توجه داشت که فشار یک محیط به شرایط آب و هوایی آن محیط نیز وابسته است.
در شکل تفاوت میان گیج فشار و فشار مطلق را مشاهده میکنید.
در بعضی از کاربردها نیاز به اندازه گیری اختلاف فشار دو نقطه متفاوت از سیستم است. در این حالت نیاز به اندازه گیری فشار تفاضلی داریم.
متداول ترین کاربرد این روش را اندازه گیری اختلاف فشار قبل و بعد از فیلتر است.
ساختار اندازه گیری الکتریکی فشار
برای ساخت مانومتر الکتریکی به سنسوری نیاز داریم که تغییرات فشار اندازه گیری کند و با دقت و تکرار به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند.
سیگنال الکتریکی رابطه مستقیم با فشار اعمال شده و تغییرات فشار دارد. در ادامه اصول اندازه گیری این فشارسنج ها توضیح داده میشود.
یکی از روش های ساخت فشارسنج های الکتریکی استفاده از المان فشار مقاومتی است. در این روش تغییر در مقاومت هادی الکتریکی وابسته به تغییرات فشار است.
مقاومت هادی الکتریکی طبق معادله زیر محاسبه می شود:
مقاومت الکتریکی:
R
مقاومت ویژه:
طول:
L
ناحیه عبور فشار:
A
اگر یک نیروی کششی به هادی اعمال شود طول هادی افزایش پیدا می کند و مساحت کاهش پیدا میکند.
مقاومت ویژه برای رساناهای فلزی (وابسته به دما) برای فلزهای خاصی ثابت است، در نتیجه با توجه به ساختار افزایش مقاومت الکتریکی نتیجه افزایش طول است.
در این روش فشار با توجه به مقدار انحراف کنترل شده بدنه اصلی در زمان اعمال فشار تعریف می شود.
اندازه گیری فشار با کمک مقاومت با توجه به مقدار انحراف کنترل شده بدنه اصلی در زمان اعمال فشار تعریف می شود.
بدنه اصلی این مدل خیلی نازک است و عموما با نام دیافراگم شناخته میشود. مطابق شکل زیر مقدار انحرافی که به خاطر فشار ایجاد شده است به وسیله یک استرین گیج اندازه میگیرند.
به طور متداول ۴ استرین گیج برای یک دیافراگم استفاده میشود.
با اعمال فشار، استرین گیج ها کشیده می شوند و طولشان افزایش می یابد یا ممکن است فشرده شوند.
در صورتی که با اعمال فشار دیافراگم انحراف پیدا کند، استرین گیج ها نیز منحرف می شوند. (مطابق شکل قبل)
مقاومت الکتریکی متناسب با میزان انحراف کاهش یا افزایش مییابد. برای اندازه گیری دقیق تغییرات مقاومت، استرین گیجها به روش پل وتسون به یک دیگر متصل شده اند.
