در اوایل دهه 1590 میلادی، مردم شیفته اندازه گیری فشار و تغییرات فشار بودند. قبل از اختراع سنسور فشار، اولین روش ها برای توضیح تغییرات فشار به کمک لوله های شیشه ای و آزمایش های فشارسنج بود. این ابزار ساده اندازه گیری نشان می داد که سیال درون لوله به چه میزان تحت فشار است.
از حدود 5 قرن گذشته تا به امروز، ما راه طولانی را تا اندازه گیری سیالات در لوله ها پیموده ایم. امروزه همچنین تغییرات فشار بر خواص فیزیکی و الکتریکی مواد را نیز به خوبی درک می کنیم. اندازه گیری فشار با دقتی چشم گیر به کمک سنسورهای پیشرفته فشار بسیار آسان است.
سنسور فشار چیست؟
سنسور فشار ابزاری است که فشار را حس کرده و آن را اندازه گیری می کند. در این حالت، فشار به عنوان مقدار نیروی وارد شده بر یک منطقه مشخص تعریف می شود. سنسور فشار امکان تعمیرات هدفمند، تخصصی و قابل پیشبینی را فراهم می کند. این سنسور اطلاعات را در زمان واقعی در مورد شرایط تجهیزات جمع آوری کرده و بر اساس این اطلاعات، سنسورها (حسگر) می تواند الگوهای خرابی را پیش بینی و برای آن آماده شود.
برای درک بهتر این موضوع، می توانید از تعاریف زیر نیز کمک بگیرید:
فشار (Pressure)
فشار را می توان به عنوان نیروی اعمال شده توسط مایع یا گاز بر یک سطح مشخص تعریف کرد و معمولا بر حسب واحد “نیرو در واحد سطح”، اندازه گیری می شود. واحد های رایج را می توان پاسکال (Pa)، پوند بر اینچ مربع (psi)، بار (bar) و نیوتون بر متر مربع نام برد.
سنسور یا حسگر (Sensor)
سنسور وسیله ای است که کمیت فیزیکی را اندازه گیری و آن را به سیگنال تبدیل می کند. مقدار اندازه گیری شده می تواند شامل طول، دما، نیرو و البته فشار باشد. در اکثر موارد سیگنال ها به صورت الکتریکی هستند اما می توان سیگنال نوری نیز باشد.
سنسور فشار (Pressure sensor)
پس با تعریف فشار و سنسور، می توانید حدس بزنید که سنسور فشار ابزاری است که از یک عنصر حساس به فشار برای تشخیص فشار واقعی اعمال شده به سنسور و برخی اجزا برای تبدیل این اطلاعات به سیگنال خروجی است.
چگونه کار می کند؟
سنسور فشار با تغییر فیزیکی که در ماده اتفاق می افتاد می تواند اختلاف فشار ایجاد شده را اندازه گیری کند. سپس داده های دریافتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل کرده و این سیگنال ها می تواند به عنوان اطلاعات قابل درک و تفسیر نمایش داده شود..
معمولا برای سنسور های فشار از یک گیج فشار نیز استفاده می شود. گیج فشار یک دستگاه مکانیکی است که تغییرات فشار را به صورت دیجیتالی یا عقربه ای نمایش می دهد.
باید به این نکته توجه کرد که سنسور فشار با گیج فشار متفاوت است. گیج های فشار با نوع طراحی خود یک خروجی مستقیم است که مقدار فشار را ارائه می دهد. این کار می تواند به صورت یک نمایشگر آنالوگ (مکانیکی) با استفاده از یک سوزن و مقیاس مندرج باشد، یا به وسیله یک نمایشگر دیجیتالی میزان فشار را نمایش دهد.
از طرف دیگر سنسورهای فشار به طور مستقیم یک خروجی قابل خواندن و نمایش را ارائه نمی دهد، بلکه یک مقدار سیگنال خروجی تولید می کند که متناسب با فشار خوانده شده است.
انواع اندازه گیری فشار
ویژگی های مختلفی برای سنسورهای فشار وجود دارد که می توان آنها را بر این اساس طبقه بندی کرد. از جمله محدوده دمایی کار یا نوع فشاری که اندازه گیری می کند. این قسمت از جذاب ترین و مهم ترین ویژگی های فشار است که البته برای درک بهتر آن باید بیشتر دقت کنید. انواع مختلف فشار را می توان به فشار مطلق، فشار گیج، فشار اتمسفر و فشار اختلافی دسته بندی نمود که در ادامه به طور مختصر با آنها آشنا می شویم:
فشار گیج (Gauge pressure)
فشاری است که نسبت به فشار اتمسفر محیط اندازه گیری می شود. یعنی مرجع اندازه گیری فشاری است که در محیط و در همان نقطه وجود دارد. در این صورت برای فشار های وارد شده که بیشتر از محیط باشد فشار مثبت، و برای فشار های که کمتر از فشار محیط باشد عدد منفی در نظر گرفته می شود. نقطه صفر نیز برای گیج، فشار محیط است.
فشار مطلق (Absolute pressure)
سنسورهای فشار مطلق نتیجه را نسبت به خلاء اندازه گیری می کند. در واقع نقطه صفر در این سنسور را خلاء در نظر می گیرند. نتایج اندازه گیری در این سنسور همیشه مثبت است به این دلیل که فشاری کمتر از خلاء وجود ندارد.
از آنجا که فشار گیج نتایج دقیقی در ارتفاعات مختلف نشان نمی دهد، می توان از سنسور فشار مطلق استفاده نمود. همچنین برای تشخیص ارتفاع نیز از این سنسور استفاده می شود. برای بهینه سازی میزان باد لاستیک نیز این سنسور کاربرد دارد.
فشار اختلافی (Differential pressure)
همانند فشار گیج، تفاوت میزان فشار در دو نقطه را می توان به وسیله سنسور فشار اختلافی اندازه گیری کرد. با این تفاوت که فشار مرجع یکی از نقاط سیستم است که توسط طراح سیستم تعریف می شود. با توجه به اینکه فشار کدام یک از نقاط بیشتر باشد، تغییر در خروجی دیفرانسیل منفی یا مثبت است. به عنوان مثال دو اتاق را در نظر بگیرید که به وسیله یک دیوار از هم جدا شدند. میزان اختلاف فشار این دو اتاق را می توان با نصب سنسورهای فشار اختلافی در دیوار اندازه گیری کرد.
فشار اتمسفر (Atmospheric pressure)
فشار اتمسفر که فشار جو نیز نامیده می شود، نیرویی است که در واحد سطح توسط یک ستون اتمسفر اعمال می شود. این فشار همان فشار درون جو زمین است. این فشار معادل با 101325 پاسکال یا 760 میلی متر جیوه است. واحد اتمسفر تقریبا معادل فشار اتمسفر متوسط در سطح دریا در زمین است. از سنسور فشار اتمسفر برای محاسبه میزان فشار نسبت به سطح دریا های آزاد استفاده می شود.
بعد از اینکه با انواع مختلف اندازه گیری فشار آشنا شدید و تفاوت میان آنها را به خوبی درک کردید، بیایید کمی این موضوع را بیشتر گسترش داده و به دو نوع دیگر از اندازه گیری فشار بپردازیم. در هنگام خرید سنسور حتما با این دو اصطلاح برخورد کردید:
فشار ونتد گیج (Vented Gauge)
در پشت این سنسور فشار و قسمت دیافراگم، روزنه کوچکی وجود دارد که همیشه با محیط بیرون یعنی اتمسفر در تماس است. در نتیجه سنسور فشار همیشه مرجع خود را محیط در نظر گرفته و صفر را نسبت به آن تنظیم می کند. مزیت این این سنسور نشان دادن نقطه صفر در هر فشار اتمسفر است و با تغییرات فشار محیط دچار تغییر نمی شود. کاربرد Vented Gauge معمولا در محدوده فشار پایین است که خروجی به طور قابل ملاحظه ای تحت تاثیر تغییرات اتمسفر قرار می گیرد.
فشار مهر و موم شده (Sealed Gauge)
همانطور که از اسمش پیداست، فشار مهر و موم شده به معنای فشاری است که در محفظه ای در پشت سنسور مهر و موم شده و هیچگونه ارتباطی با محیط بیرون ندارد. فشار داخل محفظه حدودا معادل 1 بار یعنی فشار اندازه گیری شده در سطح دریا است. با توجه به اینکه فشار اتمسفر به دلیل تغییر آب و هوا و دما همیشه در حال تغییر است، می توان به کمک یک Sealed Gauge در هر شرایط آب و هوایی با توجه به فشار 1 بار، فشار محیط را اندازه گیری نمود.
Sealed Gauge بهترین روش برای کاربردهایی با محدوده فشار بالا و دمای ثابت است. مثلا در هیدرولیک، تغییرات دما حداقل تاثیر را در دقت اندازه گیری فشار دارد. همچنین برای کاربردهایی که نمی توان از Vented Gauge استفاده کرد و امکان تماس با محیط بیرون وجود ندارد، Sealed Gauge بهترین انتخاب است. مثلا یک سنسور عمق سنج که داخل یک زیردریایی نصب شده، در صورتی که Sealed Gauge باشد می تواند در هر عمقی، فاصله زیردریایی را با سطح دریا محاسبه کند.
انواع سنسور فشار
سنسورهای فشار را می توان با توجه به روشی که تغییرات میزان فشار را تشخیص می دهد، دسته بندی نمود. این سنسورها می تواند واکنش های فیزیکی گوناگون را اندازه گیری کنند. از رایج ترین سنسورهای فشار می توان به 7 مدل زیر اشاره کرد:
کرنش سنج (Strain gauge)
از کرنش سنج ها می توان برای محاسبه تغییرات در ابعاد ماده استفاده کرد. با توجه به نیروی وارده به جسم، اگر ابعاد جسم نسبت به حالت اولیه خود افزایش یابد، کرنش مثبت است، یعنی ماده دچار کشش شده است. اگر ابعاد نسبت به حالت اولیه خود کاهش یابد، کرنش منفی است، یعنی ماده دچار فشردگی شده است. محاسبه کرنش در این سنسور با توجه به تغییرات مقاومت اندازه گیری می شود.
خازنی (Capacitive)
خازن وسیله ای است که برای ذخیره بار الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. خازن ها با داشتن دو هادی که با شکافی نزدیک به هم از یکدیگر جدا شدند، عمل می کنند. سنسور فشار خازنی می تواند ظرفیت بین دو صفحه را اندازه گیری کند. فاصله بین دو صفحه مقادیر خازن را تعیین می کند و این مقادیر با فشار اطراف سنسور دچار تغییر می شود.
سنسور فشار خازنی برای کاربردهای مختلفی مانند اندازه گیری تغییرات فشار در موتورهای جت، کشتی ها و لاستیک خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. طراحی آنها ساده است و به همین دلیل می توان از آنها در محیط های سخت و خشن استفاده کرد.
پیزوالکتریک (Piezoelectric)
سنسور فشار پیزوالکتریک با استفاده از اثر پیزوالکتریک کار می کند. اثر پیزوالکتریک با تولید یک بار الکتریکی به عنوان پاسخی برای تغییرات فیزیکی مواد توصیف می شود. این تاثیرات در مواد خاصی تا حدی که قابل اندازه گیری باشد، مشهود تر است. بار ایجاد شده با نیروی اعمال شده متناسب است، لذا می توان فشار مربوطه را اندازه گیری نمود.
سنسور فشار پیزوالکتریک را می توان در اندازه های بسیار کوچک تولید کرد. در نتیجه انتخاب بسیار مناسبی برای کاربردهایی است که فضای محدودی دارند. همچنین این سنسور می تواند فرکانس های بالا را دریافت کند که آن را برای اندازه گیری های پویا بین نقاطی که فواصل کوتاه دارند مناسب می سازد.
پیزورزیستیو (Piezoresistive)
در سنسور فشار پیزورزیستیو، عنصر اندازه گیری پل ویت استون بر پایه سیلیکون است. زمانی که کمترین فشاری اعمال شود مقاومت الکتریکی افزایش یافته و در نتیجه مقاومت تغییر می کند. معمولا از پیزورزیستیو برای اندازه گیری فشار ساکن استفاده می شود به این علت که این حسگر ها بدون رانش است.
در این حسگر به کمک تراشه سیلیکونی و از طریق یک لایه و روغن سیلیکون، فشار حس می شود. با توجه به کاربردشان، این حسگرها توانایی اندازه گیری فشار خلاء، اختلافی و گیج را دارد.
مانومتر (Manometers)
همانطور که در ابتدای مقاله خواندید، اولین ابزارهایی که برای اندازه گیری فشار مورد استفاده قرار گرفتند، لوله های شیشه ای پر شده از مایع بودند. مانومترها نیز بر همین اساس کار می کنند، یعنی لوله ای که از حرکت مایع برای مقایسه فشار توسط دو سطح خود استفاده می کند. اولین مانومتر ها شکلی مانند U داشتند که درون آن با مایعی پر شده و به وسیله فشار وارد شده، ارتفاع آن تغییر می کند.
از مانومتر می توان برای کالیبره کردن تجهیزات دیگر نیز استفاده نمود. امروزه نیز استفاده از مانومتر در آزمایشگاه ها امری رایج است. اما به دلیل آهسته بودن روند اندازه گیری و دامنه محدود فشار برای کاربردهای تشخیص فشار دینامیکی مناسب نیست.
فشار خلاء (Vacuum pressure)
معمولا حسگرهای فشار با اندازه گیری نیروی اعمال شده به یک دستگاه مکانیکی کار می کنند. این روش ها زمانی پیچیده می شود که فشار وارد شده زیر سطح اتمسفر به ویژه سطوح فشار خلاء شدید باشد. در فشار خلاء، اندازه گیری کمتر به واکنش های مکانیکی وابسته است. در عوض حسگرهای خلاء اثرات بر خواص ماده را مشاهده و اندازه گیری می کنند.
معروف ترین سنسور خلاء که برای اندازه گیری فشار در خلاء مورد استفاده قرار می گیرد، سنسور پیرانی است که به نام مخترع آن یعنی مارچلو استفانو پیرانی (Marcello Stefano Pirani) نامگذاری شده است. سنسور فشار پیرانی با اندازه گیری مقاومت یک رشته گرم شده که در محفظه ای قرار دارد، کار می کند. همانطور که محفظه گیج در معرض فشار خلاء قرار می گیرد، دمای محفظه کاهش می یابد. تغییرات دما به طور نسبی رسانایی را در رشته تغییر می دهد. بنابراین می توان از این خاصیت برای اندازه گیری غیر مستقیم فشار استفاده کرد.
بوردون تیوب (Bourdon tube)
در سنسورهای فشار دیدیم که معمولا نحوه اندازه گیری آنها بر اساس تغییر شکل فیزیکی ناشی از نیروی وارد بر ماده است. بوردون تیوب یا لوله بوردون نیز از همین خاصیت ولی به شکلی بسیار مبتکرانه استفاده می کند.
لوله های بوردون از لوله ای به شکل C ساخته شده که یک سر آن بسته است. در حالی که سر دیگه لوله باز و با محیط بیرون در تماس است. با توجه به خواص کشسانی و فیزیکی لاستیک، با افزایش فشار، انتهای لوله به سمت بیرون تمایل پیدا می کند و با بازگشت فشار به اندازه اولیه، لوله به حالت اولیه خود بازمیگردد. به کمک این تغییر رفتار در لوله می توان تغییرات فشار را اندازه گیری کرد.
Bourdon tube بسیار ساده، ارزان و در عین حال با دوام است. آنها اندازه گیری در فشار بالا را فراهم کرده و به دلیل ماهیت مکانیکی خود در معرض ضربه و لرزش هستند. استفاده از Bourdon tube در فشارهای کم که نیاز به اندازه گیری دقیق دارد پیشنهاد نمی شود.
بارومتر آنروید (Aneroid barometer)
فشار سنج آنروید نوع دیگری از یک دستگاه مکانیکی است که برای اندازه گیری فشار از این قابلیت استفاده می کند. این دستگاه دارای استوانه ای فلزی شبیه به کپسول هوا است. این کپسول با توجه به تغییرات فشار اطراف خود منقبض و یا منبسط می شود. از این انقباض و انبساط می توان برای اندازه گیری فشار استفاده کرد.
Aneroid barometer معمولا برای اندازه گیری فشار اتمسفر مورد استفاده قرار می گیرد. این سنسور فشار به علت طراحی بادوام و راحت خود معمولا در هواپیما برای اندازه گیری ارتفاع بر اساس تغییرات فشار استفاده می شود.
در کجا کاربرد دارد؟
از سنسور فشار در کاربردهای گسترده ای از جمله صنعتی، پزشکی، خودروسازی، تهویه مطبوع و انرژی استفاده می شود. برخی از کاربرد های این سنسور در زیر آمده است:
- در موتورهای خودرو برای بهینه سازی ترکیب سوخت و هوا با توجه به تغییر شرایط رانندگی و نظارت بر سطح فشار روغن موتور در حال کار
- در سیستم خودرو برای تشخیص شرایط خطا در ترمزهای هیدرولیک و بهبود عملکرد آنها
- برای فعال شدن به موقع کیسه هوا در خودرو در هنگام تشخیص برخورد
- نظارت بر فشار اکسیژن و کمک به کنترل ترکیب هوا و اکسیژن در ونتیلاتورهای پزشکی برای رساندن اکسیژن به بیمار
- نظارت و کنترل فشار در اتاقک های هایپرباریک (اکسیژن تراپی) در طول درمان
- کنترل میزان مناسب تزریق خودکار دارو برای بیمار
- استفاده از سنسور فشار در دستگاه اسپیرومتری برای اندازه گیری ظرفیت ریه بیمار
- تشخیص انسداد فیلتر ها در سیستم های HVAC با محاسبه فشار اختلافی
- کنترل سرعت جریان هوا با کنترل میزان فشار در اتاق
- ارزیابی فشار ورودی و پساب، زمانی که فیلتر در جریان فرایند مسدود شده
- کنترل سطح سیال در مخزن به وسیله سنسورهای فشاری که در کف مخزن نصب شده و شکل مخزن در اندازه گیری آنها بی تاثیر بوده و صرفا تابعی از ارتفاع سیال است
- اندازه گیری میزان ارتفاع با اندازه گیری میزان فشار در هر نقطه ای از اتمسفر
- کنترل میزان آب اضافه شده برای شست و شوی لباس های کثیف برای افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژی
- نصب سنسور فشار برای افراد بیمار یا مسن و تشخیص سقوط آنها و توانایی شناسایی تغییر ارتفاع تا 10 سانتی متر
- کنترل و نظارت در مخازن با فشار بالا و جلوگیری از بروز حوادث ناشی از افزایش فشار یا هشدار به اپراتور برای تعمیر و نگهداری از آن
- امکان برنامه ریزی و تعیین استراتژی مناسب برای عملیات های تعمیر و نگهداری در سطوح وسیع مانند سازمان های انرژی و صرفه جویی تا حدود 12 درصد در تعمیر و نگهداری پیشگیرانه و تا حدود 40 درصد صرفه جویی در تعمیر و نگهداری واکنشی
خب تا اینجا با انواع سنسور فشار، اندازه گیری فشار، نحوه کار و کاربردهای وسیع آن آشنا شدید. به نظر شما سنسور فشار چه کاربرد دیگری می تواند داشته باشد!
ترانسمیتر فشار (Pressure transmitter)
حتما در ابتدای مقاله ویدیو را مشاهده و به ترانسمیتر فشار برخورد کردید. در واقع ترانسمیتر ها فرستنده هایی هستند که فشار را به کمک یکی از انواع سنسور فشار اندازه گیری و برای اپراتور ارسال می کند. درواقع ترانسمیتر را باید یک دستگاه فرستنده در نظر بگیرید. حالا با این تعریف دوباره ویدیو را مشاهده کنید. برید بالا!
