کالیبراسیون سنسور فشار خلا

کالیبراسیون سنسور فشار خلا

سنسور فشار چیست؟

سنسور فشار عموما فشار گاز یا مایع را اندازه می گیرد. فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری

از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود. سنسور فشار معمولاً

به صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند. برای این منظور می توان سیگنال

الکتریکی در نظر گرفت. سنسورهای فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد استفاده

می شوند.

سنسورهای فشار می توانند به طور غیر مستقیم برای اندازه گیری سایر متغیرها استفاده شوند.

برای مثال: دبی سیال/ گاز، سرعت، سطح مایع و ارتفاع از این متغیرها هستند. به سنسورهای فشار،

مبدلهای فشار، ترنسمیتر فشار، فرستنده فشار، نشاندهنده فشار، پیزومتر و مانومتر و … نیز گفته

می شود. سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی، طراحی، عملکرد، کاربرد و قیمت باهم متفاوت هستند.

با یک تخمین محافظه کارانه می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان

سازنده سنسور فشار هستند. هم چنین طبقه ای از سنسورهای فشار وجود دارند که برای اندازه گیری

حالت پویای تغییرات سریع در فشار طراحی شده اند. مثالی از کاربرد این نوع سنسور را می توان در

اندازه گیری فشار احتراق سیلندر موتور و یا گاز توربین مشاهده کرد.

این سنسورها به طور عمده از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز ساخته شده اند. بعضی از سنسورهای فشار

مانند آنچه در دوربین‌های کنترل ترافیک دیده می شود، به صورت باینری (دودویی) و خاموش/ روشن کار

می کنند. برای مثال وقتی فشاری به سنسور فشار اعمال می شود، سنسور یک مدار الکتریکی را قطع

یا وصل می کند. این سنسورها به سوئیچ فشار معروف هستند.

انواع اندازه گیری فشار

سنسورهای فشار می‌توانند براساس بازه اندازه‌گیری، بازه دمای عملکرد و از همه مهمتر نوع فشار اندازه‌گیری

طبقه بندی شوند. با توجه به نوع فشار، فشارسنج‌ها، به ۵ دسته طبقه‌بندی می‌شوند:

سنسور فشار مطلق

این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلأ کامل (۰ psi) را اندازه می‌گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱٫۳۲۵ KPa

(یا ۱۴٫۷psi) در سطح دریا نسبت به خلأ است.

سنسور فشار گیج Gauge

این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شود زیرا می‌تواند برای اندازه‌گیری فشار یک نقطه نسبت به

فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. گیج فشار تایر مثالی از نشانگر فشار گیج است. هنگامی که گیج

فشار تایر مقدار ۰ psi را می‌خواند فشار داخل تایر ۱۴٫۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.

سنسور فشار خلأ

این سنسور برای اندازه‌گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه‌ای مشخص استفاده می‌شود. مرجع سنسور خلأ

در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر

(مانند اندازه‌گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلأ.

سنسور فشار تفاضلی

این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می‌شوند اندازه می‌گیرد. برای مثال اندازه‌گیری

افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه‌گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می‌رود.

سنسور فشار مهرشده(sealed)

این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه‌گیری فشار نسبت به فشار

سطح دریا کالیبره شده‌است.

تکنولوژی sens فشار

انواع جمع کننده نیرو : این نوع از سنسورهای فشار الکترونیکی عموماً از یک جمع‌کننده نیرو استفاده می‌کنند.

(مانند دیافراگم، پیستون، لوله بوردونی) تا کشش را بر اساس نیروی اعمالی و فشار بر سطح اندازه بگیرد.

گیج‌های کشش پیزو رزیستور

از اثر پیزو رزیستور گیج‌های کشش قرارداده شده بر روی تکیه گاه برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی

استفاده می‌کند. انواع تکنولوژی‌های معمول سیلیکون (مونو کریستالی)، پوسته نازک پلی سیلیکون، ورق فلز

قرار داده شده بر روی تکیه، ورق ضخیم. عموماً گیج‌های کشش در یک ساختار مدار پل وتستون اتصال می‌یابند

تا خروجی سنسور را حداکثر کنند. این معمول‌ترین تکنولوژی به کار گرفته شده برای اهداف عمومی اندازه‌گیری

فشار است. این تکنولوژی‌ها با اندازه‌گیری فشار مطلق، گیج، خلأ و فشار تفاضلی وفق داده می‌شوند.

خازنی

از دیافراگم و کاواک فشار برای ایجاد خازن متغیر استفاده می‌شود تا کشش ناشی از فشار اعمالی را تعیین کند.

تکنولوژی‌های معمولی از فلز، سرامیک و دیافراگم‌های سیلیکون استفاده می‌کنند. این تکنولوژی‌ها برای فشارهای

کم کاربرد دارند. (مطلق، تفاضلی و گیج) در سنسور فشار نوع خازنی فشار تفاضلی به دیافراگم اعمال می‌شود که

باعث می‌شود دیافراگم به یکی از صفحات خازن نزدیک شده و از دیگری دور شود؛ بنابراین ظرفیت خازن تغییر می‌کند

که این تغییر متناسب با فشار اعمال شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی و ترنسمیتر تبدیل

به سیگنال الکتریکی می‌شود که در واحدهای فشار کالیبره شده‌است.

الکترومغناطیسی

جابجایی دیافراگم از طریق تغییر در اندوکتانس (رلوکتانس)، LVDT، اثر هال یا قانون جریان ادی اندازه‌گیری می‌شود.

سنسور فشار القایی نشان داده شده در شکل ۱۲–۵ دارای دو سیم پیچی می‌باشد که با یک هسته مغناطیسی

کوپل شده‌اند. هنگامی که فشار اعمال شده دیافراگم را حرکت دهد، این هسته جابجا می‌شود. خاصیت القایی

توسط مدارهای الکترونیکی مانند مدارهای رزونانس اندازه‌گیری می‌شود.

پیزو الکتریک

از اثر پیزو الکتریک در مواد معین همانند کوارتز استفاده می‌کند تا کشش ناشی از فشار را اندازه بگیرد. این تکنولوژی

برای اندازه‌گیری فشارهای پویا استفاده می‌شود. انواعی از کریستال‌ها به نام پیزوالکتریک در اثر تغییر شکل مکانیکی

سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند که سطح ولتاژ این سیگنال متناسب با میزان تغییر شکل است. کریستال به یک دیافراگم

فلزی متصل است. یک سمت دیافراگم برای اندازه‌گیری فشار، در تماس با سیال فرایند می‌باشد و سمت دیگر دیافراگم

به‌طور مکانیکی به کریستال متصل است. سیگنال ولتاژ خروجی کریستال دامنه کوچکی دارد (در محدوده میکرو ولت) پس

باید یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بالا به کار گرفته شود. به منظور جلوگیری از اتلاف سیگنال، تقویت‌کننده باید در

نزدیکی سنسور نصب شود. کریستال تا دمای ۴۰۰ °F را تحمل می‌کند. تغییرات دما کریستال را تحت تأثیر قرار می‌دهد

بنابراین جبران سازی دما باید صورت گیرد.

نوری

از تغییر فیزیکی فیبر نوری برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می‌کند. به عنوان مثال در Fiber Bragg Grating

از این تکنولوژی استفاده می‌شود. این تکنولوژی در کاربردهایی که با چالش همراه هستند استفاده می‌شود. برای مثال در

مکان‌های غیرقابل دسترس، دماهای بالا یا در تکنولوژی‌های ذاتاً مصون از تداخلات الکترومغناطیس و اندازه‌گیری‌های راه دور.

پتانسیومتری

از حرکت جاروبک در طی مکانیزم مقاومتی برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می‌کند. انواع دیگر

این انواع سنسورهای فشار الکترونیکی از خواص دیگر (مانند چگالی) برای تعیین فشار گاز یا مایع استفاده می‌کنند.

رزونانس

اعمال فشار باعث ایجاد تغییر در چگالی گاز می‌شود و آن نیز موجب تغییر فرکانس رزونانس می‌شود. برای استفاده از این تکنولوژی

می‌توان از ابزار «جمع‌کننده نیرو» مانند موارد ذکر شده در بالا استفاده کرد. هم چنین می‌توان عنصر رزونانس‌کننده را به‌طور مستقیم

در معرض ماده قرار داد. در این صورت نیز فرکانس نوسان وابسته به چگالی ماده می‌باشد. سنسورها از سیم‌های نوسان کننده،

تیوب‌های نوسان کننده، کوارتز، و سیستم‌های میکرو الکترو_مکانیکی (MEMS) ساخته می‌شوند. در کل مشخصه این تکنولوژی،

خروجی پایدار آن است.

دما

با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می‌کند و به دنبال آن، گذردهی گرمایی آن تغییر می‌کند. نمونه رایج این سنسورها،

گیج‌های «پیرانی» هستند.

یونیزاسیون

با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می‌کند و به دنبال آن، جریان یون‌های موجود در آن تغییر می‌کند. نمونه‌های رایج این

نوع سنسور، گیج‌های کاتد سرد و کاتد گرم است.

کالیبراسیون سنسور فشار خلا

بهترین مثال از یک سنجش فشار مطلق اندازه گیری فشار جو میباشد.به منظور تولید یک سنسور فشار مطلق شرکت سازنده

پشت دیافراگم سنجش را مهر و موم کرده و سپس یک خلا بزرگ را در ان ایجاد میکند. بنابراین اگر شما اتصال فشار فرایند یک

ترانسمیتر فشار مطلق را به هوا باز نگه دارد در این حالت ترانسمیتر فشار  هوای واقعی را قرائت میکند.

کالیبره کردن

برای کالیبره کردن یک ترانسمیتر فشار مطلق نیاز به یک دستگاه تولید کننده ی خلا میباشد.اکثر کالیبراتورهای فشار امروزی

قابلیت فشار زیر اتمسفر را نیز دارند اما بهترین وسیله ای که میتوان بواسطه ان خلا بزرگی را ایجاد کرد پمپ خلا میباشد.برای

قرائت دقیق خلا ایجاد شده توسط این دستگاه نیز میتوان از یک نوع مانومتر جیوه ای نوع مخزن دار استفاده کرد.

مراحل کالیبراسیون سنسور فشار خلا

مرحله اول

ابتدا باید رنج مطلق را به رنج نسبی تبدیل کنیم. باتوجه به اینکه فشار اتمسفر در کنار دریا 7 psi است ما باید عدد 14.7 را

از هم LRVURV و هم از کم کنیم. از این رو رنج نسبی ترانسمیتر ما -14.7-0 psi خواهد بود. توجه داسته باشید که اگر کارخانه

شما در کنار سطح دریا قرار نگرفته باشد در هنگام محاسبه رنج مطلق ترانسمیتر باید فشار اتمسفر محلی خود را از LRVوURV

کم کنید.

حال از انجایی که میخواهیم توسط یک مانومتر جیوه ای فشار اعمال شده به ترانسمیتر را قرائت کنیم باید رنج بدست امده را که

در واحد psi است به واحد cmhg تبدیل کنیم.

14.7 psi= 76 cmhg

-76-0 cmhg = رنج ترانسمیتر

یعنی پس از اتمام کالیبراسیون ترانسمیتر باید در فشار خلا -76 cmhg یک خروجی 4mA را ایجاد کند و در 0 cmhg یک خروجی 20mA

را در خروجی خود ظاهر کند.

مرحله دوم

ادوات مورد نیاز کالیبراسیون را به همدیگر متصل میکنیم.

مرحله سوم

در این مرحله برای تنظیم zero ترانسمیتر باید به وسیله پمپ خلا و تنظیم ولو یک خلا 76 cmhg را ایجاد کنیم. اما همانطور که میدانید

به واسطه پمپ خلا یا کالیبراتورهای فشار امروزی امکان ایجاد یک خلا -76 cmhg وجود ندارد. در نتیجه باید از تنظیم ترانسمیتر در 0% ورودی

صرف نظر کرده و ترانسمیتر را در 25% ورودی تنظیم کنیم. برای این کار با روشن کردن پمپ خلا و تنظیم ولو یک خلا -57 cmhg را ایجاد میکنیم.

حال باید پیچ تنظیم zero را به گونه ای تنظیم کنید که خروجی ترانسمیتر 00 mA شود.

مرحله چهارم

پمپ خلا را خاموش کرده و ترانسمیتر را vent میکنیم. در این حالت یک فشار 0 cmHg که همان فشار اتمیفر میباشد به ترانسمیتر اعمال میگردد.

پیچ تنظیم spen را به گونه ای تنظیم کنید که خروجی ترانسمیتر 00mA شود.

مرحله پنجم

مرحله 3 و 4 را انقدر تکرار میکنیم تا در 25%و 100% رنج فشار ترانسمیتر به ترتیب یک خروجی 00 mA و 20.00mA را تولید کند.

مرحله ششم

بااعمال 25%، 50%، 75% و 100% رنج کاری ترانسمیتر جریان خروجی را قرائت کرده و خطی بودن ترانسمیتر را بررسی میکنیم.

اگر ترانسمیتر در طول رنج عملیاتی خطی عمل میکند کالیبراسیون به پایان رسیده است در غیر اینصورت باید مشکل خطی بودن را

حل کرده و دوباره مراحل کالیبراسیون را از اول تکرار میکنیم.