مکانیک, مهندسی 8951 بازدید

در این مطلب در مورد اندازه‌گیری فشار بحث خواهد شد. بنابراین از مزایا، معایب و اصول اندازه‌گیری آن با استفاده از روش‌های مختلف مطلع می‌شوید. در ابتدا و قبل از آگاهی از مشخصه‌های حسگرهای فشار، بایستی در مورد شروط لازم به منظور اندازه‌گیری آن، اطلاعات داشته‌ باشید. مثلا در ابزارآلاتی که فشار را به صورت الکترونیکی و دقیق اندازه‌گیری می‌کنند، به بستری نیاز داریم تا تحریک الکتریکی در آن بدون اختلال انجام شود.

فشار چیست؟

فشار عبارت است از نیرو بر واحد سطحی که سیال به محیط اطراف خود وارد می‌کند. بنابراین می‌توان فرمول فشار را به صورت زیر بیان کرد:

P = F/A

دقت کنید که در این معادله نیروی وارد بر سطح عمود مد نظر است.

فشار

واحد اندازه‌گیری فشار در سیستم SI، پاسکال (N/m2) است. اما این واحد به شکل‌های دیگری نیز بیان می‌شود. این واحد‌ها شامل پوند بر اینچ مربع (psi)، اتمسفر (psi) و یا میلیمتر جیوه هستند. اندازه‌گیری فشار به دو صورت «فشار استاتیک» و «فشار دینامیک» انجام می‌پذیرد.

فشار استاتیک به مواردی گفته می‌شود که در آن سیال در حالت سکون باشد. در این مورد می‌توان به مثال‌هایی مانند فشار پشت سد و یا فشار درون بالون اشاره کرد. هم‌چنین معمولا سیال در حال حرکت، نیروی متفاوتی را (نسبت سیال ساکن) به اطراف خود وارد می‌کند. به عنوان مثال سیالی را در نظر بگیرید که در یک مخزن به صورت ساکن قرار گرفته و با استفاده از یک دریچه به نازلی متصل شده است. در این حالت سیال مد نظر فشاری را به دیواره‌های اطراف خود وارد می‌کند اما اگر این دریچه باز شود و سیال از طریق نازل تخلیه شود، فشار وارد شده به دیواره کمتر خواهد شد.

بنابراین بایستی دقت شود که دستگاه اندازه‌گیری در چه شرایطی فشار سیال را اندازه می‌گیرد. چرا که عواملی هم‌چون تراکم‌پذیری سیال و یا نیروهای خارجی می‌توانند در این اندازه‌گیری تاثیر‌گذار باشند.

توزیع فشار

روش‌های اندازه‌گیری فشار

اندازه‌گیری فشار بر مبنای روشی که در آن استفاده می‌شود، قابل توصیف است. سه روش معمول در اندازه‌گیری فشار، مطلق، فشار گیج و اختلاف فشار هستند. فشار مطلق، نسبت به فشار خلا اندازه‌گیری می‌شود؛ این در حالی است که فشار گیج یا اختلاف فشار، عددی از فشار، هم‌چون فشار اتمسفر و یا هر عدد دیگری را به عنوان مرجع قرار می‌دهد.

فشار مطلق

در این روش اندازه‌گیری فشار، عدد 0 پاسکال به عنوان مرجع اندازه‌گیری انتخاب می‌شود. این همان فشار استاتیک در یک محفظه خلا است. توجه شود که در فشار مطلق‌‌، اثر فشار جوی نیز مد نظر قرار خواهد گرفت. مفهوم این فشار به منظور اندازه‌گیری ارتفاع و یا اندازه‌گیری فشار جوی بسیار کاربرد دارد. معمولا از علامت «Paa» (مطلق پاسکال) یا «psi» (پوند بر اینچ مربع)، به منظور نشان دادن فشار مطلق استفاده می‌شود.

فشار گیج

فشار گیج، نسبت به فشار جوی بیرونی اندازه‌گیری می‌شود. لازم به ذکر است که در بیان فشار به این صورت، اثر فشار اتمسفر نیز در نظر گرفته‌ می‌شود. این نوع از بیان برای اندازه‌گیری فشار در اندازه‌گیری فشار خون و یا باد لاستیک خودرو کاربرد دارد. علامت اختصاری به منظور نشان دادن فشار گیج، «Pag» (گیچ پاسکال) و یا «psig» (پوند بر اینچ مربع) است.

اختلاف فشار

اختلاف فشار همانند فشار گیج است با این تفاوت که در آن از مرجع دیگری به منظور اندازه‌گیری استفاده می‌شود. از این فشار می‌توان به منظور محاسبه اختلاف فشار میان دو سیستم، مثلا اختلاف فشار میان کمپرسور و خط تغذیه آن استفاده کرد. علامت اختصاری به منظور نشان دادن این نوع از فشار، «Pad» (اختلاف پاسکال) یا «PSID» (پوند بر اینچ مربع) است.

روش‌های اندازه‌گیری فشار

حسگرهای اندازه‌گیری فشار به چه صورت کار می‌کنند؟

انواع مختلف حسگرهای فشار، وابسته به عواملی هم‌چون، شرایطی که در آن فشار اندازه‌گیری می‌شود، نرخ جریان اندازه‌گیری شده و نوع مواد استفاده شده در ساخت حسگر هستند. معمولا می‌توان فشار موجود در سیال را به سیگنال‌هایی مثل، جابجایی، نرخ کرنش، اختلاف دما و یا میزان خمیدگی یک تیر نسبت داد. در نتیجه حسگر، این سیگنال‌ها را به سیگنال‌هایی الکتریکی هم‌چون ولتاژ و یا جریان تبدیل خواهد کرد، بنابراین در انتها می‌توان مقدار فشار را به این سیگنال‌ها نسبت داد.

توجه داشته باشید که حسگرهای فشار به نحوی ساخته می‌شوند که مقادیر را در واحدهای مهندسی بیان کنند. معروف‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری فشار، مبتنی بر پل وتسون (مدل مبتنی بر کرنش)، مدل خازنی و پیزوالکتریک هستند.

مدل مبتنی بر نرخ کرنش

از بین تمامی فشارسنج‌های استفاده شده، مدل مبتنی بر پل وتسون [این مدل بر مبنای نرخ کرنش کار می‌کند.] به علت دقت بالاتر، مقرون به صرفه بودن و حجم کمتر، بیشترین استفاده را دارد. حسگرهای مبتنی بر نرخ کرنش، هر سه نوع فشار معرفی شده در بخش‌های قبل را می‌توانند اندازه‌گیری نمایند.

bridge-weatstone
مدل مبتنی بر نرخ کرنش

در این نوع از سنسور‌ها از کرنش‌سنج‌هایی استفاده می‌شود که، تغییرات حجمی و طولی مواد به کار رفته در حسگر را می‌سنجند و این تغییرات توسط پل وتسون به سیگنال ولتاژ تبدیل می‌شوند. نهایتا با استفاده از کالیبراسیون میان فشار و سیگنال ولتاژ، می‌توان فشار را اندازه‌گیری کرد.

به صورتی دقیق‌تر زمانی که فشار منجر به تغییر شکل دیافراگم شود، این تغییر شکل‌، منجر به تغییر مقاومت المان‌های الکتریکی می‌شود که در حسگر استفاده شده است. نهایتا تغییرات صورت گرفته توسط یک سیستم DAQ مانیتور خواهند شد. معمولا از فشار‌ سنج‌های مبتنی بر المان‌ سیلیکونی استفاده می‌شود. در این نوع از فشار سنج‌ها سیگنال فشار با استفاده از مقاومت‌هایی که روی برد قرار گرفته‌اند منتقل خواهد شد.

مدل خازنی

این مدل بر مبنای تغییر ظرفیت میان دیافراگمی فلزی و یک صفحه فلزی ساکن کار می‌کند. در واقع فشار مورد اندازه‌گیری باعث تغییر فاصله میان این دو صفحه خواهد شد و نهایتاً افزایش یا کاهش ظرفیت این سیستم در پی خواهد داشت.

ساختار فشارسنج خازنی

مدل پیزو

حسگر‌های مبتنی بر پیزو بر اساس خواص الکتریکی کریستال کوارتز کار می‌کنند. به طور کلی هر نوع تغییر فیزیکی (طولی و یا حجمی) در این نوع از حسگرها منجر به ایجاد سیگنالی الکتریکی خواهد شد. الکترودهای موجود در این حسگر وظیفه انتقال بارهای الکتریکی به سمت تقویت کننده را دارند. این سنسور‌ها نیازی به تحریک‌ کننده خارجی ندارند، اما هر نوع شوک فیزیکی و یا الکتریکی می‌تواند روی آن‌ها تاثیر‌گذار باشد.

سنسور مبتنی بر پیزو

چگونه مدل صحیح دستگاه اندازه‌گیری فشار را انتخاب کنیم؟

مرسوم‌ترین مدل‌های استفاده شده در اندازه‌گیری فشار، مدل مبتنی بر پل وتسون و پیزویی هستند. دلیل استفاده بیشتر از این مدل‌ها ساختمان ساده آن‌ها، هزینه کمتر و ایده‌آل برای استفاده در سیستم‌های کانالی بزرگ است. در حالت کلی از مدل مبتنی بر کرنش به منظور اندازه‌گیری فشارهای بالا (تا 700MP) استفاده می‌شود؛ هم‌چنین این مدل‌ها در دماهای کاری بیشتری نسبت به مدل پیزویی (200 درجه در مقابل 100 درجه) کار می‌کنند. اما مدل‌های سیلیکونی دارای حساسیت بالاتری هستند و هم‌چنین توانایی بیشتری در حالت اضافه بار از خود نشان می‌دهند.

در حالت کلی مدل‌های خازنی و پیزویی از پایداری بیشتری برخودار و هم‌چنین خطی هستند. اما نسبت به دما حساسیت بالاتری دارند و راه‌اندازی آن‌ها در سیستم‌های مکانیکی مشکل‌تر و دارای هزینه بیشتری است. سنسور‌های مبتنی بر پیزو از پاسخ سریعی در شناسایی فشار برخوردار هستند؛ بنابراین این نوع از سنسورها در اندازه‌گیری فشارهای ناگهانی، همچون فشار ناشی از انفجار بسیار مفید خواهند بود.

سنسورهای پیزو بر مبنای تغییر فیزیکی کار می‌کنند، بنابراین قیمت بالاتری نیز دارند، در نتیجه محافظت از هسته کریستالی آن‌ها بسیار مهم است.

بهینه‌سازی سیگنال حسگرهای فشار

می‌توان گفت، حسگرهای مبتنی بر پل وتسون با اختلاف، پرکاربردترین سنسورهای استفاده شده در صنعت هستند. بنابراین رعایت کردن چندین نکته به منظور بهینه‌سازی سیگنال خروجی این نوع از حسگرها ضروری است.

  • تحریک الکتریکی مدل پل وتسون
  •  انجام عمل حس کردن به صورت بی‌سیم و به منظور جلوگیری از ایجاد خطای ناشی از سیم‌های استفاده شده
  • تقویت سیگنال خروجی به منظور افزایش رزولوشن اندازه‌گیری و بهینه‌سازی نسبت سیگنال به نویز
  • فیلتر کردن نویزهای خارجی و فرکانس بالا
  • اعمال کردن اثر نویز در اندازه‌گیری
  • انجام کالیبراسیون و اعتبار سنجی با نتایجی که قبلا به‌ دست آمده است.

اگر مطالب ارائه شده برایتان مفید بوده است، احتمالا آموزش‌های زیر نیز می‌تواند برای شما کاربردی باشد.

^^

مجید عوض زاده (+)

«مجید عوض‌زاده»، فارغ‌ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.

بر اساس رای 11 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *