روش های اندازه گیری فشار

روش های اندازه گیری فشار

در این مقاله به بررسی روش های اندازه گیری فشار در علم فیزیک می پردازیم.

اندازه گیری فشار یکی از پراهمیت ترین موارد در صنایع مختلف است. بنابراین باید مقادیر فشار مطابق استانداردها و اصول بین المللی اندازه گیری شود.

همچنین باید توجه داشت که در انتخاب تجهیزات فشار کیفیت محصول اهمیت بالایی دارد.

در ادامه به معرفی روش های اندازه گیری فشار و خصوصیات فنی هر کدام از روش ها می پردازیم.

 اندازه گیری فشار مقاومتی

قاعده اندازه گیری فشار مقاومتی بر اساس تغییرات مقاومت در رسانای الکتریکی است که باعث تغییر در تابع فشار میشود.

از معادله زیر برای محاسبه مقاومت در رسانای الکتریکی به کار میرود:

R: مقاومت الکتریکی

r:  مقاومت ویژه

L: طول

A: سطح مقطع

اگر نیرو به رسانای قابل انبساط اعمال شود، طول رسانا افزایش می یاید. همانگونه که در شکل مشاهده می فرمائید با افزایش طول مساحت ناحیه عبور کاهش می یابد.

 

با توجه به اینکه مقاومت ویژه برای رسانای فلزی (وابسته به دما) برای فلزهای خاصی ثابت است، بنابراین افزایش مقاومت الکتریکی در یک رسانا نتیجه افزایش طول است.

روش اندازه گیری فشار با استفاده از مقاومت با مقدار انحراف کنترل شده ای در بدنه اصلی در زمان اعمال فشار تعریف می شود.

بدنه اصلی در این حالت معمولا خیلی نازک است و دیافراگم نام گذاری می شود.

همانگونه که در شکل مشاهده می فرمائید، مقدار انحرافی که به دلیل تغییر فشار ایجاد می شود با استفاده از استرین گیج اندازه گرفته می شود.

به طور متداول از ۴ عدد استرین گیج در ساخت دیافراگم استفاده می شود.

با اعمال فشار بر دیافراگم تعدادی از استرین گیج ها طولشان افزایش می یابد و تعدادی دیگر فشرده می شوند.

اگر با اعمال فشار دیافراگم انحراف پیدا کند، استرین گیج ها نیز انحراف پیدا می کنند.

مقاومت الکتریکی متناسب با مقدار انحراف استرین گیج ها کاهش یا افزایش می یابد.

برای اندازه گیری تغییرات مقاومت، استرین گیج ها را به روش پل وتسون به یک دیگر وصل می کنند.

 اندازه گیری فشار پیزو-مقاومتی

اندازه گیری فشار به روش پیزو مقاومتی مشابه اندازه گیری فشار مقاومتی است.

با این تفاوت که استرین گیج هایی که برای اندازه گیری فشار در روش پیزوالکتریک به کار می رود، از متریال نیمه رسانا ساخته شده است، تا تغییرات فشار را نمایش دهند.

تفاوت متریال به کار رفته باعث متفاوت بودن این دو روش می شود.

همانگونه که در بالا مشاهده کردید، مقاومت الکتریکی وابسته به مقاومت ویژه است.

اثر پیزورزستیو در فلزات ناچیز است، اما در نیمه رساناهایی مانند سیلیکون، تغییرات طول و ناحیه عبور با ضریبی بین ۱۰ تا ۱۰۰ بیان می شود.

برخلاف استرین گیج های فلزی که به هر متریالی میتوانند وصل شوند. استرین گیج های نیمه هادی تنها در دیافراگم هایی با ساختار میکرو به کار می رود.

بنابراین در تجهیزات ابزار دقیق پیزوالکتریکی، استرین گیج ها و بدنه (قسمت اتصال استرین گیج) از متریال یکسانی ساخته می شوند.

معمولا استرین گیج ها را برای دیافراگم هایی که از سیلیکون ساخته شده اند، با سیم کشی پل وتسون به کار می برند.

از آنجایی که ساختار میکرو در برابر بسیاری از فشارها مقاوم نیست لازم است که این سنسورها برای محافظت بیشتر در تراشه قرار بگیرند.

دلیل اصلی استفاده از محافظ، اعمال فشار غیرمستقیم به نیمه هادی است.

ساختار محافظ معمولا شامل دیافراگم و یک روغن انتقال دهنده می شود.

اگر رنج فشار کاری کم باشد میتوان سنسور را مستقیم به کار برد.

اندازه گیری فشار خازنی

در اندازه گیری فشار خازنی از یک باطری که بین صفحات آن فاصله وجود دارد، استفاده می شود.

خازن در نظر گرفته‌ شده‌ از دو صفحه تشکیل می شود. ظرفیت خازنی برای دو صفحه به صورت زیر محاسبه میشود:

C:   ظرفیت خازنی

e: نفوذ پذیری الکتریکی

A: مساحت صفحات خازن

d: فاصله بین دو صفحه

در طراحی سیستم اندازه گیری فشار خازنی، بدنه اصلی دیافراگم با ماده رسانا پوشش‌ داده‌ می‌شود و بین دو صفحه خازن قرار می‌گیرد.

با اعمال فشار به دیافراگم، فاصله بین دو صفحه کاهش می یابد.

کاهش فاصله موجب افزایش ظرفیت خازنی می شود. (سایر متغیرها در این روش همواره مقدار ثابتی دارند)

با روش خازنی می توان فشار را با دقت بسیار بالایی اندازه گرفت.

با توجه به دقت بالای اندازه گیری فشار به روش خازنی، می توان برای فرآیندهایی با رنج فشار بسیار پایین از آن استفاده کرد.

فشارسنج های خازنی حتی برای سیستم هایی با محدوده فشار میلی باری نیز انتخاب مناسبی است.

اندازه گیری فشار با پیزو الکتریک

اندازه گیری فشار با روش پیزو الکتریک با کمک ویژگی های فیزیکی است که در بعضی از کریستالهای نیمه هادی وجود دارد.

به عنوان مثال می توان کوارتزهای مونو کریستال را نام برد.

با اعمال فشار به کوارتزهای مونو کریستال، صفحات مخالف کریستال، مثبت و منفی به ترتیب شارژ می شوند.

به دلیل جابه جایی الکتریکی عناصر شارژ‌ شده‌، یک دو قطبی الکتریکی ایجاد می شود.

مقدار شارژ متناسب با مقدار نیرویی است که وارد می شود و جهت آن متناسب با جهت نیرویی است که وارد می شود.

ولتاژ الکتریکی ایجاد‌ شده‌ در سطح پیزوالکتریک را می توان اندازه گرفت و تقویت کرد.

از تکنولوژی پیزوالکتریک برای اندازه گیری فشار دینامیکی استفاده می شود.