اندازه گیری الکترونیکی فشار به کنترل ایمن، دقیق و به صرفه فرآیندها کمک می کند. در کنار اندازه‌گیری دما، مهمترین و رایج‌ترین فناوری برای نظارت و کنترل کارخانه‌ها و ماشین‌آلات اندازه گیری الکترونیکی فشار است.
به ویژه در فرآیندهای پنوماتیک و هیدرولیک، اندازه گیری و کنترل فشار سیستم مهمترین پیش نیاز برای عملکرد ایمن و اقتصادی فرآیند است.
در طول 20 سال گذشته، اندازه گیری فشار الکترونیکی در بسیاری از کاربردها معرفی و انجام می شود و هر روز کاربردهای جدیدی به این لیست اضافه می شود. از جمله این کاربردها می توان به:
- استخراج آب آشامیدنی تمیز از چاه ها یا از کارخانه های تصفیه آب
- در کنترل ایمن فلپ های فرود هواپیما
- در عملکرد اقتصادی کارخانه های تهویه مطبوع و تبرید
- در تولید مواد با کارایی بالا، در صنایع شیمیایی
- در تولید انرژی سازگار با محیط زیست در سلول های سوختی و
- در کنترل کارآمد پمپ های حرارتی
- عملکرد ایمن جرثقیل ها و آسانسورها
- عملکرد بدون مشکل ابزار و ماشین آلات خودکار
- احتراق مطابق با محیط زیست در موتورها
- عملکرد پایدار و صرفه جویی در انرژی برق اشاره کرد.
با این حال، درخواست برای تنوع در ابزار اندازه گیری به اندازه تنوع کاربردها بالاست. این واقعیت در تعداد بسیار زیاد محصولات نیز منعکس شده است. در روزهای اولیه اندازه‌گیری فشار الکترونیکی، کاربر فقط می‌توانست از بین تعداد کمی از انواع تولید شده توسط ارائه‌دهندگان معدودی انتخاب کند. امروزه خوشبختانه کاربر با انبوهی از راه حل های فنی توسط ارائه دهندگان متعدد مواجه است.
اصول اندازه گیری فشار الکترونیکی
برای اندازه‌گیری فشار الکترونیکی، یک سنسور برای تشخیص فشار و/یا تغییر آن، و تبدیل آن به‌طور دقیق و تکرارشونده به سیگنال الکتریکی باید از یک اصل عملکرد فیزیکی استفاده کند. سیگنال الکتریکی بدست آمده مقدار اندازه گیری شده فشار اعمال شده یا تغییر فشار است. چهار اصل کلیدی اندازه گیری و تحقق فنی آنها در زیر نشان داده شده است.
اندازه گیری فشار مقاومتی
اصل اندازه گیری فشار مقاومتی بر اساس اندازه‌گیری تغییر مقاومت هادی های الکتریکی (electric conductors) ناشی از انحراف وابسته به فشار است. معادله زیر برای مقاومت یک هادی الکتریکی اعمال می شود:
R=ρL/A
R مقاومت الکتریکی
ρ مقاومت
L طول
A سطح مقطع
اگر نیروی کششی به هادی وارد شود، طول هادی افزایش یافته و سطح مقطع آن کاهش می یابد (شکل 1). از آنجایی که مقاومت یک هادی فلزی یک ثابت (وابسته به دما) برای یک ماده خاص است و بنابراین مستقل از هندسه، مقاومت الکتریکی در نتیجه افزایش طول، افزایش می یابد. در مورد فشرده سازی، برعکس است.
اصل اندازه‌گیری فشار مقاومتی با استفاده از بدنه‌ی اصلی‌ای محقق می‌شود که تحت فشار، به‌صورت کنترل‌شده‌ای دچار انحراف (تغییر شکل) می‌گردد. این بدنه اغلب دارای ناحیه‌ای نازک به نام دیافراگم است که به‌صورت عمدی ضعیف‌تر طراحی شده است. میزان انحراف ایجادشده در اثر فشار، توسط استرین گیج‌های فلزی اندازه‌گیری می‌شود.
معمولاً چهار استرین گیج روی دیافراگم قرار می گیرد. برخی از آنها در طول و مناطق نازک و برخی دیگر در مناطق فشرده دیافراگم قرار دارند. اگر دیافراگم تحت تأثیر فشار منحرف شود، استرین گیج ها به همین ترتیب منحرف می شوند (شکل 2). مقاومت الکتریکی متناسب با انحراف (قسمت طولی یا مناطق فشرده) افزایش یا کاهش می یابد. برای اندازه گیری دقیق تغییر مقاومت، استرین گیج ها به یک پل اندازه گیری وتستون متصل می شوند.
اندازه گیری فشار پیزو مقاومتی
اصل اندازه‌گیری فشار به روش پیزومقاومتی مشابه اصل اندازه‌گیری فشار مقاومتی است. با این حال، در این روش از استرین‌گیج‌هایی استفاده می‌شود که از مواد نیمه‌رسانا ساخته شده‌اند. در نتیجه، تغییر شکل ناشی از کشش یا فشار، منجر به تغییر در مقاومت ویژه (resistivity) ماده می‌شود. طبق معادله ۳، مقاومت الکتریکی با مقاومت نسبت مستقیم دارد.
در حالی که اثر پیزومقاومتی در فلزات بسیار ناچیز بوده و در روش اندازه‌گیری فشار مقاومتی عملاً قابل صرف‌نظر است، در نیمه‌رساناهایی مانند سیلیکون، این اثر می‌تواند بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از اثرات ناشی از تغییر طول یا سطح مقطع باشد.
برخلاف استرین‌گیج‌های فلزی که می‌توان آنها را تقریباً به هر ماده‌ای چسباند، استرین‌گیج‌های نیمه‌رسانا به صورت ساختارهای میکروسکوپی در خود دیافراگم یکپارچه‌سازی شده‌اند. بنابراین، استرین‌گیج‌ها ← و بدنه‌ی انحراف‌دهنده هر دو از یک ماده‌ی نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند. معمولاً چهار استرین‌گیج در یک دیافراگم سیلیکونی جاسازی شده و به‌صورت یک پل ویتستون (Wheatstone bridge) سیم‌بندی می‌شوند تا تغییرات مقاومت به صورت دقیق اندازه‌گیری شود.
از آنجا که ساختارهای میکروسکوپی (میکروساختارها) نسبت به بسیاری از محیط‌های فشار مقاوم نیستند، در اکثر کاربردها باید چیپ حسگر به‌صورت محافظت‌شده (کپسوله) باشد. در این حالت، فشار باید به‌صورت غیرمستقیم به عنصر حسگر نیمه‌رسانا منتقل شود، مثلاً با استفاده از یک دیافراگم فلزی و روغن به‌عنوان واسطه انتقال فشار.
با توجه به شدت اثر پیزومقاومتی، حسگرهای پیزومقاومتی می‌توانند در محدوده‌های فشار بسیار پایین نیز استفاده شوند. با این حال، به دلیل وابستگی زیاد به دما و تغییرات ناشی از فرآیند ساخت، لازم است برای هر حسگر به‌صورت جداگانه جبران دمایی انجام شود.
هرکدام از این اصول اندازه گیری مربوط و مناسب کاربردهای خاصی در صنعت است، البته هزینه ها و در دسترس بودن هر کدام نیز متفاوت است. با ما تماس بگیرید تا بهترین اصل را به شما معرفی کنیم.
اندازه گیری فشار خازنی
اصل اندازه گیری فشار خازنی بر اساس اندازه گیری ظرفیت خازن است که به جداسازی صفحه بستگی دارد. ظرفیت خازن دو صفحه با استفاده از رابطه زیر تعیین می شود:
C = ε(A/d)
C ظرفیت خازن دو صفحه ای
ε گذرا
A مساحت صفحه خازن
d جداسازی صفحه
اصل اندازه‌گیری فشار خازنی با استفاده از یک بدنه اصلی با دیافراگم فلزی، یا یک بدنه پوشیده شده با یک ماده رسانا، که یکی از دو صفحه خازن دو صفحه‌ای را تشکیل می‌دهد، محقق می‌شود. اگر دیافراگم تحت فشار منحرف شود، جداسازی صفحه خازن کاهش می یابد، که منجر به افزایش ظرفیت خازن می شود در حالی که سطح و گذردهی صفحات ثابت می ماند (شکل 3).
به این ترتیب می توان فشار را با حساسیت بالا اندازه گیری کرد. بنابراین، اندازه گیری فشار خازنی برای مقادیر فشار بسیار پایین، حتی در محدوده میلی بار یک رقمی نیز مناسب است . این واقعیت که دیافراگم متحرک می تواند منحرف شود تا زمانی که به صفحه ثابت خازن برسد، ایمنی اضافه بار بالایی را برای این سنسورهای فشار تضمین می کند.
محدودیت های عملی در این سنسورها از مواد دیافراگم و ویژگی های آن و همچنین از تکنیک های اتصال و آب بندی مورد نیاز ناشی می شود.
اندازه گیری فشار پیزوالکتریک
اصل اندازه‌گیری فشار پیزو الکتریک مبتنی بر اثر فیزیکی به همین نام است که فقط در برخی از کریستال‌های نارسانا، به عنوان مثال کوارتز تک کریستالی، یافت می‌شود. اگر چنین کریستالی در یک جهت مشخص در معرض فشار یا نیروی کششی قرار گیرد، سطوح معینی از کریستال به ترتیب دارای بار مثبت و منفی هستند، شارژ می شوند.
به دلیل جابجایی در عناصر شبکه باردار الکتریکی، یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ایجاد می شود که با بارهای سطحی (قابل اندازه گیری) نشان داده می شود (شکل 4). مقدار بار متناسب با مقدار نیرو است. قطبیت آن به جهت نیرو بستگی دارد. ولتاژ الکتریکی ایجاد شده توسط بارهای سطحی را می توان اندازه گیری و تقویت کرد.
اثر پیزو الکتریک فقط برای اندازه گیری فشارهای دینامیکی مناسب است. بنابراین در عمل، اندازه گیری فشار پیزو الکتریک به کاربردهای تخصصی محدود می شود.
