سنسور فشار، از سیر تا پیاز!

هر آنچه که باید پیش از خرید یک سنسور فشار و سپس هنگام استفاده از اون رو بدونی، اونم به بیانی ساده!

«اگر می‌توانید چیزی را که درباره آن صحبت می‌کنید، اندازه بگیرید و بتوانید آن را با یک عدد بیان کنید، باید چیزهایی درباره آن موضوع بدانید. اما اگر نتوانید آن را اندازه‌گیری کنید، دانش شما ناچیز و نارضایت بخش است - اندازه‌گیری، اساس همه دانش‌ها است.

لُرد کلوین (۱۹۰۷-۱۸۲۴)

به دنیای سنسور فشار خوش اومدی، جایی که دقت با نوآوری روبرو میشه!

آیا می دونستی که سنسور فشار می‌تونه تغییرات فشار رو به ظریفی و دقت لمس یک پر تشخیص بده؟ این دستگاه های الکترونیکی در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از اتوماسیون صنعتی گرفته تا تجهیزات پزشکی مورد استفاده قرار گرفته‌ان و با دقت و قابلیت اطمینان بی نظیر خودشون، صنایع بی‌شماری را متحول کردن.

یک داستان جذاب که توانایی‌های باورنکردنی سنسور فشار رو برجسته میکنه از حوزه هوانوردیه! در روزهای اولیه هوانوردی، خلبانان تنها به شهود و تجربه خودشون برای سنجش ارتفاع و سرعت هوا متکی بودن. اما در سال ۱۹۲۸، مهندس جوانی به نام کارل جی کلارک، اولین ارتفاع سنج فشاری رو اختراع کرد که از یک سنسور فشار برای اندازه‌گیری تغییرات فشار اتمسفر در هنگام صعود یا فرود هواپیما استفاده می‌کرد.

این اختراع موفقیت آمیز نه تنها روشی دقیق و قابل اعتمادی رو برای تعیین ارتفاع در اختیار خلبانان قرار داد، بلکه امکانات جدیدی رو هم برای هوانوردی مانند پرواز بر فراز ابرها و حتی در شرایط آب و هوایی نامساعد هم باز کرد. امروزه، سنسور های فشار جزء ضروری از هر هواپیما هستند که امکان سفر هوایی ایمن رو در سراسر جهان فراهم می کنه.

تطبیق‌پذیری سنسور فشار واقعاً جالبه و با پیشرفت تکنولوژی، قابلیت‌های اونها هم دائماً در حال گسترشه. بنابراین چه در حال کاوش در اعماق اقیانوس، رسیدن به ستاره‌ها در اکتشافات فضایی و یا اندازه‌گیری سطح مخزن شیر در کارخونه خود باشید، سنسور فشار به شکل خستگی‌ناپذیری در پشت صحنه کار می‌کنه تا همه کاری رو برای شما ممکن کنه!

همونطور که قصد داریم در دنیای سنسور های فشار عمیق‌تر فرو بریم، امیدواریم که شما هم مثل ما مجذوب تاریخچه جذاب و کاربردهای گسترده اونها بشید. پس کمربنداتونو ببندید و برای شروع یک سفر هیجان‌انگیز آماده بشید تا از مهم‌ترین راز و رمز های فناوری اندازه‌گیری فشار رو در صنعت پرده برداریم!

فشار چیست؟

فشار، دما، سطح و فلو چهار اندازه‌گیری رایج هر کارخونه‌ای هستن. بین این چهار تا، فشار اساسی‌ترین و رایج‌ترینه. سه پارامتر دیگه رو هم میشه از فشار استباط کرد مثل: فلو (اوریفیس، لوله پیتوت و ونتوری)، سطح (فشار هیدرواستاتیک) و دما (ترمومتر فشار). حتی میشه از اون برای استنباط چگالی (فشار برای یک حجم معین) و وزن (لودسل) هم استفاده کرد. پس یادمون باشه که اگر نتونیم فشارو اندازه‌گیری کنیم، نمی‌تونیم اونو هم کنترل کنیم.
توانایی اندازه‌گیری سریع، دقیق و قابل اطمینان فشار هنگام کنترل یک فرآیند، بسیار ارزشمنده!

در واقع، هر کدوم از این ترانسمیتر ها، فشار رو اندازه‌گیری می‌کنن. فلو ترانسمیتر، ترانسمیتر سطح مایعات و ترمومتر فشار از فشار اندازه‌گیری‌شده در فرآیند برای استنباط پارامتر دیگری استفاده می‌کنن.

قوانین فیزیک فشار

وقتی گاز یا مایعی در یک ظرف بسته قرار می‌گیره، مولکول‌هاشون در یک حرکت ثابت، اما تصادفی هستن و دائماً با یکدیگر و همچنین با دیواره‌های ظرف برخورد می‌کنن. همه این برخوردها در یک سطح مشخص رخ میدن که با هم ترکیب و منجر به اعمال نیرو میشن. این نیرو بر روی یک سطح معین، فشار نامیده میشه.
در واقع:

P=F/A

که در این فرمول هر یک از متغیر ها به شکل زیر تعریف میشن:

P = فشار
F = نیرو (در واقع همون نیروی وارده از سمت سیاله!)
A = سطح (در واقع همون سطحیه که سیال داره بهش نیرو وارد میکنه!)

قانون پاسکال (گاز و مایعات)

در دهه ۱۶۰۰، بلیز پاسکال اصل خودش رو که انتقال فشار-سیال بود رو ارائه داد که ما بیشتر تحت عنوان قانون پاسکال می‌شناسیمش. این قانون میگه که تغییر در فشار سیال داخل محفظه بسته به طور یکسان در هر جهت داخل محفظه منتقل میشه. بنابراین، فشار داخل محفظه بسته رو میشه از هر نقطه‌ای درون محفظه اندازه‌گیری کرد.

قانون بویل (گاز)

همچنین در دهه ۱۶۰۰، رابرت بویل از طریق آزمایش، قانون جدیدی رو کشف کرد. قانون بویل میگه که با افزایش حجم محفظه، فشار کاهش پیدا میکنه. درواقع، گاز منبسط میشه تا حجم موجود رو پر کنه.

قانون چارلز (گاز)

ژاک چارلز اولین بار قانون خودش رو یعنی قانون چارلز رو در اثری منتشر نشده در دهه ۱۷۸۰ توصیف کرد. اگر اندازه محفظه ثابت بمونه، قانون چارلز میگه که تغییر دمای محتویات محفظه به‌طور مستقیم بر فشار در محفظه تأثیر میزاره. با افزایش دما در محفظه، فشار محفظه هم افزایش پیدا میکنه.

یکاهای اندازه‌گیری فشار

همه واحدهای اندازه‌گیری فشار دو الزام دارن (و البته از فرمول هم پیداست):
1) واحد نیرو
2) واحد مساحت
هرکسی میتونه صفحات زیادی رو از یکاهای اندازه‌گیری که در صنعت در حال استفاده هستن رو پر کنه. هر تجارت، شغل یا شرکتی، یک یکای مورد علاقه داره و اغلب تمایلی هم به تغییر به‌خاطر استانداردسازی جهانی نداره. به همین دلیل، کاربران باید بتونن به راحتی با چندین واحد کار کنن و اونا رو به هم تبدیل کنن – چه توسط نمودار تبدیل یا چه ابزار های تبدیل آنلاین.
واحد اندازه‌گیری فشار استاندارد در سیستم انگلیسی پوند بر اینچ مربع (psi)، در سیستم MKS، واحد استاندارد کیلوگرم بر متر مربع (kg/m²) و در سیستم SI، واحد استاندارد نیوتن بر متر مربع (N/m²) یا پاسکال (Pa) هستش.

Torr	psi	H₂O	mbar	Pa	Pressure
0.0075	0.000145	0.102mm	0.01	1	= 1Pa
0.75	0.0145	10.2mm	1	100	= 1hPa
750.2	14.5	10.2m	1000	100 000	= 1bar
73.56	1.422	1000mm	98.10	9810	= 1mH2O
51.72	1	0.703m	68.95	6895	= 1psi
1	0.01933	13.6mm	1.333	133.33	= 1Torr

فشار مرجع

در اندازه‌گیری فشار در صنعت، چهار مرجع رایج وجود داره که در واقع ما فشار رو نسبت به اون ها می‌سنجیم:

فشار نسبی (Gauge Pressure)
فشار مطلق (Absolute Pressure)
اختلاف فشار (Differential Pressure)
فشار خلاء (Vacuum Pressure)

فشار نسبی (Gauge Pressure)

از فشار اتمسفر محیط به‌عنوان مرجع استفاده کن!

ترانسمیتر فشار نسبی (Gauge Pressure Transmitter) دارای یک پورت خیلی خیلی کوچیک برای نمونه‌برداری از فشار اتمسفر محیطه که در واقع وقتی فشار سیال رو اندازه‌گیری میکنه، مقدارش رو با فشار اتمسفر محیط مقایسه و نتیجه‌اش رو به‌عنوان فشار اندازه‌گیری شده ارائه میکنه! با نمونه‌برداری لحظه‌ای و سریع، ترانسمیتر های فشار بسیار بسیار دقیق امروزی، تحت تأثیر تغییرات فشار اتمسفر محیط (مثلاً یک طوفان گذرا) قرار میگیرن. حالا بسته به اینکه بیشتر یا کمتر از فشار مرجع ما، یعنی اتمسفر محیط باشه، قرائت فشار نسبی میتونه مثبت یا منفی باشه.

فشار نسبی یا گیج با حرف “g” در یکای اندازه‌گیری نشون داده میشه (به عنوان مثال: H2O(g) یا psig). یا بزار یه مثال خیلی ساده که هر روز همه ما ها باهاش درگیریم رو بزنم: اندازه‌گیری فشار تایر خودرو!

اندازه‌گیری فشار لاستیک خودروهامون یک اندازه‌گیری نسبیه که فشار لاستیک رو با فشار اتمسفر مقایسه میکنه و نمونه‌هایی از کاربرد صنعتیش هم میشه به اندازه‌گیری سطح مخزن در باز و فشار خط اشاره کرد.

فشار مطلق (Absolute Pressure)

از فشار خلاء کامل (صفر مطلق) به عنوان مرجع استفاده کن!

یعنی با یه حساب سرانگشتی ساده متوجه میشیم که تمام اندازه‌گیری‌های فشار مطلق مثبته! درواقع، یک ترانسمیتر فشار مطلق وقتی فشار سیال رو اندازه‌گیری میکنه، اونو با فشار صفر مطلق مقایسه و نتیجه رو به‌عنوان فشار قرائت شده، ارائه می‌کنه! حالا ممکنه از خودت بپرسی این فشار مطلق دقیقا کجاست؟

این فشار مطلق یا خلاء کامل هنگام ساخت سنسور، در تکنولوژی سنسور در محل کارخونه تعبیه میشه که در ادامه، راجع به تکنولوژی های سنسور فشار صحبت می‌کنیم.

اگرچه ترانسمیتر فشار مطلق تحت تأثیر تغییرات فشار اتمسفر محیط قرار نمی‌گیره، اما معمولاً گرون‌تر از ترانسمیتر فشار گیج یا نسبی هستن. فشار مطلق با حرف “a” یا مخفف “abs” در یکای اندازه‌گیری نشون داده میشه (به‌عنوان مثال H2O (abs) یا psia). از نمونه کاربردهای صنعتیش هم میشه به اندازه‌گیری سطح مخزن در باز و فشار خط اشاره کرد.

اختلاف فشار (Differential Pressure)

اختلاف بین دو فشار!

ترانسمیتر اختلاف فشار دو پورت فشار ورودی داره که یکیش برای فشار بیشتر (High-side Pressure) و یکیش برای فشار کمتر (Low-side Pressure). حالا این ترانسمیتر اختلاف فشار، فشار کمتر رو به‌عنوان مرجع در نظر میگیره و اون رو با فشار بیشتر مقایسه می‌کنه. اختلاف این دو، در واقع همون مقداریه که ترانسمیتر به‌عنوان فشار قرائت شده ارائه میکنه. حالا بسته به اینکه فشار بیشتر به کدوم پورت فشار وارد میشه، به قسمت لو ساید یا های ساید، اختلاف فشار محاسبه شده میتونه منفی یا مثبت باشد. از ترانسمیتر اختلاف فشار میشه به‌عنوان یک ترانسمیتر فشار نسبی هم استفاده کرد به شرط اینکه پورت فشار کمتر (Low-side Pressure) درمعرض اتمسفر قرار بگیره.

به بیانی ساده‌تر، ترانسمیتر اختلاف فشار، فشار کمتر (Low-side Pressure) رو به‌عنوان فشار مرجع خودش در نظر میگیره. حالا اگه این پورت ورودی در معرض اتمسفر قرار بگیره و فشار سیال به اون یکی پورت وارد بشه (High-side Pressure) چی …؟ درسته! دقیقا داره کاریو انجام میده که ترانسمیتر فشار نسبی انجام میده! نمونه‌ای از کاربردهای صنعتی ترانسمیتر اختلاف فشار هم شامل اندازه‌گیری سطح مخزن در بسته، چگالی، اسمز معکوس، سلامت فیلتر و اندازه‌گیری فلو.

فشار خلا (Vacuum Pressure)

فشار بین فشار اتمسفر و فشار صفر مطلق.

مرجع تعریف شده استاندارد، فشار صفر مطلقه، اما شرکت‌ها، صنایع و مهندسان مختلف نقطه مرجع رو متفاوت تعریف می‌کنن. اگه داخل دیتاشیت ترانسمیتر فشاری که استفاده می‌کنی، کلمه خلاء (Vacuum) استفاده شده، حتماً از نمایندگی معتبر اون برند بخواه تا استفاده‌شون از کلمه خلاء رو تعریف کنه.

سنسور فشار

اگرچه انواع مختلفی از سنسور فشار های مکانیکی و الکتریکی در بازار وجود داره، اما همه سنسورهای فشار با اندازه‌گیری تغییر فیزیکی در سنسور هنگام قرار گرفتن در معرض تغییرات فشار، فشار رو استنباط می‌کنن. این تغییر فیزیکی می‌تونه ظرفیت خازن، مقاومت یا فرکانس باشه.

در این قسمت انواع سنسور های مورد استفاده در ترانسمیتر های فشار صنعتی (درواقع همون المانی که فشار رو در ترانسمیتر فشار اندازه‌گیری میکنه یا خلاصه‌تر، تکنولوژی اندازه‌گیری فشار) رو بررسی می‌کنیم و به شرح عملکرد هر یک از سنسور ها بصورت مجزا می‌پردازیم و از مزایا و معایب هر تکنولوژی پرده برمی‌داریم! (دیگه چی از این بهتر:) ) اما خب با اینکه قرار نیست به همه تکنولوژی ها بپردازیم ولی ۹۰٪ از تکنولوژی ترانسمیترهای فشار موجود در بازار رو پوشش میده.

مشترک در تمام فناوری‌ها، هر سنسور فشار ورودی خودش رو از دو منبع دریافت میکنه (فشار سیال و فشار مرجع). سپس سنسور دو ورودی رو برای تولید سیگنال خروجی مقایسه میکنه. انحصاراً در ترانسمیتر اختلاف فشار، سنسور دو ورودی فرآیند (فشار بالا و فشار پایین) رو با هم مقایسه میکنه.
سنسور در یک ترانسمیتر فشار نسبی، ورودی فشار سیال رو با ورودی فشار اتمسفر مقایسه میکنه و در یک ترانسمیتر فشار مطلق، ورودی فشار سیال رو با خلاء (صفر مطلق) مقایسه میکنه.

سنسور فشار خازنی

سنسور فشار خازنی اساساً یک خازن بزرگه که از یک صفحه ثابت و یک صفحه متحرک تشکیل شده که به خروجی مکانیکی یک دیافراگم (از طریق مایع پرکننده) متصله. بین صفحات یک ماده دی‌الکتریک قرار داره. سنسور هم دارای یک مدار نوسان ساز (Oscillator) برای انرژی دادن به خازن و یک مدار آشکارساز خازنه (Capacitance Detector Circuit).

هنگامی که خازن شارژ میشه، تغییرات فشار در دیافراگم فرآیند به‌صورت هیدرولیکی به صفحه متحرک منتقل و باعث تغییر فاصله بین صفحات و درنهایت این تغییر فاصله باعث تغییر ظرفیت بین صفحات میشه. سپس مدار آشکارساز خازن تغییر در خازن رو حس میکنه. مدار در سنسور برنامه‌ریزی شده تا بدونه تغییر به مقدار X در خازن برابر است با تغییر به مقدار Y در فشار و از این طریق مقدار فشار سیال محاسبه میشه.

سیگنال خروجی از این نوع سنسورها خیلی کم و آنالوگه که باعث میشه به یک مبدل A/D برای تبدیل سیگنال به دیجیتال نیاز باشه تا در مدار فرآیند ترانسمیتر استفاده بشه.

مزایای سنسور فشار خازنی

عملکرد خوب در فشار های پایین
عملکرد خوب در بازه فشار وکیوم
ریش سفید اندازه‌گیری فشار (بیش از ۵۰ ساله که ازش استفاده میشه)

معایب سنسور فشار خازنی

مدار الکترونیکی پیچیده
فقط یک متغیر رو در فرآیند اندازه‌گیری میکنه
سیگنال خروجی آنالوگ تولید میکنه (البته نیاز به مبدل A/D داره)
نسبت سیگنال به نویز کم
استحکام خوبی در برابر فشار مازاد نداره!
سنسور دما برای جبران سازی تغییرات دما نداره (یک سنسور دمای RTD باید خارج از سنسور قرار بگیره)

سنسور فشار پیزومقاومتی

این نوع سنسور از اثر پیزومقاومتی برای اندازه‌گیری فشار استفاده میکنه که اولین بار توسط لرد کلوین در سال ۱۸۵۶ کشف شد. اثر پیزومقاومتی میگه که مقاومت یک نیمه هادی با تغییر تنش مکانیکی، تغییر میکنه. این تنش مکانیکی ناشی از تغییرات فشار در فرآیند است. در فرآیند، تغییرات فشار به دیافراگم ترانسمیتر، به صورت هیدرولیکی از طریق مایع پرکننده به دیافراگم سنسور منتقل میشه. مدار هم در سنسور جوری برنامه‌ریزی شده که بدونه تغییر X در مقاومت، برابر است با تغییر Y در فشار!

اگرچه انواع مختلفی از نیمه‌هادی ها وجود داره که میشه ازشون استفاده کرد اما سیلیکون تک کریستال (Single Crystal Silicon) به دلیل عملکرد عالی بیشترین استفاده رو داره.

این سنسور فشار از چهار پیزورزیستور استفاده می‌کنه که برای تشکیل یک مدار پل وتسون، برای به حداکثر رسوندن خروجی سنسور و کاهش خطاهای حساسیت به هم متصل شده‌ان. سیگنال خروجی این نوع سنسور هم آنالوگه بنابراین، باید از یک مبدل A/D برای تبدیل سیگنال به فرمت دیجیتال استفاده بشه تا مدار ترانسمیتر از اون استفاده کنه.

پس به خاطر داشته باش: در حین اندازه‌گیری فشار، دوتا دیافراگم داریم که یکیش دیافراگم خارجی ترانسمیتر فشار که در تماس با سیاله و دیگری دیافراگم سنسوره که داخل ترانسمیتر قرار داره و قابل مشاهده نیست. فشار به دیافراگمی که در تماس با سیاله وارد میشه، سبب انحرافش میشه و این انحراف توسط مایع پرکننده به دیافراگم سنسور منتقل میشه و بقیشو که دیگه خودت میدونی (;

مزایای سنسور فشار پیزومقاومتی

زمان پاسخگویی مناسب
تولید راحت

معایب سنسور فشار پیزومقاومتی

تحت تاثیر منفی در دما های بالا
تحت تأثیر منفی در فشارهای استاتیک بالا
تنها یک متغیر فرآیند را اندازه‌گیری میکنه
سیگنال خروجی آنالوگ تولید میکنه (البته نیاز به مبدل A/D داره)
نسبت سیگنال به نویز کم
استحکام خوبی در برابر فشار مازاد نداره!
سنسور دما برای جبران سازی تغییرات دما نداره (یک سنسور دمای RTD باید خارج از سنسور قرار بگیره)

اندازه‌گیری فشار مواد مذاب، آسون تر از همیشه!

سنسور فشار مذاب (سنسور فشار ملت)، همونطور که از اسمش پیداست، نوعی سنسور فشاره (اتفاقاً از تکنولوژی پیزومقاومتی هم پیروی می‌کنه) که برای اندازه‌گیری فشار در دماهای بسیار بالا و اغلب مذاب، استفاده میشه. در یک راهنما، به‌طور کامل به بررسی انواع سنسور فشار مذاب، کاربرد هاشون در صنایع مختلف، نحوه انتخاب صحیح و نکات نصب آن پرداختیم.

سنسور فشار رزونانت سیلیکونی

سنسورهای رزونانت سیلیکونی از یک سیلیکون تک کریستالی با استفاده از تکنیک‌های ریزماشین کاری نیمه هادی سه بعدی ساخته میشن. دو رزوناتور (تشدید کننده) H شکل روی سنسور طراحی شده‌ان که هر کدوم در یک خروجی فرکانس بالا کار می‌کنن. با اعمال فشار، پل‌ها به‌طور همزمان تحت فشار قرار می‌گیرن، در واقع یکی تحت فشار (Compression) و دیگری تحت کشش (Tension). تغییر حاصل در فرکانس رزونانت، یک خروجی دیفرانسیل بالا (کیلوهرتز) ایجاد میکنه (خروجی دارای ضریب متغیر) که یصورت خطی با فشار اعمال شده متناسبه. این تابع ساده مبتنی بر زمان توسط یک ریزپردازنده مدیریت میشه.

ریزپردازنده می‌تونه سیگنال دیجیتال رو مستقیماً از سنسور دریافت کنه، حتی بدون اینکه نیازی به عبور از مبدل A/D داشته باشه. این عمل دقت کلی ترانسمیتر رو بیشتر می‌کنه، چونکه اگرچه کوچکه، اما احتمال خطا در هر مرحله از تبدیل وجود داره!

برای مثال در یک کاربردی که قصد اندازه‌گیری اختلاف فشار رو دارید، ریزپردازنده همچنین می‌تونه از دو فرکانس برای تعیین فشار استاتیک استفاده کند. بنابراین، این سنسور می‌تونه دو ویژگی متفاوت فرآیند رو اندازه‌گیری کنه.

مزایای سنسور فشار رزونانت سیلیکونی

تکرارپذیری بسیار پایدار در خروجی (در واقع اثر هیسترزیس رو تا جای ممکن کم میکنه)
خروجی بسیار دقیق
سیگنال دیجیتال
دما تاثیر منفی زیادی روش نمیزاره به نسبت بقیه
نسبت سیگنال به نویز بالا
سنسور دما داخل سنسور تعبیه شده
قابل پیش‌بینی

معایب سنسور فشار رزونانت سیلیکونی

تولید نسبتاً گرون
نمی توان در سمت “داغ” نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده کرد

ترانسمیتر فشار

سیگنالی که مستقیماً از سمت سنسور میاد، کوچکه! این سیگنال خیلی خیلی کوچک برای ما مفید نخواهد بود اگه بخوایم اونو به فاصله‌ای ارسال کنیم. وظیفه هر ترانسمیتر گرفتن خروجی سنسور فشار، تبدیل اون به یک سیگنال استاندارد قوی و در نهایت ارسال اونه.

آیا می‌دونستی؟

همه ترانسمیتر های فشار وظایف یکسانی رو انجام میدن، اما الزاماً یکسان نیستند! چیزی که اونها رو از هم متمایز میکنه اینه که چقدر سریع، دقیق و مطمئن فشار رو اندازه‌گیری می‌کنن. در مقاله زیر به بررسی ترانسمیتر های فشار با جزییات بیشتری پرداختیم و بهتون آموزش دادیم که چه نکاتی رو هنگام یک خرید مطمئن در نظر بگیرید.

واژه‌های ضروری که باید بدانید!

حد پایین بازه فشار (Lower Range Limit | LRL): کمترین مقداری که سنسور می‌تونه اندازه‌گیری کنه.
حد بالای بازه فشار (Upper Range Limit | URL): بیشترین مقداری که سنسور می‌تونه اندازه‌گیری کنه.
بازه فشار (|Range= URL + |LRL): کل فشاری که سنسور می‌تونه اندازه‌گیری کنه.
مقدار پایین بازه فشار (Lower Range Value | LRV): کمترین مقداری که ترانسمیتر فشار تنظیم شده تا اندازه‌گیری کنه. برای مثال: در خروجی آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر، این مقدار برابر است با ۴ میلی آمپر.
مقدار بالای بازه فشار (Upper Range Value | URV): بیشترین مقداری که ترانسمیتر فشار تنظیم شده تا اندازه‌گیری کنه. برای مثال: در خروجی آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر، این مقدار برابر است با ۲۰ میلی آمپر.
اسپن (Span= (URV – LRV)): اختلاف بین URV و LRV. همه سنسور ها به یک مینیموم اسپن نیاز دارند که باید هنگام اختصاص خروجی آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر در نظر گرفته بشه.

اما ترانسمیتر اختلاف فشار چیه؟

ترانسمیتر اختلاف فشار، نوعی از ترانسمیتر فشاره که اختلاف بین دو لاین ورودی فشار رو اندازه‌گیری می‌کنه. از ترانسمیتر اختلاف فشار در اندازه‌گیری سطح مخازن، تصفیه آب و اسمز معکوس، فشار دو طرف فیلتر، اندازه‌گیری فلو و غیره استفاده زیادی میشه.

از اینجا تا یادگیری همه چیز درباره ترانسمیتر اختلاف فشار (ترانسمیتر فشار تفاضلی) فقط به اندازه یک کلیک فاصله داری!

استاندارد های ارتباطی

استاندارد ارتباطی مختلفی در بازار ایران وجود داره. در این بخش به این میپردازیم که چه نوع سیگنالی ترانسمیتر باید سیگنال سنسور رو به آن، جهت انتقال تبدیل کنه.

بررسی اجمالی

ترانسمیتر های فشار معمولاً سیگنال های آنالوگ ارائه میکنن که متناسب با تغییرات فشار در فرآینده. این سیگنال‌ها از سیم‌کشی که به کنترلر متصل میشه، منتقل میشن. انواع سیگنال های آنالوگی که ترانسمیتر های فشار به‌عنوان خروجی ارائه میکنن شامل:

سیگنال آنالوگ جریانی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر
سیگنال آنالوگ جریانی ۰ تا ۲۰ میلی آمپر
سیگنال آنالوگ ولتاژی ۰ تا ۱۰ ولت دی سی
سیگنال آنالوگ ولتاژی ۰ تا ۵ ولت دی سی
سیگنال آنالوگ ولتاژی ۱ تا ۵ ولت دی سی

با این حال، ۴ تا ۲۰ میلی آمپر به طور گسترده‌تری در صنعت ما پذیرفته شده، به این دلیل که این سیگنال جریان کم و ایمنی رو ارائه میکنه، حتی مسیر عیب‌یابی هنگام توقف فرآیند رو برای مهندسان ساده‌تر میکنه و به اندازه سیگنال های ولتاژی ۱ تا ۵ ولت دی سی هم مستعد نویز نیست. این خاصیت باعث میشه سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر در فواصل بیشتری استفاده بشه. با این حال، ۱ تا ۵ ولت دی سی از مقدار قابل توجهی قدرت کمتری برخورداره. این ویژگی برای مناطقی که ممکنه ترانسمیتر را با منابع انرژی جایگزین مثل پنل‌های خورشیدی یا ژنراتورهای بادی تغذیه کنن، مفید خواهد بود.

ترانسمیتر فشار “هوشمند” دارای یک پروتکل ارتباطی دیجیتاله که در بالای لوپ سیگنال معمولی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر یا ۱ تا ۵ ولت دی سی عمل میکنه. پروتکل ارتباطی دیجیتال با اجازه دادن به سیگنال آنالوگ معمولی برای همزیستی در لوپ‌های دو سیم موجود، استراتژی‌های کنترل فعلی رو حفظ می‌کنه (یعنی همزمان سیگنال آنالوگ + پروتکل دیجیتال – دیگه چی بهتر از این؟!!). تعداد قابل توجهی پروتکل ارتباطی مختلف وجود دارد که به این روش کار میکنن.

اما ترانسمیتر های “هوشمند”ی هم وجود دارن که از سیگنال دیجیتال خالص و بدون سیگنال اولیه آنالوگ استفاده میکنن!

بخاطر اینکه هر دوی این پروتکل‌ها، پروتکل‌های دیجیتالی هستن، ترانسمیتر های فشار «هوشمند» قابلیت پردازش خوبی دارند. فانکشن هایی که معمولاً برای کنترلر یا DCS لازمه رو میشه در خود ترانسمیتر انجام داد. علاوه بر این، ترانسمیتر فشار «هوشمند»، تشخیص بهتر و هم کدگذاری خطای توصیفی بیشتری رو در اختیار کاربرانش قرار میده!

انواع پروتکل ها

آنالوگ / دیجیتال

پروتکل ®HART:

یک سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر که مطابق با متغیر اولیه هست. سیگنال آنالوگ دارای یک سیگنال دیجیتاله که با استفاده از پروتکل ®HART (از طریق شیفت فرکانس) روی هم قرار گرفته‌ان. پروتکل ®HART مستلزم اینه که درایور مناسب در کنترلر / نمایشگر / DCS / ارتباط‌دهنده بارگذاری بشه تا به درستی با ترانسمیتر ارتباط برقرار کنه. ®HART پرکاربردترین پروتکل برای ترانسمیترهای فشاره و عموماً در سنسور فشار هایی استفاده میشه که تحت عنوان سنسور فشار هوشمند شناخته میشن!

پروتکل ®HART:

یک سیگنال آنالوگ ۱ تا ۵ ولت دی سی که مطابق با متغیر اولیه هست. سیگنال آنالوگ دارای یک سیگنال دیجیتاله که با استفاده از پروتکل ®HART روی هم قرار گرفته‌ان. پروتکل ®HART مستلزم اینه که درایور در کنترلر / نمایشگر / DCS بارگذاری بشه تا به درستی کار کنه. این گزینه مصرف برق بسیار کمی دارد و در درجه اول با منابع برق جایگزینه.

تماماً دیجیتال

FOUNDATION™ Fieldbus:

پروتکل ارتباطی تماماً دیجیتال که جزء آنالوگ نداره.

فیلدباس قابلیت ترانسمیتر ها رو بسیار گسترش میده، اما یک پروتکل خیلی پیچیده‌ست که ممکنه استفاده ازش برای برخی از کاربران دشوار باشه (که توصیه می‌کنیم از متخصصان پروتکل ‌های صنعتی جهت کانفیگ این پروتکل استفاده بشه). این پروتکل مبدل D/A مورد نیاز برای سیگنال آنالوگ رو حذف میکنه.

PROFIBUS® PA:

پروتکل ارتباطی تمام دیجیتالی که جزء آنالوگ ندارد.

پروفی باس یک پایگاه نصب کوچک در آمریکای شمالی داره. این پروتکل مبدل D/A مورد نیاز برای سیگنال آنالوگ رو حذف می‌کنه.

طبق مشاهدات ما ...

هیچ استاندارد صنعتی یا پروتکل وایرلس پیش فرضی وجود نداره. اکثر کاربران سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر رو برای متغیر اولیه ترجیح میدن. ®HART محبوب ترین پروتکل دیجیتاله، اما برخی از آن، فقط برای تنظیم سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر آن هم در صنایع مادر مثل نفت و گاز، نیروگاه‌ها، پتروشیمی و پالایشگاه استفاده میکنن. در حقیقت، از همه قابلیت‌های یک ترانسمیتر فشار “هوشمند” استفاده نمیکنن!

۳ ویژگی مهم سنسور فشار

به یاد داشته باش: یک ترانسمیتر خوب، متغیر فرآیند اندازه‌گیری شده رو به سرعت، دقیق و قابل اطمینان به نمایشگر، کنترلر یا DCS میرسونه. اما این به چه معنا است؟

سرعت، ساده‌ترین پارامتریه که هر سنسور فشار باید داشته باشه. زمان پاسخگویی (Response Time) هر ترانسمیتر از سازنده‌های متفاوت، متغیر است. با این حال، زمان پاسخگویی به بازه اندازه‌گیری انتخاب شده و متریال دیافراگم بستگی دارد. برخی از ترانسمیتر ها میتونن زمان پاسخگویی به سرعت ۹۰ میلی ثانیه و کندی 1 ثانیه داشته باشن.

دقت، برآیند میزان خطی بودن (linearity)، هیسترزیس (hysteresis) و تکرارپذیری (repeatability) ست. دقت در سنسور فشار به‌صورت ± درصد مقیاس کل یا اسپن (FS% یا Span%) بیان میشه. مثال: %0.055± اسپن

قابلیت اطمینان، با ویژگی پایداری (Stability) تعریف میشه. پایداری معیاریه که بهمون میگه که تا چه حد مشخصه‌های سنسور در طول زمان ثابت میمونه. تغییرات در پایداری معمولاً به‌عنوان انحراف یا Drift بیان میشه که بخاطر فرسودگی اجزای داخلی ترانسمیتره. سازندگان سنسور فشار نه تنها ویژگی‌های فیزیکی ترانسمیتر رو، بلکه شرایط عملیاتی محدودی رو هم برای این مشخصات تعریف میکنن.
پایداری به صورت ± درصد URL در واحد زمان بیان میشه. برای مثال: %0.2± of URL/year

اتصال مکانیکی سنسور فشار

دیافراگم سیل

کاربردهایی وجود دارن که معمولاً برای ترانسمیتر فشار مناسب نیستن، مانند:

دمای فرآیند فراتر از محدودیت دمایی سنسور فشار
اتصالات مکانیکی ویژه مانند اتصالات بهداشتی و اتصالات PMC
وجود جامدات یا سیالات چسبناک که میتونن خطوط انتقال ایمپالس (لوله هایی با قطر کوچک که معمولاً خطوط ایمپالس نامیده میشن برای انتقال سیگنال فشار از فرآیند به فرستنده استفاده می شوند.) یا ترانسمیتر رو مسدود کنن
حضور سیال خورنده که سبب خوردگی قسمت های در تماس با سیال میشه

راه حل همه این شرایط اضافه کردن یک سیستم دیافراگم سیل به سنسور فشار است. دیافراگم سیل به ترانسمیتر فشار وصل و اونو از فرآیند جدا میکنه. همچنین امکان اتصال کانکش های مکانیکی ویژه رو هم فراهم میکنه.
سیستم های دیافراگم سیل از اصل هیدرولیک برای انتقال مکانیکی نیروی اعمال شده در دیافراگم فرآیند به دیافراگم ترانسمیتر استفاده میکنن.

اندازه گیری سطح فشار دیفرانسیل یک دشمن دارد – دما. دما می تواند تاثیر منفی بر دقت اندازه گیری سطح داشته باشد. این مقاله به این موضوع می پردازد که چرا دما این تأثیر را دارد و چگونه می توان آن را کاهش داد.

خطوط ایمپالس (Impulse Lines)

سنسور فشار در کاربردهای اندازه‌گیری فشار، سطح و فلو به وفور استفاده میشه. صرف نظر از کاربرد، ترانسمیتر به ندرت مستقیماً به لوله یا مخزن متصل میشه.
لوله هایی با قطر کوچک که معمولاً خطوط ایمپالس نامیده میشن، برای انتقال سیگنال فشار از فرآیند به ترانسمیتر استفاده میشن. در برخی کاربردها، این خطوط ایمپالس میتونن با مواد جامد یا سیال یخ زده در محیط های سرد مسدود بشن و به‌طور چشمگیری سیگنال‌های فشار رو مسدود کنن. مصرف‌کننده معمولاً نمیدونه که درون لوله انسداد رخ داده. از اونجایی که فشار در زمان انسداد پشت گرفتگی به دام میفته، سنسور فشار ممکنه به ارائه سیگنال، مشابه قبل از انسداد ادامه بده. تنها پس از تغییر واقعی فرآیند و ثابت ماندن خروجی سنسور فشار، ممکنه کسی تشخیص بده که انسداد رخ داده. پدیده گرفتگی در خطوط ایمپالس، یک مشکل کاملاً رایج در اندازه‌گیری فشاره!

اندازه گیری سطح مایعات، با دقت و سرعت بیشتر!

بله درست متوجه شدید! نوعی از سنسور فشار که به “سنسور فشار هیدرواستاتیک” معروفه، میتونه به راحتی تا هر عمقی از مایع غوطه ور بشه که اتفاقاً امروزه، در بیشتر نقاط جهان، از این تکنولوژی برای اندازه‌گیری سطح مایعات درون مخازن و چاه‌ها استفاده میکنن. در راهنمای زیر، به بررسی کامل روش های اندازه‌گیری سطح توسط سنسور های فشار هیدرواستاتیک پرداخته‌ایم.

سنسور فشار با دیافراگم سیل

یک سیستم دیافراگم سیل شامل ترانسمیتر فشار، یک اتصال مکانیکی (جهت اتصال به فرآیند) و یک کپیلاری است که این دو رو به هم متصل میکنه.

اتصال مکانیکی

بخشی که شامل دیافراگم سیله. اتصال مکانیکی همون قسمتیه که با سیال در تماسه (که بهش Wetted Part هم میگن) و در اندازه‌ها، انواع، درجه‌بندی فلنج‌ها ساخته میشه. یادتون باشه که اگر سیال خورنده، چسبناک یا دارای مواد جامد معلق دارید، از اتصال مکانیکی‌ای استفاده کنید که بتونه در برابر خورندگی مقاومت کنه یا از رسوب مواد جامد روی دیافراگم جلوگیری کنه.

با تمامی کاربردهای دیافراگم سیل، شما میتونید از کوچکترین قطر دیافراگم استفاده کنید که بتونه بازه فشار مورد نیاز رو اندازه‌گیری کنه. هرچه سطح دیافراگم کوچکتر باشه، خطای ناشی از دما بیشتر رو سیستم تاثیر میزاره. با این حال، فناوری دیافراگم سیل دارای حد پایین‌تری هم هست که میتونه اندازه‌گیری کنه، بنابراین باید به یک تعادل بین این دو برسید. جدول زیر راهنمای اندازه‌های توصیه شده برای بازه‌های اندازه‌گیری مختلفه ولی تفاوت‌هایی در طراحی بین انواع دیافراگم سیل یا حتی تولیدکنندگان وجود داره که میتونه محدودیت‌های ذکر شده در جدول رو تغییر بده.

کپیلاری

کپیلاری، دیافراگم سیل رو به سنسور فشار متصل میکنه و حاوی مایع پرکننده‌ست. دو راه مختلف برای اتصال وجود داره: استفاده از یک لوله سفت و سخت کوتاه (که به آن اتصال مستقیم یا اتصال نزدیک هم میگن) یا یک لوله انعطاف پذیر. این لوله انعطاف پذیر ممکن است با PVC پوشش داده بشه یا نشه ولی عموماً متریال رویین این لوله منعطف از استیله. اصطلاح کپیلاری معمولاً به روش اتصال لوله انعطاف پذیر اشاره داره. کپیلاری ها برای دور کردن سنسور فشار از دمای بالای فرآیند یا مکان‌یابی راحت‌تر سنسور فشار در صورتی که دسترسی به اتصالات فرآیند دشوار باشه، استفاده میشه. طول کپیلاری میتونه خطای ناشی از تغییرات دما رو در سیستم افزایش بده. برای به حداقل رساندن، همیشه سعی کنید از کوتاه‌ترین کپیلاری ممکن استفاده کنید.

بازه اندازه‌گیری فشار	اندازه دیافراگم پیشنهادی
۱۰ تا ۱۰۰ اینچ آب	۳ ≥ [اینچ]
۱۰۰ تا ۱۰۰۰ اینچ آب	۲.۴ ≥ [اینچ]
۳۰ تا ۲۰۰ psi	۲ ≥ [اینچ]
۲۰۰ تا ۱۰۰۰ psi	۱ ≥ [اینچ]

انواع دیافراگم سیل

اگرچه انواع مختلفی از دیافراگم سیل در بازار ایران وجود داره اما فلنج دیافراگمی، پنکیک، فلنج گلودار و بهداشتی رایج ترین آنها هستند.

Flush Flange

Extended Flange

Pancake Flange

Sanitary Flange

انواع فلنج

انواع فلنج های رایج در بازار که جهت اتصال مکانیکی سنسور فشار به فرآیند استفاده میشن:

عملکرد دیافراگم سیل

برخی از کاربران سنسور فشار این فرض رو دارن که دقت و زمان پاسخگویی برای کل سیستم با سنسور فشار استفاده شده در سیستم یکسانه!

دقت کل سیستم برابر با دقت سنسور فشار + دقت دیافراگم سیل یا کپیلاریه. بنابراین، دقت کل سیستم کمتر از خود ترانسمیتر به تنهاییه. برای زمان پاسخگویی هم همینطوره. زمان پاسخگویی سیستم برابر است با زمان پاسخگویی سنسور فشار + زمان پاسخگویی دیافراگم سیل یا کپیلاری.

دقت سیستم= دقت ترانسمیتر + دقت دیافراگم سیل/کپیلاری

زمان پاسخگویی سیستم= زمان پاسخگویی ترانسمیتر= زمان پاسخگویی دیافراگم سیل/کپیلاری

جمع‌بندی

مزایای دیافراگم سیل

محافظت از سنسور فشار در برابر سیالات دما بالا
افزایش انعطاف‌پذیری نصب از طریق میزبانی مجموعه‌ای از اتصالات مکانیکی مختلف
کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری با از حذف خطوط ایمپالس که ممکنه دچار انسداد بشن!
عمرکاری سنسور فشار رو با محافظت از اون در برابر سیالات خورنده یا رسوب جامدات معلق افزایش میده!

محدودیت‌های دیافراگم سیل

خطاهای ناشی از تغییرات گسترده دما در دمای محیط
رنج فشار (اسپن) کوچک قابل اندازه گیری نیست (اسپن ≤ ۱۰ اینچ H2O)
افزایش زمان پاسخگویی
کاهش دقت

اتصالات در تماس با سیال (Wetted Parts) در یک سیستم دیافراگم سیل روی دیافراگم سیل قرار دارند، نه سنسور فشار! در صورت نیاز به گواهینامه متریال، دنبال گواهینامه محصولی از برند مدنظرتون باشید که آب‌بندیش (Seal) رو کاور کنه. شما دیگه نیازی به سفارش گواهینامه برای سنسور ندارید چونکه اتصالاتش دیگه در تماس با سیال نیستن.