ترانسمیتر فشار
ترانسمیتر فشار چیه و چگونه کار میکنه؟ چه کاربردی داره اصلا؟ چه نکاتی هنگام استفاده ازش باید بدونم؟ اصن چگونه یک ترانسمیتر فشار مناسب انتخاب کنم؟ جواب همه سوالاتتو این پایین پیدا کن!
در بخش اول این راهنما، به برخی از تعاریف و اصطلاحات اساسی مورد استفاده در مشخصات یک ترانسمیتر فشار می‌پردازیم. سپس در بخش دوم، (که جذاب ترین بخشه!) قدم به قدم، به بررسی راهنمای انتخاب یک ترانسمیتر فشار متناسب با نیاز شما و حتی با مثال‌های محاسباتی مورد نیازش می‌پردازیم.
دیگه چی بهتر از این؟ پس با ما باشید 🙂
اندازه‌گیری فشار
از یک ترانسمیتر فشار میشه برای اندازه‌گیری اشکال مختلفی از فشار مثل اندازه‌گیری فشار گیج (barg، psig)، فشار مطلق (bara، psia) یا فشار خلاء (cm or inches H20) استفاده کرد. تصویر زیر، رابطه بین اشکال مختلف فشار رو نشون میده که قابل اندازه‌گیری با ترانسمیتر فشار هستن!
اما قبل از اینکه بخوایم با کاربرد های ترانسمیتر فشار آشنا بشیم بد نیست با اصطلاحات مربوط به فشار بیشتر آشنا بشیم:
فشار اتمسفر
فشار اتمسفر نیروی فشاریه که توسط جو زمین وارد میشه. فشار اتمسفر در سطح دریا معادل ۱۴.۶۹۵ psia ست. مقدار فشار اتمسفر با افزایش ارتفاع کاهش می یابد.
فشار بارومتریک
فشار بارومتریک همون فشار اتمسفره.
فشار هیدرواستاتیک
هیدرواستاتیک، فشاریه که در کاربردهای سطح مایع رخ میده. فشار هیدرواستاتیک، فشار زیر سطح مایعه که توسط ستون مایع بالایی اعمال میشه.
فشار خط
فشار خط یا فشار لاین، به زبان ساده، مقدار فشار یا نیرویی بر واحد سطح، که توسط جریان موازی با دیواره‌ی لوله بر یک سطح اعمال میشه.
فشار استاتیک
فشار استاتیک همون فشار خطه.
فشار کاری
فشار کاری به فشار خط یا استاتیکی هم گفته میشه.
فشار مطلق یا ابسلوت
فشار مطلق یک اندازه‌گیری فشار با ارجاع به خلاء کامل یا پرفکت وکیومه.
فشار مطلق، اندازه‌گیری فشار فرآیند بیش از خلاء کامل یا ۰ psia ست. به زبان ساده، فشار صفر مطلق (۰ psia) نشون‌دهنده عدم وجود فشاره! – مثلاً، فضا به‌عنوان خلاء کامل (صفر مطلق) در نظر گرفته میشه.
فشار نسبی یا گیج
فشار نسبی یا گیج، فشار اندازه‌گیری شده نسبت به فشار اتمسفر (جو) اطراف سنسوره. فشار نسبی نشون‌دهنده اختلاف مثبت بین فشار اندازه‌گیری شده و فشار اتمسفر موجوده.
نکته جالب اینه که شما میتونید فشار نسبی رو با اضافه کردن فشار اتمسفر موجود، به فشار مطلق تبدیل کنید. مثلاً:
۰ psig = ۱۴.۷ psia
۱۰ psig = ۲۴.۷ psia
- پس به خاطر داشته باش: فشار نسبی + فشار اتمسفر = فشار مطلق
وکیوم یا خلاء
فشار وکیوم، یک اندازه‌گیری فشاره که اشاره‌ای هم به فشار اتمسفر داره. فشار وکیوم، اندازه‌گیری کاهش فشار فرآیند کمتر از فشار اتمسفره. فشار وکیوم به‌طور کلی بر حسب سانتی متر یا اینچ H20 اندازه‌گیری میشه. برای مثال، ۱۴.۷ psia معادل ۴۰۷.۵ اینچ H20 هست. بنابراین، فشار ۱۰ اینچ H20 وکیوم به معنای کاهش فشار فرآیند، ۱۰ اینچ زیر اتمسفره. و یا 10 اینچ H20 خلاء معادل ۳۹۷.۵ اینچ H20 مطلقه.
فشار خلاء معمولاً با استفاده از یک ترانسمیتر فشار نسبی (گیج) که توانایی اندازه‌گیری فشار در بازه منفی (مثلا ۱۴.۷- psia) رو داره، قابل اندازه‌گیریه! برای مثال، یک ترانسمیتر فشار ۰ تا ۱- بار، توانایی اندازه‌گیری فشار در بازه وکیوم رو داره!
کاربرد های ترانسمیتر فشار
فشار، به‌عنوان یک اندازه‌گیری اصلی و پایه در صنعت در نظر گرفته میشه به این دلیل که شما میتونید با اندازه‌گیری فشار، متغیر های دیگری مثل فلو و چگالی رو هم بدست بیارید!
در زیر قصد دارم به چندین کاربرد مهم ترانسمیتر فشار در صنعت اشاره کنم:
اختلاف فشار
اختلاف فشار، یا فشار تفاضلی، اختلاف در بزرگی بین مقدار یک فشار (مثلاً فشار سیال) با فشار مرجعه.
در واقع، فشار مطلق (ابسلوت پرشر) رو می‌توان یک فشار تفاضلی با خلاء کامل یا صفر مطلق به‌عنوان فشار مرجع در نظر گرفت. فشار نسبی رو هم میشه یجورایی یک فشار تفاضلی در نظر گرفت، چونکه در فشار نسبی، فشار اتمسفر، فشار مرجعه!
فلو
یکی از کاربردهای رایج ترانسمیتر اختلاف فشار، اندازه‌گیری میزان فلو (جریان) است. تجهیزات جانبی‌ای که برای اندازه‌گیری فلو استفاده میشن، معمولاً یک “محدودیت” داخلی ایجاد میکنن. این محدودیت، باعث کاهش سطح مقطع لوله‌ای میشه که فرآیند از طریق اون جریان داره و باعث میشه سرعت سیال با عبور از اون محدودیت ایجاد شده، افزایش پیدا کنه. بنابراین، سیال بلافاصله در بالادست اون محدودیت ایجاد شده، دارای انرژی جنبشی (سرعت) کمتری نسبت به سیال در پایین دست همون محدودیته.
این افزایش در انرژی جنبشی در سراسر محدودیت ایجاد شده، با کاهش متناظر در انرژی پتانسیل (فشار استاتیک) بالانس میشه. در طرفین محدودیت یک اختلاف فشار استاتیکی ایجاد میشه که در نتیجه این، کاهش انرژی پتانسیل در سیال ایجاد میشه.
ترانسمیتر اختلاف فشار، فشار پایین دست یا در واقع فشار کمتر رو از فشار بالادست کم میکنه و شما میتونید طبق فرمولی نشان داده شده در شکل، نرخ جریان رو بدست بیارید.
خروجی یک ترانسمیتر فشار که نرخ جریان رو با استفاده از یک محدودکننده در جریان، اندازه‌گیری میکنه، خطی نیست. برای خطی کردن سیگنال با جریان، باید با جذر سیگنال اختلاف فشار، یک حساب کتاب کوچک انجام بدیم.
سطح مایع
اندازه گیری سطح مایع رو میشه با استفاده از ترانسمیتر فشار تفاضلی یا ترانسمیتر فشار گیج انجام داد. به طور معمول، این که از کدوم مورد استفاده کنید بر اساس باز بودن مخزن به اتمسفر یا بسته بودنش تعیین میشه.
اندازه‌گیری سطح مایع در مخازن در باز
اندازه گیری سطح مایع مخزن باز به این معنیه که مخزن به اتمسفر بازه. در کاربردهای مخزن باز، هرگونه تغییر در فشار اتمسفر بر فشار سیال فرآیند درون مخزن تأثیر میزاره. در این نوع کاربرد اندازه‌گیری سطح، سمت فشار پایین ترانسمیتر فشار، اتمسفر رو اندازه‌گیری میکنه، بنابراین اثرات فشار اتمسفر بر سطح سیال مخزن رو خنثی میکنه. قسمت فشار بالای ترانسمیتر به مخزن متصله و سطح واقعی سیال در مخزن رو اندازه‌گیری میکنه.
اندازه‌گیری سطح مایع در مخازن در بسته
کاربرد مخزن بسته جاییه که مخزن یا محفظه به جو راهی نداره (بسته است). با پر شدن یا تخلیه سیال فرآیند از مخزن، فشار داخل مخزن ممکنه از مثبت به خلاء بره. این تغییر در فشار داخلی مخزن تأثیر مستقیمی بر سطح سیال اندازه گیری شده داره، مگه اینکه به نحوی جبران بشه.
لوله کشی سمت فشار پایین ترانسمیتر اختلاف فشار به بالای مخزن، این کار رو به راحتی انجام میده.
آیا میشه ترانسمیتر فشار رو در مایع غوطه ور کرد؟
بله که میشه! نوعی از ترانسمیتر فشار با نام “ترانسمیتر فشار غوطه ور”، 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 ترانسمیتر های فشار غوطه ور پرداخته‌ایم.
اندازه‌گیری سطح مایع توسط بابل تیوب (تیوب حباب)
روش دیگه برای اندازه‌گیری سطح مایع، استفاده از یک “بابل تیوب” یا “تیوب حبابه” که ممکنه برای یک مخزن باز یا بسته اعمال بشه.
فشار ثابت هوا یا گاز سازگار با محتویات مخزن، از طریق لوله وارد مخزن میشه. با تغییر سطح، فشار برگشتی توسط ترانسمیتر فشار اندازه‌گیری میشه که یک اندازه گیری سطح مستقیمه. مزیتش هم اینه که فقط متریال لوله در معرض فرآینده – نه ترانسمیتر.
محاسبات اندازه‌گیری سطح مخازن
برای محاسبه فشار در پایین مخزن لازمه مقدار ‘h1’ رو بر حسب سانتی متر یا اینچ بدونیم (شکل ۶). به عنوان مثال، اگر مقدار “h1” برابر با ۱۴ باشه (بر حسب اینچ) و مایع داخل مخزن آب باشه، میتونیم فشار رو در پایین به صورت ۱۴ اینچ H20 (۱۴ اینچ آب) بیان کنیم.
اما اگر مایع داخل مخزن آب نباشه، باید تبدیلی انجام بشه تا در مقدارش بر حسب «H20» مشخص بشه. فرمولش هم به صورت زیره:
h = (h”) x (SG)
در حالی که:
h = ارتفاع (هد) مایع بر حسب H20
”h = ارتفاع واقعی مایع بر حسب اینچ
SG = وزن مخصوص سیال در مخزن (بدون واحد)
وزن مخصوص (SG)، وزن نسبی یک واحد حجم مایع در مقایسه با همون حجم آبه. برای مثال، بنزین دارای وزن مخصوص تقریباً ۰.۸ است. بنابراین یک لیتر بنزین ۸/۱۰ یا ۲۰ درصد وزن یک لیتر آب، وزن داره. در نتیجه، هنگام تعیین فشار ستون مایع در یک مخزن، باید مایع رو کاملاً بشناسیم و SG اون رو هم بدست بیاریم.
اندازه‌گیری ارتفاع محل برخورد دو سیال
اندازه‌گیری سطح محل برخورد دوسیال، یعنی اندازه‌گیری سطح رابط بین دو مایع جدا شده مثل روغن و آب نیز میتونه با استفاده از ترانسمیتر فشار تفاضلی که در شکل ۸ نشون داده شده، انجام بشه.
مایعات ۱ و ۲ چگالی متفاوتی دارن و تا زمانی که سطح کل مایع درون مخزن، بالای پورت فشار بالایی باشه و تا زمانی که فاصله h ثابت بمونه، تغییر در چگالی و در نتیجه فشار هیدرواستاتیک، سطح محل برخورد دو سیال نیز تغییر خواهد کرد.
اندازه‌گیری چگالی
اصل قبلی منجر به اندازه‌گیری چگالی در یک مخزن میشه. در این حالت، یک مایع همگن با تغییر چگالی در مخزن، بسته به تغییر چگالی، فشار متفاوتی بر ترانسمیتر وارد میکنه.
تا زمانی که سطح مایع بالای پورت فشار بالایی باقی بمونه، و تا زمانی که “h” ثابت باشه، ترانسمیتر فشار به تغییرات چگالی پاسخ خواهد داد. چگالی، وزن در واحد حجمه. به عنوان مثال، کیلوگرم بر متر مکعب. اگر چگالی افزایش پیدا کنه، فشار روی پورت فشار پایینی و همچنین خروجی ترانسمیتر، افزایش پیدا میکنه. به طور معمول، مثل اندازه‌گیری سطح، از “ترانسمیتر فشار تفاضلی” استفاده میشه، چون که محدوده فشار نسبتاً کمه.
کاربرد های ترانسمیتر فشار در عمل
صنایع
کاربرد تجهیزات اندازه‌گیری فشار را در نظارت و کنترل فشار، سطح و جریان سیالات را در هر قسمت از صنایع مختلف مشاهده کنید!
مخزن ذخیره‌سازی بیوگاز
صنعت آب و فاضلاب
نظارت بر فشار و حجم در مخازن ذخیره‌سازی بیوگاز
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!
مشخصات ترانسمیتر فشار
همونطور که قبلاً ذکر شد، فشار به عنوان یک اندازه‌گیری اساسی در نظر گرفته میشه زیرا در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیره: فشار، فشار تفاضلی، جریان (فلو)، سطح، چگالی، حجم و غیره.
نمای انفجاری اجزای تشکیل‌دهنده
حالا بیا اجزای مختلفی که یک ترانسمیتر فشار رو تشکیل میدن رو باهم بررسی کنیم و بفهمیم که چگونه در کنارهم کار می‌کنند تا فشار سیالات رو اندازه‌گیری کنن.
اتصال الکتریکی
از این قسمت میشه اتصال الکتریکی بین ترانسمیتر فشار و کنترلر/نمایشگر های فرآیند رو برقرار کرد
بدنه
در بدنه، سنسور فشار، مبدل سیگنال و دیگر مدارات الکترونیکی قرار می‌گیره تا از اونا محافظت بشه!
جبران‌ساز دما
یک مدار داخلیه که جهت جبران تغییرات دما و اطمینان از عملکرد صحیح ترانسمیتر فشار، درون ترانسمیتر قرار می‌گیره.
سنسور فشار (حسگر فشار)
سنسور فشار، همون عنصریه که فشاری که توسط مایع پرکننده بصورت هیدرولیکی منتقل میشه رو حس‌میکنه. مداراتی مانند پل وتسون، کرنش سنج و غیره بر روی این قسمت قرار میگیرن!
اتصال مکانیکی
همون قسمت رزوه‌دار ترانسمیتر فشار که اتصال مکانیکی بین ترانسمیتر و محل نصب رو برقرار میکنه.
پورت فشار
دیافراگم ترانسمیتر فشار در این قسمت قرار داره و فشاری که از سمت سیال وارد میشه رو دریافت میکنه.
فشار توسط ترانسمیتر هایی اندازه‌گیری میشه که عموماً از دو بخش اصلی تشکیل شدن:
- یک حسگر فشار که در تماس مستقیم یا غیرمستقیم با فرآینده
- یک پکیج الکترونیکی ثانویه که خروجی حسگر فشار رو به یک سیگنال قابل انتقال استاندارد تبدیل میکنه.
در قلب ترانسمیتر فشار، سنسوری وجود داره که سیگنال الکترونیکی سطح پایینی رو در پاسخ به نیروی اعمال‌شده بر حسگر فشار ایجاد میکنه. سنسور با فرآیند تماس پیدا نمیکنه، اما با استفاده از دیافراگم(های) ایزوله و مایع پرکننده ازش محافظت میشه.
قانون پاسکال میگه که هرگاه فشار خارجی به هر سیال محصور در حالت سکون وارد بشه، فشار در هر نقطه از سیال به همون مقدار فشار خارجی، افزایش پیدا میکنه.
این یک اصل اساسیه که در طراحی ترانسمیترفشار به کار میره. ترانسمیتر فشار به گونه‌ای به فرآیند متصل میشه که فشار فرآیند بر روی دیافراگم(ها) اعمال بشه.
طبق قانون پاسکال، فشار وارده به مایع پرکننده داخل ترانسمیتر، دقیقاً همان فشار اعمال شده به دیافراگم(های) ترانسمیتر فشاره!
و این مایع پرکننده به‌صورت هیدرولیکی، این فشار رو به سنسور منتقل میکنه که به نوبت خود، سیگنال خروجی استاندارد مناسبی رو جهت مانیتورینگ یا کنترل، تولید میکنه.
مدارات موجود در ترانسمیتر فشار، سیگنال سنسور رو فیلتر، تقویت و آماده‌ی عملیات میکنن و به سیگنال خروجی استانداردی مثل ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر DC تبدیل میکنه. خروجی سنسور برای تغییرات در فرآیند و شرایط محیطی، قبل از تبدیل‌شدن به سیگنال، پایدار میشه. بدین ترتیب، خطاهای اندازه‌گیری ناشی از اثرات تغییرات دما رو به حداقل می‌رسونه و خروجی بسیار پایداری به ترانسمیتر میده. مدارات الکترونیکی همچنین به مصرف‌کننده این اجازه رو میدن که ترانسمیتر رو در محدوده فشارهای ورودی کالیبره کنن.
مدارات الکترونیکی در بدنه (هوزینگ) قرار دارند که به‌طور یکپارچه به اتصال مکانیکی و الکتریکی وصل شده‌اند. هوزینگ به محافظت از مدارات الکترونیکی در برابر اثرات و تغییرات محیطی کمک میکنه. هوزینگ همچنین، ترمینال‌های مناسبی رو برای سیم‌کشی های درونی فراهم میکنه.
فناوری اندازه‌گیری در ترانسمیتر فشار
ترانسمیتر های فشار در دهه گذشته پیشرفت‌های قابل‌توجهی رو عمدتاً از طریق تکنیک‌های سنجش مبتنی بر الکترونیک تجربه کرده‌اند و این رویکرد های مختلف هم منجر به مصرف انرژی کمتر، اندازه و وزن کوچک‌تر و پاسخ سریع با قابلیت اطمینان، دقت و تکرارپذیری بالا شده‌اند.
رایج‌ترین تکنیک های سنجش فشار که امروزه در ترانسمیتر های فشار مورد استفاده قرار میگیرن شامل:
- استرین گیج (کرنش سنج) الکترومکانیکی
- ظرفیت خازنی متغیر
- مقاومت مغناطیسی متغیر
- پیزورزیستیو (پیزومقاومتی)
- نکته: دقت زیادی در طراحی ترانسمیتر فشار باید صورت بگیره تا اثرات دمای محیط یا اثرات دمای فرآیند بر روی سنسور به حداقل برسه!
استرین گیج (کرنش‌سنج) الکترومکانیکی
سنسورهای استرین گیج الکترومکانیکی فشار رو به تغییرات مقاومت نسبتاً کوچکی تبدیل میکنن. تغییر مقاومت هم چهار پایه‌ی مدار پل وتستون رو تحت تأثیر قرار میده (شکل مقابل).
هنگامی که تمام پایه‌های مقاومت مدار پل متعادلن و مدار با برق تغذیه میشه، ولتاژهای خوانده‌شده در نقاط تست ۲ و ۳ برابرن. سنسورهای استرین گیج واقع در ترانسمیتر فشار معمولاً جای دو پایه مقاومت رو در مدار پل وتستون میگیرن و شبکه های مقاومت ثابت در الکترونیک ترانسمیتر جای دو پایه دیگه رو. هنگامی که فشار صفر به ترانسمیتر فشار اعمال میشه، مقاومت کرنش سنج ها، مقاومت‌های ثابت در الکترونیک ترانسمیتر فشار رو بالانس میکنن و هیچ اختلاف ولتاژی در نقاط ۲ و۳ نباید وجود داشته باشه. با این حال، هنگامی که فشاری به ترانسمیتر فشار وارد میشه، مقاومت کرنش سنج ها (استرین گیج ها) تغییر میکنه، پل نامتعادل میشه و یک اختلاف ولتاژ متناسب در نقاط ۲و ۳ ایجاد میکنه. مدارات الکترونیکی درون ترانسمیتر فشار، این سیگنال ولتاژ رو برای انتقال، به سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر تبدیل میکنن. ترانسدیوسر های کرنش سنج بسیار حساس به دما هستن به این دلیل که مقاومت المان کرنش سنج میتونه تحت تأثیر دما و همچنین تنش اعمالی قرار بگیره. اینکه بتونیم خروجی سنسور رو به‌ازای تغییرات دما جبران کنیم امر ضروری‌ای هستش، در غیر این صورت، مشکلاتی از قبیل پایداری رخ خواهد داد.
ظرفیت خازنی متغیر
در ترانسدیوسر ظرفیت خازنی متغیر، افزایش فشار روی دیافراگم فرآیند از طریق مایع پرکننده به دیافراگم سرامیکی در سنسور خازنی منتقل میشه. افزایش فشار باعث برآمدگی دیافراگم شده و در نتیجه، فاصله بین دیافراگم سرامیکی و صفحه مرجع تغییر میکنه (این تغییر خیلی کمه!).
تغییر در نسبت ظرفیت خازنی -C و +C، مدار لاجیک ترانسمیتر رو تغذیه میکنه. خروجی افزایش یافته از مدار لاجیک، به ولتاژ DC تبدیل شده و توسط مدار بعدی (مدار دریافت و جمع‌آوری) تقویت میشه. سیگنال حاصله از طریق مدار صفر و اسپن (مدار zero و span) به رگولاتور جریان خروجی اعمال میشه. رگولاتور جریان خروجی باعث تقویت و افزایش جریان خروجی ترانسمیتر فشار میشه که متناسب با افزایش فشار فرآینده.
مزایای فناوری ظرفیت خازنی متغیر
- درستی، خطی‌پذیری، هیسترزیس، تکرارپذیری و پایداری خوب
- رزولوشن عالی
معایب فناوری ظرفیت خازنی متغیر
- خروجی امپدانس بالا
- حساسیت به تغییرات دما؛ نیاز به جبران دمای محیط داره.
- برای تولید خروجی پایدار به الکترونیک سفارشی نیاز داره
- از اونجایی که یک سنسور آنالوگه، ممکنه در معرض دریفت در طولانی مدت قرار بگیره و نقاط صفر و اسپن از کالیبره خارج بشن.
مقاومت متغیر
المان‌های مقاومت متغیر برای تشخیص جابجایی‌های کوچک کپسول‌ها یا سایر حسگرها، برای اتصال مستقیم بین عناصر حساس به فشار و مدارهای تقویت‌کننده استفاده میشن (شکل مقابل).
در ترانسمیتر فشار مقاومت متغیر، اندوکتانس (ظرفیت القاء مغناطیسی) در یک جفت سیم‌پیچ تحت تأثیر تغییرات در کوپلینگ مغناطیسی دیافراگمی قرار می‌گیره که بین دو سیم‌پیچ نصب شده. با اعمال فشار، دیافراگم حسگر به سمت یک سیم‌پیچ منحرف میشه و از اون یکی دور میشه. موقعیت دیافراگم حسگر، چگالی شار مغناطیسی نزدیک‌ترین سیم‌پیچ رو افزایش میده در حالی که، چگالی شار دورترین سیم‌پیچ رو کاهش!
افزایش چگالی شار مغناطیسی یک سیم‌پیچ باعث افزایش القاء و امپدانس سیم‌پیچ میشه.
مزایای فناوری مقاومت متغیر
- محدوده فشار بسیار کم یا بسیار بالا
- سطح سیگنال خروجی بالا
- استراکچر نسبتاً ناهموار
معایب فناوری مقاومت متغیر
- محدوده اورپرشر محدود
- از اونجایی که یک سنسور آنالوگه، ممکنه در معرض دریفت در طولانی مدت قرار بگیره و نقاط صفر و اسپن از کالیبره خارج بشن.
پیزورزیستیو (پیزومقاومتی)
سنسورهای پیزورزیستیو در سال‌های اخیر به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌ان که میشه اونا رو نسخه نیمه‌رسانای فناوری استرین گیج الکترومکانیکی در نظر گرفت که قبلاً توضیحش دادیم.
سنسور پیزورزیستیو از یک المان نیمه هادی تشکیل شده که برای به دست آوردن یک اثر پیزومقاومتی، سفارشی سازی شده (از طریق افزودن یک ناخالصی تا به یک مشخصه الکتریکی دلخواه برسه). رسانایی آن تحت تأثیر یک تغییر (فشرده‌شدن یا کشیده‌شدن شبکه کریستالی) قرار می‌گیره که توسط یک تغییر شکل مکانیکی بسیار کوچک ایجاد میشه. در نتیجه، حساسیت سنسورهای تک کریستالی بیشتر از دیگر انواعه به ویژه بالاتر از استرین گیج های استاندارد که مقاومت آنها تنها با تغییرات هندسی در ساختار تغییر میکنه.
بنابراین سنسور های پیزورزیستیو ۱۰ تا ۱۰۰ برابر، حساس‌تر از استرین گیج‌های فلزی هستند. یک عنصر نیمه رسانا، استحکام مکانیکی و رفتار الاستیسیته بسیار بالایی رو تا نقطه شکست مکانیکی ارائه میده و سنسورهایی رو ایجاد میکنن که تنها واکنش‌های جزئی به فرسایش مکانیکی و هیسترزیس نشون میدن. اما حساسیت کرنش در نیمه هادی‌ها به دما وابسته‌ست و باید بر این اساس، جبران بشه.
سنسورهای پیزومقاومتی نباید با سنسورهای پیزوالکتریک اشتباه گرفته بشن. بله درست شنیدید! سنسور های پیزوالکتریکی!
سنسور های پیزوالکتریکی وقتی در جهات خاصی تحت فشار قرار میگیرن، اختلاف پتانسیل ولتاژ سطحی ایجاد می‌کنند. کوارتز، نمک روشل، تیتانات باریم، سرب-زیرکونات و تورمالین برخی از کریستال های پیزوالکتریک رایج هستن.
سنسورهای پیزوالکتریک نوعی ترانسدیوسر دینامیکی هستن که قادر به اندازه‌گیری فشارهای حالت پایدار و استاتیک نیستن. با این حال، ترانسمیتر فشار پیزوالکتریکی بالاترین پاسخ فرکانسی (Response Time) رو نسبت به هر ترانسمیتر دیگه داره. بنابراین برای ارتعاش، شتاب و نیروهای متناوب یا فشارهایی مانند فشارهایی که توسط یک فلومتر ورتکس (Vortex Flow Meter) ایجاد میشه، مورد استفاده قرار میگیرن. از ترانسدیوسر پیزوالکتریک میشه در ترانسمیتر فشار با فناوری رزونانت استفاده کرد که در مقاله راهنمای جامع سنسور فشار به‌طور کامل به فناوری سنسور فشار سیلیکون رزونانت پرداخته‌ایم.
مزایای فناوری پیزورزیستیو
- حساسیت بالا، > 10mV/V
- خطی بودن خوب در دمای ثابت
- امکان ردیابی تغییرات فشار بدون هیسترزیس سیگنال، تا حد مخرب
معایب فناوری پیزورزیستیو
- وابستگی غیر خطی شدید سیگنال در مقیاس کامل به دما (تا 1٪ / کلوین)
- افست اولیه بزرگ (تا 100٪ مقیاس کامل یا بیشتر)
- انحراف شدید با دما
اما این فقط بخشی از یک دنیای بزرگ‌تره!
ترانسمیتر فشار، نوعی از تجهیزات اندازه‌گیری فشاره که همه و همه، تحت عنوان “سنسور فشار” هم شناخته میشن. سنسور فشار انواع مختلفی داره که در این راهنما، به‌طور کامل به بررسی انواع سنسور فشار، کاربرد هاشون در صنایع مختلف، نحوه انتخاب یک سنسور فشار مناسب و نکات نصب و دستورالعمل پرداختیم. فقط کافیه روی دکمه زیر کلیک کنی!
انتقال سیگنال
همونطور که قبلاً ذکر شد، “مدارات الکترونیک” درون ترانسمیتر فشار، سیگنال‌های الکتریکی ضعیف تولید شده توسط سنسور رو تقویت و آماده عملیات میکنن، به‌طوری که سیگنال ها نمی‌تونن به مسافت‌های طولانی ارسال بشن بدون اینکه توسط نویز تخریب بشن، و بنابراین، میشه از سیگنال‌ها برای هدایت دستگاه هایی مثل نمایشگرها، ریکوردر ها و کنترلر ها استفاده کرد. ترانسمیتر فشار از چندین تکنیک برای انتقال سیگنالش استفاده میکنه.
در بخش “انتقال سیگنال”، قراره راجع به چهار نوع ترانسمیتر فشار صحبت کنیم:
- ترانسمیتر فشار چهار سیمه
- ترانسمیتر فشار دو سیمه
- ترانسمیتر فشار “هوشمند”
- ترانسمیتر فشار فیلدباس (Fieldbus)
ترانسمیتر فشار چهار سیمه
در ترانسمیتر فشار چهار سیمه، از دو سیم برای برق رسانی (تغذیه سنسور) و دو سیم دیگر برای انتقال سیگنال استفاده میشه و عموماً در مناطق دورافتاده‌ای استفاده میشن که برق تجاری به راحتی در دسترس نیست. در این مواقع، ترانسمیتر توسط یک منبع انرژی جایگزین مثل باتری یا شاید حتی یک سلول خورشیدی تغذیه میشه.
برای کاربردهایی هم که برق تجاری به راحتی در دسترسه، “ترانسمیتر فشار دو سیمه” استفاده میشه، به دلیل اینکه هزینه نصب و راه اندازی یک ترانسمیتر فشار چهارسیمه در مقایسه با دو سیمه، بیشتره.
ترانسمیتر فشار دو سیمه
ترانسمیتر فشار دو سیمه برای ارائه سیگنال جریان ۴ تا ۲۰ میلی آمپر DC طراحی شده. یک ترانسمیتر دو سیمه از بخشی از جریان بایاس ۴ میلی آمپر، برای کارکرد مدار الکتریکی خودش استفاده میکنه. هم برق (قدرت) و هم سیگنال، از دو سیم یکسان منتقل میشن.
همونطور که می‌دونید، سیگنال جریانی هم به این دلیل خیلی زیاد استفاده میشه که میتونه در فواصل طولانی بدون تأثیر مقاومت مدار که میتونه بسته به طول و دما و همچنین کیفیت و تعداد اتصالات تغییر کنه، منتقل بشه. (بعضی اوقات تحت شرایطی تا ۵۰۰ متر حتی!)
- جالبه بدونی: امروزه اکثر ترانسمیتر های فشار موجود در بازار ایران، دو سیمه هستن و به‌ندرت ترانسمیتر فشار چهار سیمه پیدا میشه.
ترانسمیتر فشار هوشمند
ترانسمیتر فشار هوشمند یا “اسمارت”، سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ رو از طریق دو سیم یکسان منتقل میکنن. در واقع، یک سیگنال دیجیتال روی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر معمولی قرار می‌گیره.
انتقال سیگنال دیجیتال سریع‌تر و دقیق‌تر از آنالوگه. اطلاعات بیشتری رو هم میشه بین ترانسمیتر فشار هوشمند و اتاق کنترل با استفاده از همون دو سیم (از طریق یک انتقال دیجیتال دو طرفه)، از جمله اطلاعات پیکربندی و تشخیصی، منتقل کرد.
ارتباطات دو طرفه به این معنیه که یک مقدار رو نه تنها میشه از ترانسمیتر فشار خوند، بلکه میشه اونو از راه دور کانفیگ هم کرد. به عنوان مثال، ثابت های کالیبراسیون مرتبط با یک سنسور خاص میتونن مستقیماً به خود دستگاه در محل وارد و ذخیره بشن یا در صورت نیاز، از راه دور، برنامه‌ریزی و تغییر داده بشن. این باعث میشه که مشکلاتی که برای ترانسمیتر فشار هوشمند در مسیر های دور پیش میاد به راحتی قابل تشخیص و برطرف بشه و در هزینه‌های رفت و آمد به محل فرآیند صرفه‌جویی بشه. گسترده ترین ارتباط دیجیتال، “پروتکل ارتباطی ®HART” هستش که بر اساس استاندارد Bell 202 FSK است. میلیون ها ابزار در جهان از این استاندارد استفاده میکنن، به این دلیل که به سادگی قابل کانفیگ (پیکره‌بندی) و درکه!
ترانسمیتر فشار فیلدباس (Fieldbus)
“فیلدباس” یک لینک ارتباطی دیجیتال، دو طرفه و مولتی دراپ در میان دستگاه‌های کنترل هوشمنده که فقط به جای ۴ تا ۲۰ میلی آمپر قابل استفاده‌ست.
“ارتباط مولتی دراپ” به این معنیه که از طریق دو سیم یکسان میشه ارتباط دیجیتالی بین چندین دستگاه میدانی (مانند شیرها، سنسور های فشار، سطح، فلو و غیره) و کامپیوتر ها، کنترلر های لاجیک قابل برنامه ریزی مثل PLC یا واحدهای ترمینال راه دور (RTU) برقرار کرد. قابلیت مولتی دراپ فیلد باس، اولین مزیتی که همراه با خودش داره، صرفه‌جویی در هزینه‌های کاربرانشه چونکه یک جفت سیم واحد بین چندین دستگاه، مشترکه! در حالی که با دستگاه‌های آنالوگ یا هوشمند، باید یک کابل جداگانه بین هر دستگاه و سیستم کنترل متصل باشه.
انتخاب ترانسمیتر فشار براساس کاربرد
موضوع این بخش کمک به نحوه تشخیص نوع ابزار دقیقه (تفاضلی، مطلق، فلنجی و غیره) که برای یک کاربرد خاص مناسبه. ویژگی‌های ابزاردقیقی که باید شناخته بشن شامل نیاز به ریموت سیل، محدوده اندازه‌گیری مورد نیاز، متریال وتدپارت (قسمت های در تماس با سیال)، الزامات مایع پرکننده و محدودیت‌های فشار بیش از حده.
اولین سوالاتی که باید از خودمون بپرسیم شامل:
– اندازه‌گیری مورد نیاز: سطح، جریان (فلو)، فشار (گیج، مطلق)، فشار تفاضلی، ارتفاع محل برخورد دو مایع، چگالی، حجم (محصول در یک مخزن)
– شرایط فرآیند: دمای فرآیند و محیط، فشار (به ویژه شرایط خلاء)، جریان و اندازه خطوط در صورت لزوم
– سیال فرآیند: گاز، مایع، بخار قابل چگالش، انجماد یا ژله شدن در دمای فرآیند یا محیط و وضعیت آن: تمیز، کثیف، با سوسپانسیون جامد
فشار - تفاضلی، گیج و مطلق
با توجه به محدوده فشار عملیاتی فرآیند، میشه تعیین کرد که آیا ترانسمیتر فشار گیج، مطلق یا خلاء مورد نیازه.
اول از همه، لازمه نوع اندازه‌گیری رو تعیین کنید:
- تفاضلی | اختلاف فشار (Differential Pressure)
- مطلق | ابسلوت (Absolute)
- گیج | نسبی (Gauge)
برای این منظور باید به محدوده اندازه‌گیری مورد نیاز نگاه کرد. محدوده‌های تفاضلی بر حسب کیلو پاسکال (مثلاً ۰ تا ۳۰۰ کیلو پاسکال) یا پوند در هر اینچ مربع (مثلاً ۰ تا ۴۵ psi) یا اینچ ستون آب (یعنی ۰ تا ۱۰۰ in WC) یا میلی متر ستون آب (مثلاً ۰ تا ۲۵۴۰ mmWC) مشخص میشه.
محدوده فشار گیج معمولاً بر حسب پوند بر اینچ مربع (به فشار اتمسفر اشاره داره مثل ۰ تا ۱۰۰ psi گیج) یا بر حسب بار (مثلاً ۰ تا ۶۹ بار گیج) بیان میشه. محدوده فشار ممکنه از ۰ شروع نشه (مثلاً از ۱۰۰ تا ۲۰۰ psig یا ۶۹ تا ۱۳۸ بار گیج)، یا ممکنه یک محدوده ترکیبی باشه (مثلاً ۲۰ اینچ جیوه ابسلوت تا ۴۵ psig یا ۶۸ کیلو پاسکال ابسلوت تا ۳۱۰ کیلوپاسکال گیج).
محدوده مطلق (ابسلوت) معمولاً در اینچ جیوه مطلق یا psia بیان میشه (یعنی ۰ تا ۳۰ جیوه ابسلوت یا ۰ تا ۱۰۰ psia). متداول‌ترین محدوده که از صفر شروع نمیشه، محدوده بارومتریه (مثلاً ۲۸ تا ۳۲ اینچ جیوه ابسلوت یا ۹۶۸۶ تا ۱۱۰۷۰ میلی‌متر ستون آب).
روش دیگه برای یافتن نوع اندازه‌گیری با توجه به تعداد اتصالات فرآینده: وقتی که دو اتصال در فرآیند باشه (یا بخوایم اختلاف دو لاین فشار رو اندازه‌گیری کنیم)ُ قطعاً اندازه‌گیری به روش “اختلاف فشار” (فشار تفاضلی) بهترین گزینه‌ست. در صورت اتصال منفرد به فرآیند و محدوده فشار نزدیک به صفر مطلق یا اینکه باید مستقل از تغییرات فشار اتمسفر باشه، معمولاً نوع “اندازه‌گیری مطلقه”، در غیر این صورت، نوع اندازه‌گیری باید “گیج (نسبی)” انتخاب بشه.
ترانسمیتر با اتصال مستقیم
ترانسمیتر های فشار با اتصال مستقیم معمولاً زمانی مناسبن که سیال مورد اندازه‌گیری – گاز یا مایعی که مستقیماً با ترانسمیتر فشار در تماسه، باشه:
- همگن
- غیر خورنده به متریال وتدپارت ترانسمیتر
- تمیز و عاری از مواد جامد و رسوباتی که ممکنه خطوط ایمپالس رو مسدود کنن
- در دمای محیطی که ترانمسیتر و خطوط ایمپالس در معرضش قرار میگیرن، یخ نمی‌زنه یا تبدیل به ژل نمیشه.
- به شدت چسبناک نیست
- دمای سیال بالا نیست یا اگه هست، میشه از یک ایمپالس لاین با طول کافی برای کاهش دمای سیال فرآیند در محدوده دمایی ترانسمیتر فشار استفاده کرد.
ترانسمیتر فشار دیافراگمی با اتصال مستقیم
ترانسمیتر فشار دیافراگمی در همه مواردی که امکان اتصال مستقیم ترانسمیتر به فرآیند وجود داره، بدون نیاز به بست برای ترانسمیتر و اتصال ایمپالس لاین، کاربرد داره. نکته مهم اینه که ترانسمیتر فشار دیافراگمی، زمانی که سیال فرآیند چسبناک یا کثیفه، حاوی مواد جامده که ممکنه در خطوط ایمپالس رسوب و مسدودشون کنه، توصیه میشه. در صورتی که سیال ممکنه در دمای محیطی که داخلش قرار داره، یخ بزنه یا ژله مانند بشه، دیافراگم جدا شده از ترانسمیتر (دیافراگم سیل | ریموت سیل) مناسب تره.
ترانسمیترهای فشار فلنج‌دار نیز در مواردی که سیال فرآیند نسبت به قطعات خیس شونده ترانسمیتر خورنده باشه، پیشنهاد میشه. همچنین، زمانی هم که دمای سیال فرآیند بالا باشه یا استفاده از ایمپالس لاین با طول کافی (برای کاهش دمای سیال فرآیند) هم عملی نیست، استفاده از ترانسمیتر فشار فلنج‌دار توصیه میشه.
ترانسمیتر های فشار دیافراگمی با قابلیت نصب مستقیم در کاربردهای غذایی یا دارویی استفاده میشن چونکه به مهر و موم های خاصی (سیلینگ) نیاز دارند تا از حداکثر امکان تمیز کردن اتصال فرآیند اطمینان حاصل بشه.
بعلاوه، در این مورد نیز مایع پرکننده باید غیر سمی و سازگار با سیال باشه، مانند گلیسیرین/آب، روغن های گیاهی یا معدنی.
ترانسمیتر فشار ریموت سیل
ترانسمیتر های فشار ریموت سیل دقیقاً برای کاربردهای ترانسمیتر فشار اتصال مستقیم مناسبه (هرگاه سیال غیر همگن، خورنده به متریال ترانسمیتر، کثیف یا حاوی مواد جامد باشه).
هنگامی که دمای سیال فرآیند بالای ۲۱۰ درجه سانتیگراد (۴۱۰ درجه فارنهایت) در ترانسمیتر های فلنجی (و دیگر سیستم خنک کننده عملی نیست) یا در صورت فاصله زیاد بین لاین های فشار در ترانسمیتر اختلاف فشار (حداکثر تا ۱۰ متر و در برخی موارد حتی بالاتر) که نیاز به سیل پات، نصب و نگهداری‌شون رو از بین می‌بره!
در صورتی که سیال ممکنه در دمای محیط یخ بزنه یا تبدیل به ژله بشه، “دیافراگم سیل کشیده” (extended flush diaphragm) مناسب‌تره، زیرا حجم سیالی که در نازل باقی میمونه رو کاهش میده.
ترانسمیتر فشار ریموت سیل برای خلاء
موقعیت نسبی ترانسمیتر فشار با توجه به نقطه اندازه‌گیری مرجع باید در نظر گرفته بشه: توصیه میشه ترانسمیتر رو در زیر (یا در) نقطه مرجع فشار بالا (High-side Datum) نصب کنید.
برای ترانسمیتر اختلاف فشار در طول یک فن، امکان استفاده از ترانسمیتر سیل دار نیست، زیرا محدوده‌های فشار تفاضلی کوچکن و معمولاً کثیفی یا ذرات معلق جامد ندارن.
به طور خلاصه، در صورت تمیز بودن سیال، می‌توان از ابزاری با اتصال مستقیم به فرآیند استفاده کرد، در غیر این صورت، اگر کثیفی وجود داشته باشه یا سیالی در دمای محیط جامد باشه، پیشنهاد می‌کنیم از ترانسمیتر با سیل استفاده کنید. در صورت دمای بالای سیال (> ۲۵۰ درجه سانتیگراد / ۴۸۲ درجه فارنهایت) یا پیچیدگی نصب روی فلنج، بهتره از ریموت سیل استفاده کنید.
فلو (جریان)
المان محدودکننده
همونطور که قبلاً هم گفتیم، برای محاسبه نرخ فلو توسط یک ترانسمیتر فشار، باید یک المان محدود کننده، یعنی یک روزنه محدود، یک ونتوری متر (Venturi meter) یا یک لوله پیتوت انتخاب بشه.
انتخاب المان محدود کننده رو میشه مطابق جدول زیر انجام داد:
| قطر آزاد لوله | عدد رینولدز | هزینه | افت فشار | حداقل قطر خط | سیال | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 | >10.000 | کم | زیاد | 1" | تمیز | اوریفیس |
| 30 | >40.000 | کم | خیلی کم | 0.5" | تمیز | لوله پیتوت |
| 10 | >500 | متوسط | متوسط | 0.5" | هر سیالی | لوله وج |
| 10 | >75.000 | زیاد | کم | 2" | غیر ویسکوز | لوله ونتوری |
صفحه اوریفیس | Orifice plate
“صفحات اوریفیس” به طور گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده میشن. اوریفیس ها به‌طور موثر برای اندازه‌گیری فلوی سیال “تمیز” و در جاهایی که افت فشار خط یا هزینه های پمپاژ حیاتی نیستن استفاده میشن.
لوله پیتوت | Pitot tube
“لوله‌های پیتوت” در لوله‌هایی با قطر زیاد (DN 100<) و زمانی که باید سرعت سیال حفظ بشه استفاده میشن. افت فشار بسیار کمی دارن و نسبتاً هم ارزان هستن، اما به سیالات بسیار تمیز نیاز دارند چونکه مواد جامد و رسوبات به راحتی میتونن مسدودشون کنن.
لوله وج | Wedge tube
“لوله وج” افت هد متوسطی ایجاد میکنه، اما میشه ازش در مواردی استفاده کرد که فرآیند حاوی مواد جامد معلق یا بسیار ویسکوزه، با اعداد رینولدز بسیار کم، یا طول غیر لوله المان های دیگه در بالادست و پایین دست محدود باشه.
لوله ونتوری | Venturi tube
لوله ونتوری یک تفاضل نسبتاً بزرگ با افت هد نسبتاً کوچکی تولید میکنه و اغلب در مواردی استفاده میشه که فرآیند حاوی مواد جامد معلق باشه یا اگر تلفات بالای هد غیرقابل قبول یا طول آزاد لوله محدود باشه.
پس از انتخاب المان محدودکننده، می‌توان محدوده DP مربوطه رو با توجه به فرمول قابل اجرا (مایع، گاز، بخار) محاسبه کرد. برای مثال، فرمول (لوله وج برای مایع) به شرح زیره:
h = gf * ( q / (5.668 * Fa * Kd2))^2
برای تأیید اینکه عدد رینولدز >500 است (برای لوله وج) یک محاسبه بیشتر هم لازمه:
RD = 3160 * q * gf / (D * µ)
در حالی که:
– q نرخ جریان مایع و D قطر داخلی لوله
– Kd2 و Fa به ویژگی های المان محدودکننده انتخاب شده (لوله وج) مرتبطه
– gf وزن مخصوص و μ ویسکوزیته سیال
ترانسمیتر فشار
پس از محاسبه محدوده اختلاف فشار، میتونیم یک ترانسمیتر فشار مناسب رو با توجه به معیارهای ذکر شده در قسمت کاربردهای فشار تفاضلی انتخاب کنیم.
به هر حال، برای کاربردهای فلو (جریان) برای وج بر روی لوله های با قطر بزرگ‌تر از DN 50 (۲ اینچ)، توصیه می‌کنیم از “سیل از راه دور” مانند شکل زیر، استفاده کنید.
ترانسمیتر چندمتغیره
به طور سنتی، یک کامپیوتر یا یک DCS، فلویی رو که از سیگنال فشار تفاضلی شروع میشه، با استفاده از یک معادله دبی جرمی ساده برای مایعات یا جبران اندازه‌گیری فشار با دما و فشار (به عنوان مثال فشار خط یا فشار استاتیک) محاسبه میکنه.
امروزه نسل جدیدی از ترانسمیتر ها وجود داره که فشار تفاضلی و فشار مطلق رو در یک سنسور واحد و دمای فرآیند رو از طریق یک سنسور دمای RTD با مقاومت ۱۰۰ اهم، اندازه‌گیری میکنن. به لطف قابلیت محاسباتی افزایش یافته‌شون، میشه محاسبه دینامیکی جرم یا نرخ دبی حجمی برای گازها، بخار و مایعات انجام داد.
برخی از ترانسمیتر ها به‌صورت هم‌زمان دارای قابلیت‌هایی از جمله جبران فشار و/یا دما و همچنین متغیرهای پیچیده‌تری مثل ضریب تخلیه، انبساط حرارتی، عدد رینولدز و ضریب تراکم‌پذیری می‌باشند.
سطح
مخزن باز
وقتی مایعی که باید سطحش اندازه‌گیری بشه درون یک “مخزن باز” باشه، معمولاً از یک “ترانسمیتر فشار گیج (نسبی)” استفاده میشه که میتونه دارای یک پورت یا دو پورت باشه، اما تک پورت ها هزینه کمتری دارن (ترانسمیتر های فشار گیج استاندارد)، اما یک پورت دوبل میتونه به دلیل محدوده فشار گیج پایین مورد نیاز باشه.
برای محاسبه محدوده فشار تفاضلی به شکل زیر عمل کنید:
[H2*Gl] = حد پایین محدوده فشار
حد پایین محدوده فشار + H1*Gl = حد بالای محدوده فشار
Gl = وزن مخصوص مایع
پس از محاسبه محدوده فشار تفاضلی (Differential Pressure)، میتونیم سایر گزینه‌های در دسترس برای ترانسمیتر فشار مثل فلنج (Flange) یا سیل از راه دور (Remote Mount Seal) رو هم انتخاب کرد که باید با توجه به ویژگی های سیال درون مخزن و معیارهایی که در زیر بهشون اشاره میشه، انتخاب بشن:
- در صورت وجود سیال کثیف یا اگر دمای فرآیند بیش از ۱۰۷ درجه سانتیگراد (۲۲۵ درجه فارنهایت) باشه، استفاده از یک سیل از راه دور که با فلنج به فرآیند متصل بشه، در سمت فشار بالای ترانسمیتر، توصیه میشه. برای این منظور، ترانسمیتر های یک یا دو پورتی وجود دارن. تک پورتی ها مثل ترانسمیتر های استاندارد ارزان تر هستند در صورتی که دو پورته ها دقیق‌ترن!
- زمانی که سیال ممکنه در دمای محیط یخ بزنه یا تبدیل به ژل بشه، دیافراگم سیل کشیده مناسب‌تره.
همچنان، هر دو نوع ترانسمیتر تک پورت و دبل پورت در دسترسه.
یک راه‌حل جایگزین مناسب برای سیال کثیف یا خورنده یا در دمای فرآیند بسیار بالا، تیوب حباب هستش که محدوده اختلاف فشار در این راه‌حل، به روش زیر محاسبه میشه:
[H2*Gl] = حداقل فشار برگشتی اوریفیس
حد پایین محدوده فشار + H1*Gl = حد بالای محدوده فشار
Gl = وزن مخصوص مایع
مخزن بسته
وقتی سطح مایعی که باید اندازه‌گیری بشه درون یک “مخزن بسته” باشه، به یک “ترانسمیتر فشار تفاضلی” (ترانسمیتر اختلاف فشار) نیاز داریم. برای محاسبه محدوده فشار تفاضلی به شکل زیر عمل کنید:
[H2*Gl] = حد پایین محدوده فشار
حد پایین محدوده فشار + H1*Gl = حد بالای محدوده فشار
Gl = وزن مخصوص مایع
در صورت وجود بخارات قابل چگالش، باید از نوع نصب و محاسبات زیر استفاده کنیم:
[H2*Gl] – H4*Gw = حد پایین محدوده فشار
حد پایین محدوده فشار + H1*Gl = حد بالای محدوده فشار
Gl = وزن مخصوص مایع
Gw = وزن مخصوص سیال درون پایه خیس
سایر ویژگی‌های ترانسمیتر فشار مانند فلنج یا سیل از راه دور، باید با توجه به ویژگی‌های سیال مایع درون مخزن و معیارهای خلاصه شده در زیر انتخاب بشن:
- یک ترانسمیتر فشار دو پورت که مستقیماً در سمت پرفشار مخزن نصب شده، اقتصادی ترین راه حل در مورد سیالات غیر داغ، کثیف یا خورنده است.
- یک ترانسمیتر فشار با سیل از راه دور فلنجی در سمت فشار بالای مخزن در موارد زیر توصیه میشه: سیال کثیف یا دمای فرآیند بیش از ۱۰۷ درجه سانتیگراد (۲۲۵ درجه فارنهایت).
همچنین ترانسمیتر هایی که در تماس با مواد غذایی یا مایعات دارویی هستن، به سیل های خاصی نیاز دارن تا از حداکثر امکان تمیز کردن اتصال فرآیند اطمینان حاصل بشه. در این موارد نیز مایع پرکننده باید غیرسمی باشد، مانند گلیسیرین/آب یا نئوبی (Neobee).
– سیل از راه دور نیز در شرایط زیر مورد نیازه:
- دمای سیال فرآیند بالای ۲۱۰ درجه سانتیگراد (۴۱۰ درجه فارنهایت) در ترانسمیتر های فلنجی است (و امکان نصب کولینگ نیست)
– در صورت فاصله زیاد بین لاین های فشار ورودی در ترانسمیتر اختلاف فشار (تا ۱۰ متر و در برخی موارد حتی بالاتر) - برای رفع نیاز به سیل پات، نصب و نگهداری آنها، به ویژه برای مایعات در صنایع غذایی و داروسازی که در آن سیل پات قابل استفاده نیست.
- یک دیافراگم سیل کشیده در همه موارد فوق برای زمانی که سیال ممکنه در دمای محیطی که با آن مواجه می شود یخ بزند یا تبدیل به ژل بشه، مناسب تره.
در مورد سیل از راه دور، محاسبه محدوده رو به شکل زیر انجام دهید:
H1 x SG – H3 x SGc = حد پایین محدوده فشار
حد پایین محدوده فشار + H2 x SG = حد بالای محدوده فشار
SG = وزن مخصوص مایع
SGc = وزن مخصوص مایع درون کپیلاری
برخی از کاربردهای غذایی و بهداشتی نیاز به اتصالات ویژه‌ای مثل اتصالات Tri-clamp یا DIN 11851 ویژه نیاز دارن و همچنین از مایعات پرکننده‌ای استفاده کنند که توسط FDA (سازمان غذا و دارو آمریکا) به‌عنوان ایمن (GRAS) شناخته شده اند. کاربردهای بیوتکنولوژی به اتصالات فرآیند آسپتیک با تأسیسات بَریِر بخار داخلی نیاز دارن.
اما همچنین در صنعت کاغذسازی، به اتصالات خاصی نیاز داریم چونکه ترانسمیتر ها را میشه به راحتی با بال ولو ها یا شیر چاقویی کوپل کرد، یا برای تمیز کردن آنها باید به راحتی جدا بشن.
در تمام موارد، نیاز به اتصال فرآیند خاصی هست. مثلاً سیل مناسبی که در دسترس باشه یا بشه یک سیل جدید رو با همکاری نزدیک با خود مشتری طراحی کرد.
چگالی
این اندازه‌گیری رو میشه هم در مخازن باز و بسته و هم با مایعات تمیز یا کثیف اعمال کرد. انتخاب نوع ترانسمیتر فشار مناسب، از جمله ترانسمیتر با فلنج یا ترانسمیتر با دیافراگم سیل و کپیلاری (ریموت سیل)، دقیقاً مثل اندازه‌گیری سطحه در حالی که محدوده فشار تفاضلی رو باید به روش زیر محاسبه کنیم:
H1 x (SGpl – SGc) = حد پایین محدوده فشار
حد پایین محدوده فشار + H1 x (SGph – SGpl)) = حد بالای محدوده فشار
SGpl = حداقل وزن مخصوص مایع
SGc = وزن مخصوص مایع درون کپیلاری
SGph = حداکثر وزن مخصوص مایع
سطح برخورد دو مایع
این اندازه‌گیری هم مثل قبل، میشه در مخازن باز یا بسته و یا با مایعات تمیز یا کثیف اعمال کرد. انتخاب نوع ترانسمیتر فشار مناسب، از جمله ترانسمیتر با فلنج یا ترانسمیتر با دیافراگم سیل و کپیلاری، دقیقاً مثل اندازه‌گیری سطحه در حالی که محدوده فشار تفاضلی رو باید به روش زیر محاسبه کنیم:
H1*(SG1 – SGc) = حد پایین محدوده فشار
حد پایین محدوده فشار + H1*(SG2 – SGc) = حد بالای محدوده فشار
SG1 = وزن مخصوص مایع کمتر
SGc = وزن مخصوص مایع درون کپیلاری
SG2 = وزن مخصوص مایع بیشتر
حجم (محصول در یک مخزن)
پس از تعیین سطح محصول در یک مخزن، می توان حجم سیال فرآیند رو هم محاسبه کرد. یادمون باشه که اگر رابطه بین حجم و سطح اندازه‌گیری شده برای مخازن با شکل استوانه‌ای خطی باشه، برای سایر اشکال دیگر مخازم صادق نیست!
انتخاب مشخصات ترانسمیتر
در این بخش، معیار های انتخاب برخی از مشخصات ترانسمیتر فشار رو با توجه به نیاز های مختلف یک کاربرد بررسی می‌کنیم:
انتخاب متریال
یکی از مهمترین فاکتورها برای انتخاب متریال مناسب قطعات خیس شونده (قسمت هایی از ترانسمیتر که در تماس با سیال هستند)، مقاومتش در برابر خوردگیه، اما باید سازگاریش با کاربردهای خاص هم در نظر گرفته بشن. به عنوان مثال، مایعات پرکننده سمی ترانسمیتر فشار رو نمیشه برای کاربردهای غذایی استفاده کرد، چونکه در صورت نشتی، میتونن سیال فرآیند رو مسموم کنن (برای مثال مایع پرکننده سیلیکون نباید در کاربرد سطح سنجی مخزن شیر استفاده بشه زیرا در صورت نشتی، باعث آلودگی کل شیر درون مخزن میشه!). به همین خاطر، توصیه می‌کنیم جهت انتخاب مناسب‌ترین متریال برای وتد پارت خود با کارشناسان فنی ما تماس بگیرید.
خوردگی شامل تخریب تدریجی یک فلز توسط واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیاییه و تحت تأثیر عوامل متعددی قرار می‌گیره، از ترکیب مواد شیمیایی، حتی اگر مقدارش کم باشه، تا دما. به عنوان مثال، اگر دما در آب دریا از ۴۰ درجه سانتیگراد (۱۰۴ درجه فارنهایت) بالاتر بره، خوردگی، تهدیدی برای فولاد ضد زنگ (Stainless Steel) هست.
انتخاب مناسب‌ترین متریال وتدپارت متناسب با سیال فرآیندتان می‌تواند یک امر چالش برانگیز و پیچیده باشه. ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم با انتخاب متریال صحیح، از هزینه‌های مالی و زمانی ناخواسته جلوگیری کنید. منتظرتان هستیم …
متریال قطعات خیس شونده
Stainless Steel 316L | فولاد ضد زنگ 316L
“SS 316L” یک متریال استاندارد برای قطعات خیس شونده اکثر ترانسمیترهای فشار هستش که مقاومت خوبی در برابر خوردگی هم داره، از جمله غلظت کم اسید نیتریک و اکثر محلول های نمک به استثنای اسیدهای بدون اکسید کننده مثل هیدروکلریک، هیدروفلوریک، سولفوریک و فسفریک. مقاومت استیل ضد زنگ 316L در برابر محلول های قلیایی، اسیدهای آلی و سایر ترکیبات آلی ممکنه به دما بستگی داشته باشه.
در مورد نمک ها، نمک های هالید (فلوئور، کلر، برم و ید) میتونن باعث ایجاد حفره شدید و احتمالاً ترک خوردگی تنشی شوند.
- در مورد سولفید هیدروژن (H2S) که اغلب در تولید نفت/گاز وجود داره، SS 316L ممکنه نیاز به یک گواهینامه خاص داشته باشه: NACE MR0175. این استاندارد، در صورت وجود فشار جزئی کافی سولفید هیدروژن در گاز، اعمال میشه.
Monel | مونل
“مونل” (67Ni-33Cu) در دمای محیط در برابر اکثر اسیدهای بدون اکسید کننده مثل اسیدهای هیدروفلوئوریک، سولفوریک و فسفریک مقاومت خوبی داره. همچنین مونل در صورت تماس قطعات خیس شونده با آب دریا بهترین انتخاب محسوب میشه. بعلاوه، در برابر نمک های غیراکسید کننده مقاومه! نیکل موجود در این آلیاژ، مقاومتش رو در برابر مواد قلیایی بهبود می‌بخشه.
“هیدروژن” ممکنه در کاربردهای با غلظت بالا، بتونه به ماده‌ای با متریال مونل نفوذ کنه. در مورد اندازه‌گیری فشار، هنگامی که دیافراگم ترانسمیتر فشار از مونل ساخته شده باشه، اتم های هیدروژن ممکنه به دیافراگم نفوذ کنن و باعث بشن حباب های هیدروژن در مایع پر کننده پشت سنسور تشکیل بشن. بنابراین، زمانی که سیال فرآیند گاز هیدروژنه، متریال دیافراگم نباید مونل (Monel) باشه!
Hastelloy C | هستلوی C
در متریال هستلوی (54Ni-16Mo-16Cr)، کروم و مولیبدن به نیکل اضافه میشن تا مقاومت آلیاژ در برابر شرایط اکسیداسیون بهبود پیدا کنه. Hastelloy C برای محافظت در برابر قلیایی ها، اسیدهای آلی و سایر ترکیبات آلی مناسبه.
این آلیاژ همچنین مقاومت قابل توجهی رو در برابر شرایط بدون اکسید کننده مثل اسید فسفریک و همچنین نمک های اسیدی مثل نیکل و کلرید مس حفظ میکنه. در دماهای متوسط، هستلوی C در اکثر غلظت ها، اسیدهای هیدروکلریک و سولفوریک رو تحمل میکنه.
هر دو متریال Monel و Hastelloy C در برابر شرایط جوی و آب شیرین مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارن.
Gold-Plated Hastelloy C or Monel or SST | استیل ضد زنگ یا مونل یا هستلوی C با روکش طلا
هستلوی C هم مثل Monel و Stainless Steel، اجازه نفوذ به هیدروژن رو میده، بنابراین باید به عنوان یک متریال دیافراگم برای کاربرد هیدروژن اجتناب بشه. در واقع اتم‌های هیدروژن میتونن از طریق دیافراگم‌های ترانسمیتر فشار، که بسیار نازک‌اند، پخش شده و پس از رسیدن به مایع پرکننده، برای تشکیل هیدروژن مولکولی ترکیب میشن. از اونجایی که هیدروژن مولکولی انقدر بزرگه که نمیتونه از طریق دیافراگم به عقب نفوذ کنه، به دام میفته و حباب هایی رو درون مایع پر کننده تشکیل میده. این حباب ها میتونن عملکرد ترانسمیتر رو به شدت تحت تاثیر قرار بدن. اعمال یک “روکش از طلا” روی متریال دیافراگم باعث محافظت در برابر نفوذ هیدروژن در تمام موارد فشار و دمای بالا در فرآیند، که سرعت نفوذ رو افزایش میدن، میشه!
Tantalum | تانتالیوم
ثابت شده که “تانتالیوم” یک متریال مناسب در کاربردهای خورنده‌ست که در آن SS316L عملکرد رضایت بخشی نداره، مثل اسیدهای هیدروکلریک، هیدروبرمیک، هیدروکلریک جوشان، نیتریک، فسفریک و سولفوریک. چندتا استثنا برای این قاعده وجود داره، مثل فلوراید آلومینیوم، کربنات پتاسیم و سولفید سدیم، که نتایج متریال Monel در این موارد مناسب تره!
تانتالیوم همچنین مقاومت خوبی در برابر اکثر اسیدها، محلول های شیمیایی و ترکیبات آلی داره و فلزات مایع معمولاً بر تانتالیوم تأثیر نمیزارن. با این حال، تانتالیوم در صورت استفاده از اکسیژن یا نیتروژن با دمای بالا، یا با هیدروژن در هر دمایی، میتونه دچار شکنندگی شدیدی بشه. همچنین، محلول های قلیایی قوی و قلیایی های ذوب شده مانند هیدروکسید سدیم به آن حمله می‌کنند.
تانتالیوم دارای نقطه ذوب بالا و استحکام خوبیه که حتی در دماهای بالا، امکان استفاده از مقاطع نازک رو فراهم کنه چونکه خیلی گرونه!
مایع پرکننده
نوع مایع پرکننده انتخاب شده میتونه دمای عملیاتی که ترانسیمتر فشار میتونه تحمل کنه رو محدود کنه. بنابراین مایع پرکننده باید از میان گزینه های موجود در جدول مایعات پرکننده با توجه به دمای عملیاتی‌شون انتخاب بشه. این دما رو میشه یجورایی دمای محیط هم در نظر گرفت، زیرا حتی با دمای بالاتر فرآیند، در طول اتصالات لوله به ترانسمیتر، دما به شدت کاهش پیدا میکنه.
رایج‌ترین مایع پرکننده، روغن سیلیکون DC200ه، به این دلیل که پایداری بالایی در طیف وسیعی از دماهای عملیاتی داره: از ۴۰- درجه سانتیگراد تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد (۴۰- درجه فارنهایت تا ۳۹۲ درجه فارنهایت). مایعات دیگه هم میتونن هر زمان که محدوده دمایی‌شون با کاربرد سازگار باشه (متناسب باشه)، انتخاب بشن تا از ویسکوزیته کمتر یا ضریب انبساط حرارتی کمتری استفاده کنند. این ویژگی، به ویژه، میتونه برای بهبود زمان پاسخگویی (Response Time) در مورد استفاده از ریموت سیل (دیافراگم سیل + کپیلاری) با کپیلاری های طولانی، بسیار مفید باشه. برای برخی از کاربردهای غذایی یا دارویی، مایع پرکننده نباید سمی باشه تا از بروز مشکلات در صورت پارگی دیافراگم و آلودگی محصول جلوگیری بشه. در این حالت، یک مایع پرکننده بهداشتی (مثلاً روغن هایی که به تاییدیه FDA برسند) باید انتخاب بشن.
یک کاربرد خاص و رایجی دیگری هم که مایع پرکننده خیلی تأثیر روی فرآیند داره، استفاده از یک ترانسمیتر فشار در فرآیندی‌ست که سیال، “اکسیژنه”! به دلیل اینکه روغن سیلیکون در صورت نفوذ به سیال، میتونه آتش بگیره به همین خاطر، یک مایع پرکننده بی اثر (Inert) باید انتخاب بشه.
- پس فراموش نکنید: برای کاربرد هایی که در آن از سیالات پر خطر و حساس مثل اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، آرگون و … استفاده میشه، حتماً سازگاری متریال قسمت هایی که با سیال در تماس هستن + مایع پرکننده با سیال چک بشه. در غیر اینصورت، میتونه هزینه های جبران ناپذیری در صورت بروز هرگونه مشکل رخ بده. در این مسیر، تیم مشاورین فنی ما در کنار شما هستند.
Gasket | واشر
متداول ترین متریال برای واشر ترانسمیتر PTFE و FKM هستند، به دلیل مناسب بودن خوردگی کلی آنها با بیشتر سیالات. این متریال فقط یک محدودیت شناخته شده داره: که دما میتونه به طور دوره‌ای چندین درجه تغییر کنه و به دلیل خاصیت ارتجاعی (الاستیسیته) محدود این ماده، سفتی رو به خطر بندازه.
موارد خاص دیگر، کاربرد های غذایی یا دارویی هستن که نیاز به یک متریال تایید شده توسط سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) یا سایر نهادهای ملی مشابه دارن.
محدوده فشار بیش از حد
حداکثر فشاری که یک ترانسمیتر میتونه بدون آسیب تحمل کنه (یعنی نیازی به کالیبراسیون مجدد نداره) “فشار بیش از حد” یا “اورپرشر” (Overpressure) نامیده میشه. برای ترانسمیتر اختلاف فشار، فشار بیش از حد، “فشار استاتیک” (Static Pressure) نامیده و معمولاً به دو طرف ترانسمیتر (قسمت های فشار بالا و فشار پایین) اعمال میشه. این فشار به ویژگی های مکانیکی ترانسمیتر و به ویژه، به نوع سنسور و فلنج های موجود فرآیند بستگی داره. این رو هم به خاطر داشته باشید: ترانسمیتر های فشاری که محدوده فشار پایین‌تری دارند (مثلاً محدوده فشار اندازه‌گیری‌شان میلی باره)، فشار بیش از حد پایین‌تری رو هم تحمل میکنن پس مواظب فشار های مازاد درون سیستم باشید!
قرار گرفتن ترانسمیتر در معرض فشار بسیار بالا، بالاتر از حداکثر فشار کاری، میتونه منجر به تغییر مکانیکی دیافراگم یا نشتی یا حتی انفجار خطرناک بشه (که منجر به پرواز قطعات به خارج از دستگاه میشه).
محدوده دمایی
اکثر ترانسمیتر های فشار الکترونیکی برای فعالیت در دمای محیط از ۲۰- تا ۴۰- درجه سانتیگراد (۴- تا ۴۰- درجه فارنهایت) تا دمای بالا بین ۶۰ تا ۸۵ درجه سانتیگراد (۱۴۰ درجه تا ۱۸۵ درجه فارنهایت) طراحی شده‌اند. البته ناگفته نماند که به مایع پرکننده‌ای که در ترانسمیتر استفاده میشه بستگی داره (قبلاً هم بهش اشاره کردیم!).
با این حال، نوسانات دمای محیط باید به دقت در نظر گرفته بشه. به عنوان مثال، ترانسمیتری رو در نظر بگیرید که در یک سیستم اندازه‌گیری نصب شده و در فضای باز، در مکانی محافظت نشده قرار داره که از ساعت ۹ صبح تا ۴ بعد از ظهر، نور خورشید مستقیماً بهش می‌تابه. خروجی ترانسمیتر به احتمال زیاد، در ساعات تابش نور خورشید، حتی زمانی هم که دمای هوا ثابته، مقداری جابجایی نقطه صفر رو تجربه میکنه. جابجایی نقطه صفر به دلیل افزایش دمای داخلی ترانسمیتر، به دلیل اثر گرمای تابشی خورشید ایجاد میشه. یک باران ناگهانی یا باد خنک میتونه اثرات مشابهی بر خروجی ترانسمیتر داشته باشه. علاوه بر این، دمای بالا، آسیب های جزیی را در طول زمان به اجزای الکتریکی وارد میکنه، بنابراین باید از دمای بالا (ترجیحاً بالای ۶۰ درجه سانتیگراد، ۱۴۰ درجه فارنهایت) اجتناب بشه.
درستی
درستی (Accuracy) در حوزه اندازه‌گیری شامل صحت (Correctness) و دقت (Precision) است. صحت، میزان نزدیکی مقدار اندازه‌گیری شده به مقدار واقعیه، در حالی که دقت، اساساً به معنای تکرارپذیری نتیجه اندازه‌گیری در همون شرایط یکسان قبلیه. بنابراین، یک تجهیز اندازه‌گیری دقیق، مقدار یکسانی رو باید برای هر دقعه اندازه‌گیری نشان بده. این مقدار میتونه درست یا غلط باشه. تنها در صورتی که این مقدار صحیح باشه، اون تجهیز دارای درستی بالاییه. بنابراین یک تجهیز یا میزان درستی بالا، باید هم صحت بالایی داشته باشه و هم دقیق باشه.
هر زمان که درستی مقادیر اندازه‌گیری شده ذکر بشه، در واقع داریم درباره حداکثر انحراف مقدار اندازه‌گیری شده از مقدار واقعی صحبت می‌کنیم و به صورت درصدی از کل محدوده یا بازه اندازه‌گیری بیان میشه (FS%). این حداکثر انحراف مقدار اندازه‌گیری‌شده مجاز، عدم قطعیتیه که یک مقدار اندازه‌گیری شده در معرضشه. به همین دلیل، اغلب از اصطلاح عدم قطعیت اندازه‌گیری یا عدم قطعیت مقدار اندازه‌گیری شده استفاده میشه.
قصد داریم با ذکر یک مثال، درستی رو در یک ترانسمیتر فشار بررسی کنیم:
اگر درستی یک ترانسمیتر فشار 0.5±≥ FS% و محدوده اندازه‌گیری فشار آن ۰ تا ۱۰ بار بیان بشه (مقدار کل بازه=۱۰) – با فرض تاثیر المان های مختلف بر روی درستی مثل دما وغیره، بین مقدار فشار اندازه‌گیری شده و مقدار فشار واقعی میتونه تا ۵۰ میلی بار انحراف وجود داشته باشه. در این مثال، فشار واقعی میتونه مقداری بین ۱۰.۰۵ بار یا ۹.۹۵ بار باشه!
ایمنی
یک نکته بسیار مهم در خرید هر ابزار دقیق، کنترل ایمنی فرآینده. امروزه سازمان های استاندارد در سرتاسر جهان معیارهای مختلفی رو برای سازندگان تجهیزات تعیین کردن تا قبل از اینکه محصولات برای کاربردهای مختلف استفاده بشن کاملاً از نظر ایمنی تست بشن. به عنوان مثال، تمام تجهیزات الکتریکی مورد استفاده در مکان های خطرناک و بالقوه انفجاری باید توسط یک یا چند مورد از این سازمان های استاندارد برای مورد تست و تایید قرار بگیرند (تاییدیه هایی مانند ATEX یا IECEX).
ایمنی الکتریکی
صنایع مختلفی وجود دارن که فرآیندهاشون شامل حضور مواد خطرناک مثل گازها یا بخارات قابل اشتعال، غبارهای قابل احتراق یا الیاف قابل اشتعال هستند. مناطقی که ممکنه این اتفاق بیفته بسته به “احتمال” وجود گاز/بخار در ترکیب خطرناک با هوا طبقه‌بندی میشن. طبق IEC 79-10، در اروپا و بیشتر نقاط جهان، به جز قاره آمریکا، طبقه‌بندی به صورت زیره:
| منطقه | توضیحات |
|---|---|
| منطقه ۰ | Zone 0 | منطقه ای که در آن مخلوط گاز-هوای انفجاری به طور مداوم یا برای مدت طولانی در آن وجود داره |
| منطقه ۱ | Zone 1 | منطقه ای که در آن احتمال وجود مخلوط انفجاری گاز و هوا در عملیات عادی وجود داره |
| منطقه ۲ | Zone 2 | منطقه ای که احتمال وجود مخلوط گاز و هوا در آن در حالت عادی وجود نداره و در صورت وقوع، فقط برای مدت کوتاهی وجود خواهد داشت |
در آمریکای شمالی، طبقه بندی تنها به دو بخش اشاره داره که طبق ماده 500 NEC:
- بخش ۱: خطر ممکنه در عملیات عادی وجود داشته باشه.
- بخش ۲: خطر ممکنه فقط در عملیات غیرعادی وجود داشته باشه.
بنابراین معادله به صورت زیر عوض میشه:
| شرایط غیرعادی (۰.۰۱ تا ۱ ساعت در سال) | خطر متناوب (۱ تا ۱۰۰ ساعت در سال) | خطر دائم (بیشتر از ۱۰۰ ساعت در سال) | |
|---|---|---|---|
| اروپا (IEC) | Zone 2 | Zone 1 | Zone 0 |
| آمریکای شمالی | Division 2 | Division 1 | Division 1 |
در این مناطق (طبقه بندی شده) که جو خطرناک وجود داره، تجهیزات الکتریکی (از جمله ترانسمیتر ها) یک خطر بالقوه رو دارن، زیرا ممکنه باعث اشتعال در اثر جرقه (انرژی) یا گرمایش موضعی (دما) بشن. بنابراین باید هر دوی این “مکانیسم های احتراق” رو در نظر بگیریم: گازها/بخارهای مختلف با توجه به انرژی و دمای احتراق‌شون طبقه‌بندی میشن.
توجه داشته باشید که هیچ ارتباطی بین انرژی احتراق و دمای احتراق وجود نداره، به عنوان مثال، انرژی احتراق هیدروژن ۲۰ میکروژول (بسیار کم) و دمای احتراق آن ۵۶۰ درجه سانتیگراد (بسیار زیاد) است. گازها/بخارهای مختلف با توجه به “شباهت” آنها از نظر انرژی احتراق گروه‌بندی میشن.
هر گروه یک گازی به عنوان “گاز نماینده” داره. گازهای نماینده و حداقل انرژی احتراق مربوطه (بر حسب میکروژول) در زیر نشون داده شده:
| گاز نماینده | IEC / CENELEC (EUROPE) | آمریکای شمالی | حداقل انرژی احتراق (میکروژول) |
|---|---|---|---|
| 30 | >10.000 | کم | زیاد |
| 30 | >40.000 | کم | خیلی کم |
| 10 | >500 | متوسط | متوسط |
| 10 | >75.000 | زیاد | کم |
- نکته: طبق طبقه بندی IEC، نشانه "II" به معنای "صنایعی که روی سطح زمین" فعال‌اند (به عنوان جایگزینی برای جو معدن).
حداقل انرژی احتراق، متناسبه با مخلوطی از گاز با هوا در دمای محیط (معمولاً ۴۰ درجه سانتیگراد / ۱۴۰ درجه فارنهایت) و فشار. فهرست گازها/بخارها و گروه های مربوط بهشون رو میتونید در IEC Publication 79-12, NEC Article 500, EN 50014 مشاهده کنید. طبقه‌بندی دما به حداکثر دمای مجاز ترانسمیتر یا بخشی از آن (با فرض ۴۰ درجه سانتی گراد)، تا دمای اشتعال گاز/بخار.
| آمریکای شمالی | (°C) حداکثر دما |
|---|---|
| T3 | 200 |
| T3A | 180 |
| T3B | 165 |
| T3C | 160 |
| T4 | 135 |
| T6 | 85 |
| IEC / CENELEC (اروپا) | (°C) حداکثر دما |
|---|---|
| T1 | 450 |
| T2 | 300 |
| T3 | 200 |
| T4 | 135 |
| T5 | 100 |
| T6 | 85 |
در صنعت، صنایعی که فرآیندهای آنها شامل متریال های خطرناک باشه، باید اقدامات احتیاطی جدی برای جلوگیری از آتش سوزی و انفجار انجام بشه. این مسئله تا حدودی مربوط به ایجاد روش های ایمن از سوی پرسنل کارخانه‌ست، اما همچنین، اطمینان از طراحی ایمن خود کارخانه و تجهیزات جانبی آن و به ویژه تجهیزات الکتریکی ضروریه! برای جلوگیری از آتش سوزی یا انفجار در کارخانه ها میشه از روش های مختلف حفاظت از ابزار (از جمله ترانسمیتر ها) استفاده کرد که مهمترین ها شامل:
مهار
حتی در شرایط خطا، هر گونه اشتعالی که توسط ترکیب سیالات خطرناک به وجود بیاد، این انفجار به کارخانه منتقل نمیشه. انفجار یا آتش سوزی هم حتی ممکنه رخ ندهه به این دلیل که هوای کافی در محفظه سیل شده برای پشتیبانی از احتراق وجود نداره. اگه هم انفجاری رخ بده، محفظه ها به اندازه کافی سیل و قوی هستن تا مهارش کنن.
ایمنی، به مقاومت مکانیکی محفظه بستگی دارد: باید در برابر انفجار، بدون شکستگی مقاومت کنه. “ضد اشتعال” یا “Flame proof” (ضد انفجار) یک روش حفاظتی با استفاده از همین تکنیکه. دستگاه های الکتریکی در محفظه های ضد انفجار (Explosion-proof Enclosure) میتونن در سطح نرمالی از قدرت کار کنن.
- نکته مهم: طبقه بندی Flameproof یا ضد اشتعال، نوعی حفاظته که در آن قطعاتی که میتونن در یک اتمسفر انفجاری مشتعل بشن، درون یک محفظه قرار میگیرن که این محفظه میتونه نیرو و فشار ایجاد شده رو در طول انفجار داخلی تحمل کنه. بنابراین اگر انفجاری داخل محفظه رخ بده، داخل محفظه باقی میمونه و به بدنه شکستگی یا آسیبی وارد نمی‌کنن. این نوع حفاظت، خطر آتش گرفتن یک اتمسفر انفجاری خارجی رو کاهش میده.
جلوگیری
محدود کردن انرژی الکتریکی موجود در ترانسمیتر، از اشتعال ترکیب سیالات خطرناک جلوگیری میکنه. به این ترتیب، جرقه‌ای که توسط دستگاه تولید میشه، انرژی کافی برای مشتعل کردن اتمسفر بالقوه انفجاری رو نداره. “ذاتاً ایمن” یا “Intrinsically Safe”، یک روش حفاظتی با استفاده از همین تکنیکه. دو دسته از حفاظت Intrinsic Safety، با در نظر گرفتن “تعداد خطا”، که میتونه حفاظت را کاهش بده تعریف شده (IEC / CENELEC):
- دسته “ia”: حفاظت هنوز هم با دو خطای مستقلی که ممکنه رخ بدن، معتبره!
- دسته “ib”: حفاظت هنوز با یک خطایی که ممکنه رخ بده، معتبره!
از این تعاریف مشخصه که «ia» از «ib» ایمن تره! به همین دلیله که فقط حفاظت “ia” برای “منطقه ۰” یا همون “Zone 1” پذیرفته میشه (پس مشخصاً میتونه برای “منطقه ۱” هم استفاده بشه) و “ib” فقط برای “منطقه ۱” یا همون “Zone 1” مناسبه (بنابراین، میتونه داخل “منطقه ۲” هم استفاده بشه). از اونجایی که اکثر کاربرد ها، نیاز به ارسال سیگنال به خارج یا به منطقه خطرناک (hazardous area) دارن، محدود کردن پارامترهای الکتریکی مثل ولتاژ و آمپر (جریان) شامل سیستم سیم‌کشی کامل و همچنین ترانسمیتر میشه. انرژی الکتریکی تحویلی به ترانسمیتر و سیم‌کشی مربوطه به مقداری محدود میشه که نمیتونه باعث احتراق بشه، حتی در شرایط خطا، چه در سیم کشی به ترانسمیتر یا خود ترانسمیتر!
محدود کننده های انرژی به عنوان “بریر های ذاتاً ایمن” یا “Intrinsically Safe Barriers” شناخته میشن.
بریر های طراحی شده برای محافظت از سیستم، باید در خارج از منطقه خطرناک، در منطقه‌ای که به عنوان غیر خطرناک یا ایمن تعیین شده، نصب بشه که در آن خطری وجود نداشته باشه و وجود هم نخواهد داشت. تجهیزاتی که در ناحیه خطرناک قرار دارند باید طوری طراحی بشن که انرژی کافی برای ایجاد احتراق رو در شرایط معیوبی تولید نکنند.
به همین دلیل تجهیزات نصب شده در منطقه خطرناک ابتدا باید برای استفاده در یک سیستم ذاتاً ایمن تأیید بشن یا به اصطلاح، تاییدیه Intrinsically Safe داشته باشن.
در نتیجه، میتونیم بگیم که ترانسمیتر های موجود در منطقه حفاظت‌شده باید دارای گواهینامه «ذاتاً ایمن (intrinsically safe)» یا «ضد انفجار (explosion proof)» و مطابق با الزامات کلاس دمایی توسط یک سازمان مستقل برای اطمینان از ایمنی آنها باشن.
معروف‌ترین سازمان های این حوزه شامل:
| کشور | سازمان |
|---|---|
| ایالات متحده آمریکا | FM, UL |
| کانادا | CSA |
| بریتانیا | BASEEFA |
| فرانسه | LCIE |
| آلمان | PTB |
| ایتالیا | CESI |
| بلژیک | INEX |
- نکته: مزایای یک سیستم ذاتاً ایمن زیاده، از جمله این واقعیت که هزینه های سیم کشی کمتر میشه و تعمیر و نگهداری یک ترانسمیتر در منطقه خطرناک امکان پذیر میشه.
ترانسمیتر های ایمنی
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی از جمله صنایع شیمیایی، برق، نفت و گاز، وقوع یک اتفاق نامطلوب، منجر به عواقب خطرناکی میشه. زمانی که ریسک این اتفاق خیلی زیاد باشه، باید از تکنیک های کاهش ریسک استفاده بشه. یکی از این تکنیک ها، استفاده از سیستم های به اصطلاح Safety Instrumented Systems (SIS) هستش. این سیستم ها برای نظارت بر فرآیند در شرایط خطرناک طراحی شده‌اند و در صورت نقض شرایط خاص، فرآیند رو به حالت ایمن میبرن. چنین سیستم هایی از: سنسورها، لاجیک باکس ها و دیگر عناصری مثل شیرها و … تشکیل شده اند. امروزه PLC ها به طور خاص، برای کاربردهای حیاتی در دسترسن. با انجام این کار، عملکرد لاجیک باکس رو از نظر ایمنی نیز بهبود میده، اما از طرف دیگه، باید بدونیم که یک زنجیره به اندازه ضعیف‌ترین پیوندش قویه! بنابراین توجه بیشتری به دستگاه‌های داخلی و به‌ویژه سنسورهای آنالوگ، به دلیل تشخیص بالاترشون معطوف میشه.
از اونجایی که یک ترانسمیتر، سیگنالی پویا و متغیر ارائه میده، تشخیص اینکه آیا دستگاه به درستی کار میکنه یا نه آسون تره! یک مثال رایج در صنعت که همه ما ممکنه شنیده باشیم، مزیت استفاده از سیگنال آنالوگ جریانی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر نسبت به سیگنال ۰ تا ۲۰ میلی آمپره: به این دلیل که در هنگام معیوبی یا خطا، زمانی که شما باید در حالت بدون فشار ۴ میلی آمپر دریافت کنید و این میزان به صفر تبدیل میشه، به آسانی تشخیص میدید که مشکل از ترانسمیتره و باید عیب‌یابی بشه!
سطوح یکپارچگی ایمنی
استاندارد بین المللی IEC 61508 و ANSI/ISA S84.01 یک رویکرد عمومی رو برای تجزیه و تحلیل و محاسبه ریسک تعیین میکنه. این روش، یک روش مبتنی بر ریسک کیفی یا کمی رو برای تصمیم‌گیری در مورد سطح یکپارچگی ایمنی (SIL) لازم برای عملکرد ایمن ابزار دقیق و نحوه تخصیص SIL بین عملکردهای ایمنی مختلف (سنسور، کنترلر و اکچویتور) توصیف میکنه. سطوح SIL رو میشه به عنوان توانایی انجام عملیات “خاموش کردن” در صورت نیاز، به عبارت دیگر، “درجه” ایمنی مورد نیاز، بیان کرد. بنابراین، این بستگی به نحوه عملکرد فرآیند داره:
- حالت کار با تقاضای کم ( low demand mode)، یعنی در جایی که فرکانس درخواست‌های عملیاتی که در یک سیستم مرتبط با ایمنی ایجاد میشه بیش از یک بار در سال و بیش از دو برابر فرکانس تست اثبات نباشه.
- تقاضای بالا یا حالت کار مداوم (high demand or continuous mode)، یعنی در مواردی که فرکانس درخواست‌های عملیاتی که در یک سیستم مربوط به ایمنی ایجاد میشه، بیشتر از یک بار در سال یا بیشتر از دو برابر فرکانس تست اثبات باشه.
حالت تقاضای بالا یا مداوم (High demand or continuous mode)، اون دسته از سیستم های مرتبط با ایمنی رو پوشش میده که کنترل مستمر رو برای حفظ ایمنی عملکردی اجرا میکنن. استانداردهای ایمنی مانند ANSI/ISA S84.01 و IEC 61508، “سطوح یکپارچگی ایمنی” یا “SIL” رو تعریف کردن که عوامل کاهش خطر رو به سطوح ایمنی (SIL) مورد نیاز از پیش تعریف شده، تبدیل می‌کنند.
| سطح یکپارچگی ایمنی (SIL) | حالت عملیات با تقاضای کم (احتمال شکست در اجرای عملکرد طراحی آن در صورت تقاضا) | حالت تقاضای مستمر/ بالای عملیات (احتمال خرابی خطرناک در هر ساعت) |
|---|---|---|
| SIL 4 | > = 10^-5 to < 10^-4 | > = 10^-9 to < 10^-8 |
| SIL 3 | > = 10^-4 to < 10^-3 | > = 10^-8 to < 10^-7 |
| SIL 2 | > = 10^-3 to < 10^-2 | > = 10^-7 to < 10^-6 |
| SIL 1 | > = 10^-2 to < 10^-1 | > = 10^-6 to < 10^-5 |
در این نقطه، میتونید به تجهیزات ساخته شده توسط تولیدکنندگان و تامین‌کنندگان، برای مطابقت با الزامات، برای فعالیت‌هایی که در طول طراحی و ساخت انجام مشن تکیه کرد تا با سطوح SIL اختصاص داده شده به تجهیزات، مطابقت داشته باشن. این الزامات شامل بکارگیری تکنیک‌ها و اقداماتیه که بر اساس سطح یکپارچگی ایمنی، درجه‌بندی شده‌اند، برای جلوگیری و کنترل خطاها و خرابی‌ها و باید توسط یک نهاد یا سازمان مستقل واجد شرایط هم تأیید بشن. به همین دلیله که طراحی ترانسمیتر های مناسب شرایط بحرانی با هدف افزایش سطح دسترسی این دستگاه ها، دستخوش پیشرفت های خاصی شده‌اند. یکی از راه حل های طراحی نسل جدید در پاراگراف زیر توضیح داده شده است.
خروجی بی‌خطر
حالت‌های خرابی بالقوه خطرناک برای هر وسیله الکترونیکی از جمله ترانسمیتر های هوشمند یک خطر محسوب میشن. مفهوم “خروجی بی خطر” (Fail-safe output) در یک کاربرد آنالوگ طبق توصیه NAMUR NE-43 پیاده سازی شده که محدوده جریان آنالوگی رو تعریف میکنه که نشان دهنده خرابی تشخیصی در یک ترانسمیتره.
هنگامی که یک ترانسمیتر سیگنال آنالوگی رو در محدوده ۴ تا ۲۰ میلی آمپر ارسال میکنه، این طبیعی و کاملاً درسته! جریان های آنالوگ بیشتر از ۴ تا ۲۰ میلی آمپر، در محدوده ۳.۸ تا ۲۰.۵ برای زیر برد و رو برد طبیعی هستن اما جریان آنالوگ در محدوده ۳.۶ تا ۳.۸ میلی آمپر یا ۲۰.۵ تا ۲۲ میلی آمپر نشان میدن که خرابی در ترانسمیتر فشار هوشمند وجود داره. محدوده جریان ۰ تا ۳.۶ میلی آمپر احتمالاً نشان دهنده سیم بازه و محدوده جریان بیش از ۲۲ میلی آمپر احتمالاً نشان دهنده اتصال کوتاهه. استفاده از این الگو به یک ترانسمیتر فشار اجازه میده تا نشان بده که چه زمانی از کار افتاده و میتونه در یک PLC ایمنی برای تعیین عملکرد ایمنی مناسب در هنگام خرابی ترانسمیتر استفاده بشه.
ایمنی فشار
ترانسمیتر های فشار دارای حداکثر فشار مجاز اعمالی هستن که به وضوح روی اونها نشان داده شده. اگرچه سازندگان، حسگر های فشار رو با ضریب ایمنی ۲ یا ۳ برابر فشار نامی طراحی کرده‌اند و به طور معمول تا ۱ و ۰.۵ برابر حداکثر فشار مجاز آزمایش میکنن، اما در هیچ زمانی نباید ترانسمیتر بیش از توانایی فشار نامی خودش (که روی لیبل سنسور ثبت میشه) تحت فشار قرار بگیره.
دیگر ملاحظات ایمنی
مایع پر کننده در یک ترانسمیتر فشار میتونه در برخی فرآیندها مشکل ساز باشه. مایع پرکننده رایج، سیلیکونه (Silicone Oil): روغن سیلیکون به شدت با اکسیژن یا کلر مرطوب واکنش میده، در صورتی که نشت به این مواد وجود داشته باشه. یک مایع ایمن که میشه برای کاربرد های اکسیژن یا کلر مرطوب استفاده کرد، “inert oil” هست که در صورت بروز نشتی، ایمن و پایداره.
ترانسمیتر فشار مورد استفاده برای کاربرد اکسیژن باید حتما سفارشی سازی بشه. کاربردهای اکسیژن بسیار قابل احتراقن. تمام قطعات خیس شونده در فرآیند توسط سازنده مواد آلی با دقت تمیز میشن و سپس برای حفظ پاکیزگی پک میشن. پرسنل بی تجربه، که از هنگام دریافت، نباید اجازه داشته باشن که تمیزی ترانسمیتر رو نقض کنن. به طور مشابه، صنایع غذایی، لبنیات و داروسازی، که در اونها امکان نفوذ مایع پرکننده به فرآیند وجود داره، نیاز به استفاده از مایعات پرکننده غیر سمی مثل مخلوط گلیسیرین آب یا NEOBEE، یا فارما درجه B دارن.
درجه حفاظت ترانسمیتر فشار (IP)
میزان حفاظت در برابر آب، بدن انسان و دیگر اجسام خارجی.
درجه حفاظت براساس استاندارد IEC (International Electrotechnical Commission) مشخص میشه.
درجه حفاظت براساس دو عدد و یک حرف (انتخابی) هستش. دو عدد و حرف آخر نشان‌دهنده حفاظت طبقه‌بندی شده بصورت زیره:
احتیاط های لازم جهت استفاده از ترانسمیتر فشار
سیم‌بندی
- هنگام سیم‌کشی مطمئن بشید که منبع تغذیه خاموشه.
- نوسانات ولتاژ منبع تغذیه باید در حد مجاز و در بازه ولتاژ تغذیه ترانسمیتر باشه.
- اگه برق از یک رگولاتور سوئیچینگ معمولی تامین میشه، حتماً ترمینال زمین (F.G.) منبع تغذیه رو به یک زمین واقعی متصل کنید.
- در صورتی که اطراف ترانسمیتر فشار از تجهیزاتی استفاده می‌کنید که نویز تولید میکنن مثل رگولاتور سوئیچینگ، موتور، اینورتر (درایو) و غیره، تجهیزات رو حتما به زمین وصل کنید (اصطلاحاً زمین‌شون کنید!).
- اگر منبع تغذیه استفاده شده سرج (Surge) ایجاد میکنه، یه دونه سرج ابزوربر (Surge Absorber) رو به منبع تغذیه وصل کنید تا این نوسانات یا سرج هارو جذب کنه.
- سیم ها رو با خطوط فشار قوی یا خطوط برق با هم سیم‌بندی نکنید و حتی اونا را در یک مسیر کنار هم قرار ندید. این میتونه باعث اختلال در عملکردشون به‌واسطه القای ایجاد شده، بشه.
- برای کاهش نویز، سیم‌کشی رو تا حد امکان کوتاه کنید.
- حواستون باشه که فشار ناشی از خم‌شدن یا کشیدن اجباری کابل، مستقیماً به محل اتصال کابل به سنسور یا در واقع همون اتصال الکتریکی، اعمال نمیشه.
دیگر احتیاط های لازم
- ترانسمیتر های فشاری که ما ارائه می‌کنیم فقط در جهت مصارف صنعتی تولید شدن!
- اگر چه درجه حفاظت (IP) برای سنسور شامل کابل، مشخص شده ولی انتهای کابل ضد آب نیست و تحت پوشش حفاظتی مشخص‌شده هم قرار نمی‌گیره. بنابراین، هیچ‌وقت آب نباید از انتهای کابل به داخلش نفوذ کنه.
- حتماً در محدوده فشار نامی ترانسمیتر استفاده کنید.
- به دیافراگم سنسور نباید فشاری بیش از فشار نامیش وارد بشه چون که دیافراگم آسیب میبینه و دیگه ترانسمیتر عملکرد صحیحی نخواهد داشت.
- ترانسمیتر نباید در معرض گرد و غبار، کثیفی و بخار قرار بگیره!
- مراقب باشید که سنسور در تماس مستقیم با آب، روغن، گریس یا حلال‌های آلی مانند تینر و غیره قرار نگیره.
- سیم ها یا هرچیز باریک دیگه‌ای رو به پورت فشار وارد نکنید! دیافراگم آسیب میبینه و عملکرد سنسور مختل میشه.
- با کلید یا اجسام نوک تیز روی دکمه ها فشار و ضربه وارد نکنید.
آیا آماده‌ای تا کسب و کار خودت رو به سطحی بالاتر ارتقا بدی؟
پس همین الآن با ما تماس بگیر!
۰۹۱۰-۲۰۷-۱۰۸۷
- ارسال رایگان و فوری کالا درب کارخانه به سراسر نقاط ایران عزیزمان.
همچنین می‌تونی فرم زیر رو پر کنی تا کارشناسان ما در اسرع وقت باهات تماس بگیرن یا همین الآن، با یکی از کارشناسان بصورت آنلاین گفتگو کنی.
