اندازه گیری الکترونیکی فشار به کنترل ایمن، دقیق و به صرفه از نظر انرژی 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 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 نمک زدایی، 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 اشاره کرد.
اندازه گیری فشار الکترونیک عملکرد ایمن جرثقیل ها و آسانسورها، عملکرد بدون مشکل ابزار و ماشین آلات خودکار، احتراق مطابق با محیط زیست در موتورها و عملکرد پایدار و صرفه جویی در انرژی برق را تضمین می کنند.
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 اندازه گیری 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 اندازه گیری فشار مقاومتی با استفاده از یک بدنه اصلی که انحراف کنترل شده را تحت فشار نشان می دهد تحقق می یابد. این بدنه اصلی اغلب دارای یک ناحیه (نازک) به نام دیافراگم است که عمداً ضعیف می شود. درجه انحراف ناشی از فشار با استفاده از استرین گیج های فلزی اندازه گیری می شود.
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 اندازه گیری فشار پیزو مقاومتی مشابه اصل اندازه گیری فشار مقاومتی است. با این حال، از آنجایی که استرین گیج های مورد استفاده برای این اصل اندازه گیری از یک ماده نیمه رسانا ساخته شده اند، انحراف آنها به دلیل ازدیاد طول یا فشرده شدن در درجه اول منجر به تغییر در مقاومت می شود. مطابق رابطه 3، مقاومت الکتریکی متناسب با مقاومت است. در حالی که اثر پیزو-مقاومتی در فلزات ناچیز است و در نتیجه در اندازه‌گیری فشار مقاومتی ناچیز است، در نیمه‌رساناهایی مانند سیلیکون از تأثیر تغییر طول و مقطع به میزان 10 تا 100 بیشتر است.
برخلاف استرین گیج های فلزی، که می توانند تقریبا به هر ماده ای متصل شوند، استرین گیج های نیمه هادی به عنوان ریزساختار در دیافراگم ادغام می شوند. بنابراین، استرین گیج ها ← و بدنه انحراف از یک ماده نیمه هادی هستند. معمولاً چهار استرین گیج در یک دیافراگم ساخته شده از سیلیکون ادغام می شوند و به یک پل اندازه گیری وتستون متصل می شوند.
از آنجایی که ریزساختارها در برابر بسیاری از سیال های وارد کننده فشار مقاوم نیستند، برای بیشتر کاربردها، تراشه حسگر باید محصور شود. سپس فشار باید به طور غیر مستقیم به عنصر حسگر نیمه هادی منتقل شود، به عنوان مثال با استفاده از دیافراگم فلزی و روغن به عنوان وسیله انتقال فشار.
با توجه به میزان اثر پیزو مقاومت، سنسورهای پیزو مقاومتی را می توان در محدوده های فشار بسیار پایین نیز استفاده کرد. با این حال، به دلیل وابستگی شدید به دما و تغییرات مربوط به فرآیند تولید، جبران دمای جداگانه هر سنسور فشار ← مورد نیاز است.
هرکدام از این اصول اندازه گیری مربوط و مناسب کاربردهای خاصی در صنعتت 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.
