انواع روش های اندازه گیری فشار (Pressure)

این مقاله به شما کمک میکند که به درک مفاهیم اساسی فشار و نحوه عملکرد حسگرهای فشار مختلف کمک کند. شما می توانید از بین سنسورهای مختلف یکی را انتخاب کنید که هرکدام اصول عملکرد ، مزایا ، ملاحظات و اشکالات خاص خود را دارند. علاوه بر ویژگی های سنسور ، برای تهویه مناسب و به دست آوردن اندازه گیری فشار ، باید سخت افزار مورد نیاز را نیز در نظر بگیرید. به عنوان مثال ، سنسورهای فشار غیرقانونی به تحریک ولتاژ احتیاج دارند که فقط در برخی از سخت افزارهای اندازه گیری موجود است.

فشار به عنوان نیرویی در واحد سطح تعریف می شود که یک سیال به محیط اطراف خود وارد می کند. فشار  P ، تابعی از نیرو  F و منطقه است A

P = F / A

واحد SI فشار پاسکال است (N / m 2 ) ، اما سایر واحدهای فشار معمول شامل پوند بر اینچ مربع (psi) ، جو (اتمسفر) ، میله ها ، اینچ جیوه (in. Hg) ، میلی متر جیوه ( mm Hg)

و torrاندازه گیری فشار را می توان بصورت استاتیک یا دینامیک توصیف کرد. فشار در موارد بدون حرکت فشار ساکن است. از جمله فشارهای ساکن می توان به فشار هوای داخل بالون  یا  آب درون یک حوضچه اشاره کرد. غالباً ، حرکت سیال نیرویی را که به محیط اطراف وارد می شود تغییر می دهد. به عنوان مثال ، بگویید فشار آب در یک شلنگ با نازل بسته 40  پوند بر اینچ مربع است (نیرو در واحد سطح). اگر نازل را باز کنید ، با ریختن آب فشار به مقدار کمتری کاهش می یابد. یک اندازه گیری فشار دقیق باید شرایطی را که تحت آن انجام  می شود ، یادداشت کند. بسیاری از عوامل از جمله جریان ، قابلیت فشرده شدن سیال و نیروهای خارجی می توانند فشار را تحت تأثیر قرار دهند.

بیشتر اندازه گیری فشار را می توان با نوع اندازه گیری انجام شده توصیف کرد. سه روش اندازه گیری فشار مطلق ، گیج و دیفرانسیل است.  فشار مطلق  به فشار موجود در خلا ارجاع داده می شود ، در حالی که  فشارسنج و دیفرانسیل به فشار دیگری مانند فشار اتمسفر محیط یا فشار موجود در ظرف مجاور ارجاع می شوند.

روش اندازه گیری مطلق نسبت به 0 Pa ، فشار استاتیک در خلا است. فشار اندازه گیری شده علاوه بر فشار مورد نظر توسط فشار جو نیز عمل می کند. بنابراین ، اندازه گیری فشار مطلق شامل تأثیرات فشار جو است. این نوع اندازه گیری برای فشارهای جوی مانند فشارهایی که در ارتفاع سنج ها یا فشارهای خلاuum استفاده می شوند ، کاملاً مناسب است. اغلب ، از اختصارات Paa (مطلق پاسکال) یا psia (پوند بر اینچ مربع مطلق) برای توصیف فشار مطلق استفاده می شود.

فشار گیج نسبت به فشار جو محیط اندازه گیری می شود. این بدان معنی است که هم فشار و هم فشار مورد استفاده توسط فشارهای جوی عمل می کنند. بنابراین ، اندازه گیری

فشار گیج اثرات فشار جو را از بین می برد. این نوع اندازه گیری ها شامل اندازه گیری فشار باد تایر و فشار خون است. مشابه فشار مطلق ، از اختصارات Pag (سنجش پاسکال) یا psig (پوند در اینچ مربع) برای توصیف فشار گیج استفاده می شود.

فشار دیفرانسیل مشابه فشار گیج است. با این حال ، مرجع به جای فشار اتمسفر محیط ، نقطه فشار دیگری در سیستم است. شما می توانید برای حفظ فشار نسبی بین دو مخزن مانند مخزن کمپرسور و یک خط تغذیه مربوطه از این روش استفاده کنید. همچنین از اختصارات Pad (دیفرانسیل پاسکال) یا PSID (پوند در اینچ مربع دیفرانسیل) برای توصیف فشار دیفرانسیل استفاده می شود.

شرایط مختلف اندازه گیری ، دامنه و مواد مورد استفاده در ساخت یک سنسور منجر به ایجاد انواع طراحی سنسور فشار می شود. غالباً می توانید با تشخیص میزان انحراف روی دیافراگم مستقر در راستای مایع ، فشار را به برخی از فرمهای متوسط ​​مانند جابجایی تبدیل کنید. سپس سنسور این جابجایی را به یک خروجی الکتریکی مانند ولتاژ یا جریان تبدیل می کند. با توجه به منطقه شناخته شده دیافراگم ، می توانید فشار را محاسبه کنید. سنسورهای فشار با مقیاسی بسته بندی می شوند که روشی را برای تبدیل به واحدهای مهندسی فراهم می کند.

سه نوع جهانی ترین مبدلهای فشار عبارتند از: پل (بر اساس فشار کرنش) ، ظرفیت متغیر و پیزوالکتریک.

از بین تمام سنسورهای فشار ، سنسورهای پل Wheatstone (کرنش مبتنی بر کرنش) متداول ترین آنها هستند زیرا آنها راه حل هایی ارائه می دهند که با دقت ، اندازه ، ناهمواری و محدودیت هزینه های مختلف مطابقت دارند. سنسورهای مبتنی بر پل می توانند فشار مطلق ، گیج یا دیفرانسیل را در هر دو کاربرد فشار بالا و فشار پایین اندازه گیری کنند. آنها برای اندازه گیری تغییر شکل دیافراگم تحت فشار وارد شده ، از فشار استفاده می کنند.

هنگامی که تغییر فشار باعث انحراف دیافراگم می شود ، یک تغییر مربوط به مقاومت در فشار فشار ایجاد می شود ، که می توانید آن را با یک سیستم DAQ مطبوع اندازه گیری کنید. می توانید کرنش های فویل را مستقیماً به دیافراگم یا عنصری متصل کنید که به صورت مکانیکی به دیافراگم متصل شده است. گاهی اوقات از فشارهای سیلیکونی نیز استفاده می شود. برای این روش ، مقاومت ها را روی یک بستر مبتنی بر سیلیکون اچ می کنید و از مایع انتقال دهنده برای انتقال فشار از دیافراگم به بستر استفاده می کنید.

یک مبدل فشار خازنی متغیر تغییر ظرفیت بین دیافراگم فلزی و یک صفحه فلزی ثابت را اندازه گیری می کند. در صورت تغییر فاصله بین این دو صفحه در اثر فشار وارد شده ، ظرفیت بین دو صفحه فلزی تغییر می کند.

حسگرهای پیزوالکتریک بیش از مبدل های مقاومتی پل به ویژگی های الکتریکی بلورهای کوارتز متکی هستند. این کریستال ها هنگام کشیده شدن ، بار الکتریکی تولید می کنند. الکترودها شارژ را از بلورها به یک تقویت کننده تعبیه شده در سنسور منتقل می کنند. این سنسورها نیازی به منبع تحریک خارجی ندارند ، اما در برابر ضربه و لرزش حساس هستند.

سنسورهایی که شامل مدارهای مجتمع مانند تقویت کننده ها هستند ، سنسورهای تقویت شده نامیده می شوند. این نوع سنسورها ممکن است با استفاده از مبدل های پل ، خازنی یا پیزوالکتریک ساخته شوند. در مورد سنسور تقویت شده مبتنی بر پل ، واحد خود مقاومت های تکمیل کننده و تقویت لازم را برای اندازه گیری فشار مستقیم با دستگاهDAQ فراهم می کند. اگرچه هنوز باید تحریک ایجاد شود ، اما دقت تحریک از اهمیت کمتری برخوردار است.

سنسورهای مبتنی بر پل یا Piezoresistive متداول ترین نوع سنسورها به دلیل ساختار ساده و دوام آن هستند. این به معنای هزینه کمتر است و آنها را برای سیستم های کانال بالاتر  ایده آل می کند. به طور کلی ، فشارهای کشش فویل در برنامه های فشار بالا (تا 700M Pa) استفاده می شود. آنها همچنین دمای عملیاتی بالاتری نسبت به فشارهای سیلیکونی دارند (به ترتیب 200 درجه سانتیگراد در مقابل 100 درجه سانتیگراد) ، اما فشارهای سیلیکونی مزیت قابلیت بارگذاری بیشتر را دارند. از آنجا که حساسیت بیشتری دارند ، فشارهای سیلیکونی نیز اغلب در کاربردهای کم فشار (k 2k Pa) ترجیح داده می شوند. مبدلهای فشار خازنی و پیزوالکتریک به طور کلی پایدار و خطی هستند ، اما نسبت به دمای بالا حساس هستند و تنظیم آنها از اکثر حسگرهای فشار پیچیده تر است. سنسورهای پیزوالکتریک به سرعت به تغییرات فشار پاسخ می دهند. به همین دلیل ، آنها برای اندازه گیری فشار سریع از حوادثی مانند انفجار استفاده می شوند. به دلیل عملکرد دینامیکی برتر ، سنسورهای پیزوالکتریک کمترین هزینه را ندارند و باید مراقب باشید تا از هسته بلوری حساس آنها محافظت کنید. سنسورهای شرطی معمولاً گران ترند زیرا شامل اجزایی برای فیلتر کردن و تقویت سیگنال ، منجر به تحریک و مدارهای منظم برای اندازه گیری هستند. این برای سیستم های کانال پایین که یک سیستم تهویه سیگنال اختصاصی را ضمانت نمی کنند مفید است. از آنجا که تهویه مطبوع داخلی است ، می توانید سنسور را مستقیماً به دستگاه DAQ متصل کنید به شرطی که به نوعی برق حسگر را تأمین کنید. اگر با سنسورهای مبتنی بر پل فشار غیر شرطی کار می کنید ، سخت افزار شما به تهویه سیگنال نیاز دارد. مستندات سنسور را بررسی کنید تا بدانید که آیا به قطعات اضافی برای تقویت یا فیلتر کردن نیاز دارید.

سنسورهای فشار مبتنی بر پل با اختلاف زیاد رایج ترین سنسورهای فشار هستند. برای ایجاد یک سیستم اندازه گیری فشار مبتنی بر پل باید چندین عنصر تهویه سیگنال را در نظر بگیرید. ممکن است به یک یا چند مورد زیر نیاز داشته باشید:

• تحریک برای تأمین مدار مدار پل Wheatstone
• سنجش از دور برای جبران خطاهای موجود در ولتاژ تحریک از سیم های سرب بلند
• تقویت برای افزایش وضوح اندازه گیری و بهبود نسبت سیگنال به نویز
• فیلتر کردن برای حذف نویز خارجی با فرکانس بالا
• تهی کردن افست برای ایجاد تعادل بین پل و خروجی 0 ولت در صورت عدم اعمال فشار
• کالیبراسیون شنت برای تأیید خروجی پل به یک مقدار مشخص و مورد انتظار