فشار سنج چیست؟

فشارسنج  Barometer را برای اندازه گیری فشارهوا به کار می‌برند. هرچند اصطلاح «به سبکی هوا» به معنای خیلی سبک است اما باید توجه داشت که وزن هوای روی هر متر مربع از سطح زمین معادل ۱۰۰۰۰ کیلوگرم است. نیروی وارد بر سطح را فشار می‌نامند. هر فشارسنج تشکیل شده اشت از یک قوطی فلزی تخت و درزبندی شده که درون آن از هوا خالی است. فشار هوا می‌خواهد قوطی را مچاله کند اما چون فلز خاصیت فنری دارد کاملاً مچاله نمی‌شود. با تغییر فشارهوا جدار فلزی قوطی بالا و پایین می‌رود. مجموعه‌ای از اهرم‌ها حرکت جدار قوطی را به حرکت عقربه‌ای بر روی صفحهٔ مدرج (شبیه صفحهٔ ساعت) تبدیل می‌کند. با بالا رفتن از سطح زمین (مثلاً با هواپیما) و همچنین با تغییر شرایط آب و هوا، فشار هوا کم می‌شود. فشارسنج را برای سنجش ارتفاع پرواز هواپیما از سطح زمین و نیز برای پیش بینی وضع هوا به کار می‌برند. در هواشناسی فشار هوا را بر حسب میلی بار (mb) بیان می‌کنند.میانگین فشار هوا در مجاورت سطح دریا در حدود ۱۰۰۰mb است.

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، مبدل های فشار، ترنسمیتر فشار، فرستنده فشار، نشان دهنده 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 می توانند براساس بازه اندازه گیری، بازه دمای عملکرد و از همه مهمتر نوع فشار اندازه گیری طبقه بندی شوند. با توجه به نوع فشار، فشار سنج ها، به ۵ دسته طبقه بندی می شوند:

سنسور فشار مطلق

این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلا کامل (۰ psi) را اندازه می گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱.۳۲۵ KPa (یا ۱۴.۷psi) در سطح دریا نسبت به خلا است.

سنسور فشار گیج Gauge

این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شود زیرا می تواند برای اندازه گیری 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 می خواند فشار داخل تایر ۱۴.۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.

سنسور فشار خلا

این سنسور برای اندازه گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه ای مشخص استفاده می شود. مرجع سنسور خلا در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر ( مانند اندازه گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلا

سنسور فشار تفاضلی

این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می شوند اندازه می گیرد. برای مثال اندازه گیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می رود.

سنسور فشار مهرشده(sealed)

این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده است.

تکنولوژی حس کردن فشار

۲ دسته بندی اساسی برای سنسورهای آنالوگ فشار وجود دارد:
انواع جمع کننده نیرو: این نوع از سنسورهای فشار الکترونیکی عموما از یک جمع کننده نیرو استفاده می کنند.( مانند دیافراگم، پیستون، لوله بوردونی) تا کشش را بر اساس نیروی اعمالی و فشار بر سطح اندازه بگیرد.

گیج‌های کشش پیزو رزیستور فشار

از اثر پیزو رزیستور گیج‌های کشش قرارداده شده بر روی تکیه گاه برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. انواع تکنولوژی‌های معمول سیلیکن (مونو کریستالی)، پوسته نازک پلی سیلیکن، ورق فلز قرار داده شده بر روی تکیه، ورق ضخیم . عموما گیج‌های کشش در یک ساختار مدار پل وتستون اتصال می یابند تا خروجی سنسور را حداکثر کنند. این معمول‌ترین تکنولوژی به کار گرفته شده برای اهداف عمومی اندازه گیری فشار است. این تکنولوژی‌ها با اندازه گیری فشار مطلق، گیج، خلا و فشار تفاضلی وفق داده میشوند.

تکنووژی خازنی فشار

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 سیلیکنی استفاده می کنند. 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 شده است.

الکترومغناطیسی

جابجایی دیافراگم از طریق تغییر در اندوکتانس (رلوکتانس)، LVDT، اثر هال و یا قانون جریان ادی اندازه گیری می شود. سنسور فشار القایی نشان داده شده در شکل ۱۲-۵ دارای دو سیم پیچی می‌باشد که با یک هسته مغناطیسی کوپل شده اند. هنگامی که فشار اعمال شده دیافراگم را حرکت دهد، این هسته جابجا می شود. خاصیت القایی توسط مدارهای الکترونیکی مانند مدارهای رزونانس اندازه گیری 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 اندازه گیری فشارهای پویا استفاده می شود. انواعی از کریستال‌ها به نام پیزوالکتریک در اثر تغییر شکل مکانیکی سیگنال الکتریکی تولید می کنند که سطح ولتاژ این سیگنال متناسب با میزان تغییر شکل است. کریستال به یک دیافراگم فلزی متصل است . یک سمت دیافراگم برای اندازه گیری فشار، در تماس با سیال فرایند می‌باشد و سمت دیگر دیافراگم به طور 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، تقویت کننده باید در نزدیکی سنسور نصب شود. کریستال تا دمای ۴۰۰ °F را تحمل می کند. تغییرات دما کریستال را تحت تاثیر قرار می دهد بنابراین جبران سازی دما باید صورت گیرد.

نوری

از تغییر فیزیکی فیبر نوری برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. به عنوان مثال درFiber Bragg Grating از این تکنولوژی استفاده می شود. این تکنولوژی در کاربردهایی که با چالش همراه هستند استفاده می شود. برای مثال در مکان‌های غیر قابل دسترس، دماهای بالا و یا در تکنولوژی‌های ذاتا مصون از تداخلات الکترومغناطیس و اندازه گیری‌های راه دور.

پتانسیومتری

از حرکت جاروبک در طی مکانیزم مقاومتی برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند.
انواع دیگر این انواع سنسورهای فشار الکترونیکی از خواص دیگر ( مانند چگالی) برای تعیین فشار گاز یا مایع استفاده می کنند.

رزونانس

اعمال فشار باعث ایجاد تغییر در چگالی گاز می‌شود و آن نیز موجب تغییر فرکانس رزونانس می شود. برای استفاده از این تکنولوژی می توان از ابزار "جمع کننده نیرو" مانند موارد ذکر شده در بالا استفاده کرد. هم چنین می توان عنصر رزونانس کننده را به طور مستقیم در معرض ماده قرار داد . در این صورت نیز فرکانس نوسان وابسته به چگالی ماده می باشد. سنسورها از سیم‌های نوسان کننده، تیوب‌های نوسان کننده، کوارتز، و سیستم‌های میکرو الکترو_مکانیکی (MEMS) ساخته می شوند.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 می کند. نمونه رایج این سنسورها، گیج های "پیرانی" هستند.

یونیزاسیون

با اعمال فشار به گاز، چگالی آن تغییر می‌کند و به دنبال آن، جریان یون‌های موجود در آن تغییر می کند.نمونه‌های رایج این نوع سنسور، گیج‌های کاتد سرد و کاتد گرم است.
راه‌های دیگر نیز برای استنتاج فشار از طریق چگالی وجود دارد.(سرعت صوت، جرم، ضریب شکست)

کاربردهای سنسور فشار

سنسورهای فشار کاربردهای زیادی دارند از جمله:

اندازه گیری فشار

این کاربرد، کاربرد مستقیم سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن‌ها فشار کارایی دارد به کار می رود.

اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا

کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن‌های هواشناسی و غیره می باشد. در تمامی این کاربردها از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می شود۰
این معادله، برای ارتفاع سنجی تا ارتفاع ۳۶.۰۹۰ فوت (۱۱.۰۰۰ متر) تنظیم شده است. در خارج از این بازه، شاهد خطا خواهیم بود.
این خطا را می توان برای سنسورهای فشار مختلف محاسبه کرد. عامل این خطا، تغییرات ناشی از دما درارتفاعات بالاتر می باشد. ارتفاع سنج هایی با سنسور فشار تفکیک پذیری کمتر از ۱ متر دارند و تفکیک پذیری آن‌ها بهتر از نوع ارتفاع سنجی با سیستم GPS ( که دارای تفکیک پذیری ارتفاع ۲۰ مترمی باشد) است. در کاربردهای موقعیت یابی، برای تشخیص جاده‌های تپه ای( برای موقعیت یابی اتومبیل) و یا ارتفاع طبقات ساختمان‌ها ( برای موقعیت یابی فرد پیاده) استفاده می شود.

اندازه گیری جریان

می توان با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریا ن را اندازه گرفت. اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه گیری می شود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد.از انجا که این اختلاف فشار نسبتا کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می شود.

اندازه گیری ارتفاع / عمق

می توان از سنسور فشار برای ندازه گیری ارتفاع سطح مایع استفاده کرد.معمولا از این تکنیک برای اندازه گیری مکان جسم غوطه ور در آب ( مانند غواص‌ها، زیر دریایی ها) و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن (مانند مایع داخل برج آب) استفاده می شود. برای بیشتر کاربردهای عملی، سطح مایع متناسب با فشار است. در مواردی مانند "آب شیرین" که زیر فشار اتمسفر می باشد داریم:
۱psi =۲۷.۷ in H۲O
۱pa = ۹.۸۱ mm H۲O
معادله اصلی برای این اندازه گیری معادله زیر است:
P=ρ*g*h
p= فشار
ρ=چگالی مایع
g=گرانش
h=فشار سنسور بالای مایع ستون ارتفاع

آزمایش نشتی

می توان با اندازه گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش‌های متداول برای این منظور، دو روش هستند: ۱. مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار ۲. اندازه گیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان
نیروسنج وسیله‌ای است برای اندازه گیری نیرو، گشتاور یک نیرو (لنگر)، یا توان. مانند توان تولید شده توسط یک موتور الکتریکی یا ماشین گرمایی.