ترانسدیوسر فشار چیست؟
مبدل فشار که اغلب با نام ترانسدیوسر فشار نامیده میخواهد شد، مبدلی است که فشار را به سیگنال الکتریکی آنالوگ تبدیل میکند. تبدیل فشار به سیگنال الکتریکی در ترانسدیوسر فشار با تغییر تحول شکل فیزیکی حیران های فشاری که به دیافراگم ترانسدیوسر متصل شده و درپی به پل ویتستون (Wheatstone bridge) وصل میشود، انجام میشود. فشار انجام شده به ترانسدیوسر فشار سبب ساز تولید انحراف در دیافراگم میشود که این انحراف فشار مشخصی را به سرگردان اجرا میکند. در حقیقت کرنش (جابجایی) دیافراگم یک تغییر مقاومت الکتریکی را متناسب با فشار انجام شده ساختوساز می نماید. بنابراین فشار به متساوی آنالوگ آن تبدیل شده و برای مخاطب قابل شعور خواهد شد. در شکل 1 مکانیزم همت ترانسدیوسر فشار ارائه گردیدهاست
خصوصیات فنی ترانسدیوسر فشار
ترانسدیوسر فشار با سه نوع خروجی الکتریکی در دسترس میباشد که این سه نوع عبارتند از:
میلی ولت: ترانسدیوسرهای با خروجی میلی ولت معمولاً اقتصادی ترین ترانسدیوسرهای فشار میباشند. خروجی اسمی مبدل میلی ولت حدود 30 میلی ولت بوده و خروجی واقعی آن با توان ورودی و یا تحریک مبدل فشار نسبت بی واسطه داراست. درصورتیکه تحریک نوسان داشته باشد، خروجی نیز تغییر تحول خواهد کرد. سنسور فشار به دلیل این وابستگی به سطح تحریک، منابع تغذیه تهیه و تنظیم شده برای به کار گیری به طور همزمان با ترانسدیوسرهای میلی ولت پیشنهاد میشود. توجه فرمائید که از آنجایی که سیگنال خروجی بسیار معدود است، مبدل نباید در محیطی با نویز الکتریکی قرار گیرد. درضمن در این نوع ترانسدیوسر فشار، فاصله بین مبدل و نمایش دهنده فشار نیز می بایست نسبتاً کوتاه باشد.
ولتاژ تقویت شده (Amplified voltage): ترانسدیوسرهای فشار با ولتاژ تقویت شده خروجی با ولتاژ بسیار بالاتری را نسبت به ترانسدیوسرهای میلی ولت ارائه میدهند. خروجی این ترانسدیوسرها معمولاً 0 تا 5 و یا 0 تا 10 VDC هست. خروجی این ترانسدیوسرها معمولاً تابع مستقیم تحریک نیست. این بدان معناست که منابع تغذیه تهیه نشده (Unregulated power supplies) نیز اکثر اوقات تا وقتیکه در محدوده توان مشخصی قرار داشته باشند برای این ترانسدیوسرها جوابگو هستند. از آنجایی که خروجی این ترانسدیوسرها سطح ولتاژ بالاتری دارد، به اندازه مبدلهای میلیولت در عوض نویز الکتریکی حساس نیستند و به این ترتیب میتوانند براحتی در محیطهای صنعتی به کارگیری شوند.
4 تا 20 میلی آمپر: این نوع ترانسدیوسرهای فشار به عنوان ترانسمیتر فشار نیز شناخته میشوند. از آنجایی که سیگنال 4 تا 20 میلی آمپری کمترین تأثیر را از نویزهای الکتریکی و مقاومت در سیم های اتصال میپذیرد، بنابراین برای زمانی که سیگنال باید در فواصلی طولانی ارسال شود مناسب میباشند.
بعد از آن که فشار ورودی به هم اندازه الکتریکی آن تبدیل شد، درحال حاضر لازم می باشد که این خروجی الکتریکی به یک واحد مهندسی مانند پاسکال، بار و یا PSI تبدیل شود.
کاربرد ترانسدیوسر فشار
ترانسدیوسرهای فشار گرچه طراحی بسیار سادهای داراهستند و در نگاه اول ممکن هست یک قطعه ساده تلقی شوند، اما می تواند از خسارت های سنگین در صنعت پرهیز نمایند. پر هویدا هست که در اختیار گرفتن فشار در مراحل های صنعتی بسیار ضرروریست و در نظر نگرفتن آن میتواند باعث به بروز مشکلاتی از قبیل انفجار مخازن، پاره گی لوله های انتقال و … شود.پرشین ابزار دقیق با استعمال از ترانسدیوسرهای فشار که قیمت تمام شده آن در مقایسه با اکثر تجهیزات صنعتی بسیار ناچیز می باشد، میقدرت از بروز چنین حوادثی غربت نمود. ضمن این موردها، ترانسدیوسر فشار کاربردهای فراوانی دارد که از آن گزاره میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
کنترل فشار مایعات در سیستم هایی نظیر سیستم HVAC، پمپ ها، مخازن و …
کنترل فشار سوخت در وسایل نقلیه
کنترل ارتفاع هواپیماها و ماهواره ها
ترانسدیوسرهای فشار بدلیل مزایای متعددشان در صنعت کاربرد فراوانی دارند. مثلا مهمترین مزایای ترانسدیوسرهای فشار میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
محدوده فشار از 1 تا 100000 PSI
سیگنال خروجی آنالوگ و دیجیتال
قابلیت سفارشی سازی
قابلیت استعمال در مکان های خطرناک
سازگاری با طیف وسیعی از مایعات و گازها
طراحی کوچک و مخاطب پسند
انواع ترانسدیوسر فشار
ترانسدیوسرهای فشار در گونه های مختلفی ساخت میگردد. درین بخش قصد داریم تا به معرفی آن ها بپردازیم تا شما مشتریان گرامی بتوانید وا رفته تر ترانسدیوسر فشار مدنظرتان را انتخاب کنید. گونه های ترانسدیوسر فشار عبارتند از:
1- ترانسدیوسر فشار استرین حیران (Strain gauge transducers)
استرین گیج یا کرنش سنج سنسوری می باشد که مقاومت آن با فشار اجرا شده تغییر تحول میکند. در حقیقت استرین گیج فشار اعمالی را به مقاومت الکتریکی تبدیل میکند که میقدرت آن را اندازه گیری کرد. یک استرین حیران دربرگیرنده 4 بخش اصلی کانکتور، کرنش سنج، اطراف و ورودی فشار است. شکل 2 یک نمونه ترانسدیوسر استرین سرگردان را نشانه میدهد.
برای آنکه ترازو توجه و حساسیت ترانسدیوسر استرین گیج ارتقا یابد، میاقتدار بجای 1 عدد از 4 عدد استرین گیچ در پل وتستون به کار گرفت. شکل 3 نحوه اتصال استرین گیج به پل وتستون را در دو موقعیت فوق الذکر نماد میدهد.
2- ترانسدیوسر فشار پتانسیومتری (Potentiometric pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار پتانسیومتری با یک نحوه معمولی خروجی الکترونیکی از یک فشارسنج مکانیکی ارائه میدهد. این این ترانسدیوسر از یک پتانسیومتر دقیق درست شده می باشد که جاروبک (Wiper) آن به طور مکانیکی به یک بوردن تیوب (Bourdon tube) متصل شده است. حرکت جاروبک در سراسر پتانسیومتر، تغییرات سنسور مکانیکی را با به کارگیری از مدار پل وتستون به مقاومت قابل اندازه گیری تبدیل میکند. شکل 4 اجزای گوناگون یک ترانسدیوسر فشار پتانسیومتری را نشان میدهد.
ترانسدیوسرهای پتانسیومتری را میاقتدار در مقیاسه ای بسیار کوچک ساخته و در مکان های تنگ نصب کرد. این ترانسدیوسرها همچنین یک خروجی قوی ارائه میکنند که میتواند فارغ از تقویت خوانده شود. این قابلیت به آنها اجازه میدهد تا بتوانند با مصرف انرژی مقداری شغل کنند. از مهم ترین مزیت های ترانسدیوسر پتانسیومتری میاقتدار به موارد ذیل اشاره نمود:
ارزان بودن
قابلیت کار در محدوده فشاری 5 تا 10000 psig (35 کیلوپاسکال تا 70 مگاپاسکال)
دقت میان 5/0 تا 1 درصد
3- ترانسدیوسر فشار خازنی (Capacitance pressure transducers)
4- ترانسدیوسر فشار رزونانسی (Resonant wire pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار رزونانسی جزو تجهیزات اندازه گیری است که در اواخر دهه 1970 معرفی شد. درین ترانسدیوسر یک سیم به وسیله یک عضو ثابت در یک انتها و توسط یک دیافراگم در سمت دیگر نگه داشته میشود. یک مدار نوسانگر باعث میشود که سیم فوق الذکر در فرکانس رزونانسی (فرکانس تشدید) خود نوسان کند. تغییر تحول در فشار سیستم، کشش سیم را تغییر میدهد، که به نوبه خود سبب ساخت تغییر در فرکانس تشدید سیم شده و نهایتا یک مدار کانتر دیجیتال نیز تغییرو تحول در فرکانس تشدید را تشخیص میدهد. از آنجایی که این تغییر فرکانس را میاقتدار کاملاً دقیق تشخیص اعطا کرد، این نوع مبدل میتواند برای کاربردهای فشاردیفرانسیلی تحت و همچنین برای تشخیص فشار مطلق و حیران استفاده شود. شکل 6 بخش های متعدد ترانسدیوسر فشار رزونانسی را آرم میدهد.
مهم ترین مزیت مبدل فشار رزونانسی این است که یک سیگنال دیجیتال ایجاد کرد میکند. محدودیت های این ترانسدیوسر شامل حساسیت به تغییرات دما، سیگنال خروجی غیر خطی و حساسیت به شوک و لرزش است. این محدودیتها معمولاً با به کارگیری از یک ریزپردازنده برای جبران سیگنال غیرخطی و همچنین تغییرات دمای گوشه و کنار به دست کم می رسد.
5- ترانسدیوسر فشار القایی (Inductive pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار القایی براساس اصل القای الکترومغناطیسی کار میکند. درین مبدل، دیافراگم به یک هسته الکترومغناطیسی متصل گردیده است. با حرکت دیافراگم، القای جریان در هسته الکترومغناطیسی صورت میگیرد. هرچه ترازو انحراف دیافراگم به موجب فشار ورودی بیشتر باشد، طبیعتا مقدار جریان القایی نیز بیشتر خواهد بود. با اندازه گیری میزان جریان القایی، سیگنالی ساخت و ساز میشود که بیانگر معیار فشار ورودی خواهد بود. شکل 7 اجزای ترانسدیوسر فشار القایی را نمایش میدهد.
5- ترانسدیوسر فشار پیزوالکتریک (Piezoelectric pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار پیزوالکتریک، که به عنوان سنسور پیزوالکتریک نیز شناخته میگردد، وسیله ای است که از اثر پیزوالکتریک برای اندازهگیری تغییرات در فشار با تبدیل فشار به بار الکتریکی به کار گیری میکند. زمانی که به ماده پیزوالکتریک قرار گرفته در درون ترانسدیوسر فشار جاری ساختن کنیم، ترانسدیوسر این فشار را به ولتاژ تبدیل میکند که این ولتاژ تابعی از فشار اعمال شده به آن میباشد.
ولتاژ الکتریکی ایجاد کرد شده توسط مبدل پیزوالکتریک را میتوان به راحتی توسط ابزار اندازه گیری ولتاژ اندازه گیری نمود. از آنجایی که این ولتاژ تابعی از فشار جاری ساختن شده به آن خواهد بود، میتوانیم با خواندن ولتاژ استنباط کنیم که فشار چقدر بوده هست. براین اساس، مقادیر فیزیکی فشار را میاقتدار مستقیماً با استعمال از مبدل پیزوالکتریک اندازه گیری کرد. شکل 8 یک نمونه از ترانسدیوسر فشار پیزوالکتریک را علامت میدهد.
ترانسدیوسر فشار چیست؟
مبدل فشار که اغلب با نام ترانسدیوسر فشار نامیده میخواهد شد، مبدلی است که فشار را به سیگنال الکتریکی آنالوگ تبدیل میکند. تبدیل فشار به سیگنال الکتریکی در ترانسدیوسر فشار با تغییر تحول شکل فیزیکی حیران های فشاری که به دیافراگم ترانسدیوسر متصل شده و درپی به پل ویتستون (Wheatstone bridge) وصل میشود، انجام میشود. فشار انجام شده به ترانسدیوسر فشار سبب ساز تولید انحراف در دیافراگم میشود که این انحراف فشار مشخصی را به سرگردان اجرا میکند. در حقیقت کرنش (جابجایی) دیافراگم یک تغییر مقاومت الکتریکی را متناسب با فشار انجام شده ساختوساز می نماید. بنابراین فشار به متساوی آنالوگ آن تبدیل شده و برای مخاطب قابل شعور خواهد شد. در شکل 1 مکانیزم همت ترانسدیوسر فشار ارائه گردیدهاست
خصوصیات فنی ترانسدیوسر فشار
ترانسدیوسر فشار با سه نوع خروجی الکتریکی در دسترس میباشد که این سه نوع عبارتند از:
میلی ولت: ترانسدیوسرهای با خروجی میلی ولت معمولاً اقتصادی ترین ترانسدیوسرهای فشار میباشند. خروجی اسمی مبدل میلی ولت حدود 30 میلی ولت بوده و خروجی واقعی آن با توان ورودی و یا تحریک مبدل فشار نسبت بی واسطه داراست. درصورتیکه تحریک نوسان داشته باشد، خروجی نیز تغییر تحول خواهد کرد. سنسور فشار به دلیل این وابستگی به سطح تحریک، منابع تغذیه تهیه و تنظیم شده برای به کار گیری به طور همزمان با ترانسدیوسرهای میلی ولت پیشنهاد میشود. توجه فرمائید که از آنجایی که سیگنال خروجی بسیار معدود است، مبدل نباید در محیطی با نویز الکتریکی قرار گیرد. درضمن در این نوع ترانسدیوسر فشار، فاصله بین مبدل و نمایش دهنده فشار نیز می بایست نسبتاً کوتاه باشد.
ولتاژ تقویت شده (Amplified voltage): ترانسدیوسرهای فشار با ولتاژ تقویت شده خروجی با ولتاژ بسیار بالاتری را نسبت به ترانسدیوسرهای میلی ولت ارائه میدهند. خروجی این ترانسدیوسرها معمولاً 0 تا 5 و یا 0 تا 10 VDC هست. خروجی این ترانسدیوسرها معمولاً تابع مستقیم تحریک نیست. این بدان معناست که منابع تغذیه تهیه نشده (Unregulated power supplies) نیز اکثر اوقات تا وقتیکه در محدوده توان مشخصی قرار داشته باشند برای این ترانسدیوسرها جوابگو هستند. از آنجایی که خروجی این ترانسدیوسرها سطح ولتاژ بالاتری دارد، به اندازه مبدلهای میلیولت در عوض نویز الکتریکی حساس نیستند و به این ترتیب میتوانند براحتی در محیطهای صنعتی به کارگیری شوند.
4 تا 20 میلی آمپر: این نوع ترانسدیوسرهای فشار به عنوان ترانسمیتر فشار نیز شناخته میشوند. از آنجایی که سیگنال 4 تا 20 میلی آمپری کمترین تأثیر را از نویزهای الکتریکی و مقاومت در سیم های اتصال میپذیرد، بنابراین برای زمانی که سیگنال باید در فواصلی طولانی ارسال شود مناسب میباشند.
بعد از آن که فشار ورودی به هم اندازه الکتریکی آن تبدیل شد، درحال حاضر لازم می باشد که این خروجی الکتریکی به یک واحد مهندسی مانند پاسکال، بار و یا PSI تبدیل شود.
کاربرد ترانسدیوسر فشار
ترانسدیوسرهای فشار گرچه طراحی بسیار سادهای داراهستند و در نگاه اول ممکن هست یک قطعه ساده تلقی شوند، اما می تواند از خسارت های سنگین در صنعت پرهیز نمایند. پر هویدا هست که در اختیار گرفتن فشار در مراحل های صنعتی بسیار ضرروریست و در نظر نگرفتن آن میتواند باعث به بروز مشکلاتی از قبیل انفجار مخازن، پاره گی لوله های انتقال و … شود.پرشین ابزار دقیق با استعمال از ترانسدیوسرهای فشار که قیمت تمام شده آن در مقایسه با اکثر تجهیزات صنعتی بسیار ناچیز می باشد، میقدرت از بروز چنین حوادثی غربت نمود. ضمن این موردها، ترانسدیوسر فشار کاربردهای فراوانی دارد که از آن گزاره میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
کنترل فشار مایعات در سیستم هایی نظیر سیستم HVAC، پمپ ها، مخازن و …
کنترل فشار سوخت در وسایل نقلیه
کنترل ارتفاع هواپیماها و ماهواره ها
ترانسدیوسرهای فشار بدلیل مزایای متعددشان در صنعت کاربرد فراوانی دارند. مثلا مهمترین مزایای ترانسدیوسرهای فشار میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
محدوده فشار از 1 تا 100000 PSI
سیگنال خروجی آنالوگ و دیجیتال
قابلیت سفارشی سازی
قابلیت استعمال در مکان های خطرناک
سازگاری با طیف وسیعی از مایعات و گازها
طراحی کوچک و مخاطب پسند
انواع ترانسدیوسر فشار
ترانسدیوسرهای فشار در گونه های مختلفی ساخت میگردد. درین بخش قصد داریم تا به معرفی آن ها بپردازیم تا شما مشتریان گرامی بتوانید وا رفته تر ترانسدیوسر فشار مدنظرتان را انتخاب کنید. گونه های ترانسدیوسر فشار عبارتند از:
1- ترانسدیوسر فشار استرین حیران (Strain gauge transducers)
استرین گیج یا کرنش سنج سنسوری می باشد که مقاومت آن با فشار اجرا شده تغییر تحول میکند. در حقیقت استرین گیج فشار اعمالی را به مقاومت الکتریکی تبدیل میکند که میقدرت آن را اندازه گیری کرد. یک استرین حیران دربرگیرنده 4 بخش اصلی کانکتور، کرنش سنج، اطراف و ورودی فشار است. شکل 2 یک نمونه ترانسدیوسر استرین سرگردان را نشانه میدهد.
برای آنکه ترازو توجه و حساسیت ترانسدیوسر استرین گیج ارتقا یابد، میاقتدار بجای 1 عدد از 4 عدد استرین گیچ در پل وتستون به کار گرفت. شکل 3 نحوه اتصال استرین گیج به پل وتستون را در دو موقعیت فوق الذکر نماد میدهد.
2- ترانسدیوسر فشار پتانسیومتری (Potentiometric pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار پتانسیومتری با یک نحوه معمولی خروجی الکترونیکی از یک فشارسنج مکانیکی ارائه میدهد. این این ترانسدیوسر از یک پتانسیومتر دقیق درست شده می باشد که جاروبک (Wiper) آن به طور مکانیکی به یک بوردن تیوب (Bourdon tube) متصل شده است. حرکت جاروبک در سراسر پتانسیومتر، تغییرات سنسور مکانیکی را با به کارگیری از مدار پل وتستون به مقاومت قابل اندازه گیری تبدیل میکند. شکل 4 اجزای گوناگون یک ترانسدیوسر فشار پتانسیومتری را نشان میدهد.
ترانسدیوسرهای پتانسیومتری را میاقتدار در مقیاسه ای بسیار کوچک ساخته و در مکان های تنگ نصب کرد. این ترانسدیوسرها همچنین یک خروجی قوی ارائه میکنند که میتواند فارغ از تقویت خوانده شود. این قابلیت به آنها اجازه میدهد تا بتوانند با مصرف انرژی مقداری شغل کنند. از مهم ترین مزیت های ترانسدیوسر پتانسیومتری میاقتدار به موارد ذیل اشاره نمود:
ارزان بودن
قابلیت کار در محدوده فشاری 5 تا 10000 psig (35 کیلوپاسکال تا 70 مگاپاسکال)
دقت میان 5/0 تا 1 درصد
3- ترانسدیوسر فشار خازنی (Capacitance pressure transducers)
4- ترانسدیوسر فشار رزونانسی (Resonant wire pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار رزونانسی جزو تجهیزات اندازه گیری است که در اواخر دهه 1970 معرفی شد. درین ترانسدیوسر یک سیم به وسیله یک عضو ثابت در یک انتها و توسط یک دیافراگم در سمت دیگر نگه داشته میشود. یک مدار نوسانگر باعث میشود که سیم فوق الذکر در فرکانس رزونانسی (فرکانس تشدید) خود نوسان کند. تغییر تحول در فشار سیستم، کشش سیم را تغییر میدهد، که به نوبه خود سبب ساخت تغییر در فرکانس تشدید سیم شده و نهایتا یک مدار کانتر دیجیتال نیز تغییرو تحول در فرکانس تشدید را تشخیص میدهد. از آنجایی که این تغییر فرکانس را میاقتدار کاملاً دقیق تشخیص اعطا کرد، این نوع مبدل میتواند برای کاربردهای فشاردیفرانسیلی تحت و همچنین برای تشخیص فشار مطلق و حیران استفاده شود. شکل 6 بخش های متعدد ترانسدیوسر فشار رزونانسی را آرم میدهد.
مهم ترین مزیت مبدل فشار رزونانسی این است که یک سیگنال دیجیتال ایجاد کرد میکند. محدودیت های این ترانسدیوسر شامل حساسیت به تغییرات دما، سیگنال خروجی غیر خطی و حساسیت به شوک و لرزش است. این محدودیتها معمولاً با به کارگیری از یک ریزپردازنده برای جبران سیگنال غیرخطی و همچنین تغییرات دمای گوشه و کنار به دست کم می رسد.
5- ترانسدیوسر فشار القایی (Inductive pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار القایی براساس اصل القای الکترومغناطیسی کار میکند. درین مبدل، دیافراگم به یک هسته الکترومغناطیسی متصل گردیده است. با حرکت دیافراگم، القای جریان در هسته الکترومغناطیسی صورت میگیرد. هرچه ترازو انحراف دیافراگم به موجب فشار ورودی بیشتر باشد، طبیعتا مقدار جریان القایی نیز بیشتر خواهد بود. با اندازه گیری میزان جریان القایی، سیگنالی ساخت و ساز میشود که بیانگر معیار فشار ورودی خواهد بود. شکل 7 اجزای ترانسدیوسر فشار القایی را نمایش میدهد.
5- ترانسدیوسر فشار پیزوالکتریک (Piezoelectric pressure transducers)
ترانسدیوسر فشار پیزوالکتریک، که به عنوان سنسور پیزوالکتریک نیز شناخته میگردد، وسیله ای است که از اثر پیزوالکتریک برای اندازهگیری تغییرات در فشار با تبدیل فشار به بار الکتریکی به کار گیری میکند. زمانی که به ماده پیزوالکتریک قرار گرفته در درون ترانسدیوسر فشار جاری ساختن کنیم، ترانسدیوسر این فشار را به ولتاژ تبدیل میکند که این ولتاژ تابعی از فشار اعمال شده به آن میباشد.
ولتاژ الکتریکی ایجاد کرد شده توسط مبدل پیزوالکتریک را میتوان به راحتی توسط ابزار اندازه گیری ولتاژ اندازه گیری نمود. از آنجایی که این ولتاژ تابعی از فشار جاری ساختن شده به آن خواهد بود، میتوانیم با خواندن ولتاژ استنباط کنیم که فشار چقدر بوده هست. براین اساس، مقادیر فیزیکی فشار را میاقتدار مستقیماً با استعمال از مبدل پیزوالکتریک اندازه گیری کرد. شکل 8 یک نمونه از ترانسدیوسر فشار پیزوالکتریک را علامت میدهد.

ساختار سنسور فشار پیزوالکتریک