خدمات

ساخت و تولید

طراحی و مهندسی

اصول و مبانی ابزاردقیق: بخش هشتم – مبدل های سیالات (1)

مبدل هاي سیالات (Fluid Transducer)

مبدل های سيالات بر اساس نوع پارامتر قابل اندازه گيري، به سه دسته تقسيم مي شوند:

فشار
سطح
جريان

كارخانه هایی كه با هر نوعي از سيالات، در موادی که استفاده می کنند؛ سرو كار دارند، بايد توان اندازه گیری حداقل يكي از اين سه پارامتر را داشته باشند. مبدل های سيالات در كارخانه های تولید مواد غذايي، دارويي، بهداشتي، شيميايي و در تمامي مراحل توليد نفت (از مرحله اكتشاف در ابتدا، حفر چاه، تلمبه، خطوط انتقال و تصفيه و فروش در انتها)، کاربردهای بسیار گوناگونی دارند.

مشاهده پارامترهاي مختلف و كنترل تمامي موتورها (Engines) به کار گرفته شده در سیستم، متكي به وجود مبدل های سيالات مي باشد. تمامي سيستم هاي هيدروليك كه در صنعت اتوماسيون و خطوط توليد به كار گرفته می شوند؛ نيازمند كنترل فشار، جريان و سطح مي باشند. مبدل های سيالات به صورت بسیار گسترده اي در تمامي صنايع جهان، مورد استفاده قرار می گیرد.

مبدل هاي فشار (Pressure Transducers)

فشار به صورت “نيروي ايجاد شده توسط يك سيال که به سطحی مشخص وارد می گردد”؛ تعریف می شود. بنابراين واحد آن به صورت نيرو بر واحد سطح، بیان شده است. که طبق معمول، نسبت به يك مرجع اندازه گيري مي شود. در واقع همه اندازه گیری های مبتنی بر فشار، به دو ورودی نیاز دارند. یکی برای اندازه گیری فشار مورد نظر و دیگری برای اندازه گیری فشار مرجع.

فشار مرجع (Reference Pressure)

فشار مرجع مي تواند به صورت خلاء كامل باشد. در خلاء كامل، فشار صفر است. بنابراين فشار اندازه گيري شده نسبت به خلاء، “فشار مطلق” (Absolute Pressure) ناميده مي شود. مبدل فشار به گونه اي طراحي شده که در اين حالت، دارای یک محفظه خلاء كامل و جدا از محيط بيرون می باشد.
روشی دیگر در توصیف فشار، استفاده از “فشار نسبی” (Gauge Pressure) مي باشد. “فشار گیج”، فشار را نسبت به فشار محيط، اندازه گيري مي كند. در اين نوع فشار سنج ها، محفظه مرجع با فضاي بيرون ارتباط كامل دارد.
از اندازه گيری های فشار، این امکان فراهم است که ورودی فشار مرجع، به فشار مورد نظر خود به عنوان فشار مرجع متصل شود. از آن جا كه اختلاف فشار بین دو نقطه از یک سيستم در بسیاری از اندازه گیری ها در سیستم های کنترلی، دارای اهمیت می باشد؛ “فشارسنج اختلافي” (Differential Pressure)، تعریف می شود که پر کاربردترین دستگاه های سنجش فشار در سیستم، می باشد.
فشار در انتهاي يك ستون از مايع، بستگي به ارتفاع آن ستون و چگالي مايع دارد:

که در آن …

– p : چگالي مايع

– g : ثابت تبديل جرم به وزن cm/s² 981

– h : ارتفاع ستون مايع

به اين فشار، “فشار سر” (Pressure Head) مي گويند.

واحدهای فشار

همان گونه که در مطلب قبل اشاره شد؛ فشار از راه وارد شدن نيرو بر واحد سطح، محاسبه می شود. واحدهای گوناگونی دارد:

در سيستم متريك به صورت نيوتن بر متر مربع (N/m²) استكه به پاسكال (Pa) نیز شناخته مي شود.
واحد انگليسي فشار، پوند بر اينچ مربع (lb/in.²) است كه به صورت اختصار، آن را با (psia) براي فشار مطلق و (psig) براي فشار گيج يا (psid) براي فشار تفاضلي نشان مي دهند. براي تبديل خواهيم داشت:

ارتفاع ستون جيوه يا آب نيز بيان گر نوعی فشار مشخص است كه به عنوان واحد اندازه گيري فشار مورد استفاده قرار می گیرد:

“فشار سر” ايجاد شده توسط يك ميلي متر جيوه نيز Torr ناميده مي شود. اين واحد به صورت گسترده اي در اندازه گيري فشار خلاء به كار گرفته می شود:

به این علت كه آب، چگالي كم تري نسبت به جيوه دارد، “فشار سر” كم تري نیز ايجاد مي كند:

فشار استاندارد اتمسفري به نام “ارتفاع از سطح دريا” معروف است:

فشار “بارومتر“ي با واحد بار (bar) يا ميلي بار (millibar) اندازه گيري مي شود:

روابط مربوط به واحدهاي ارائه شده، در جدول زير خلاصه شده است:

شکل (1). واحدهای گوناگون فشار

انواع مبدل فشار

به صورت کلی، مبدل های فشار، صورتی از وسايل مكانيكي را به کار می گیرند که به طور نسبي، با فشار اعمالي، كشش پيدا كنند. تنش سنج، LVDT، پتانسيومتر، اندوكتانس متغير يا خازن، اين كشش و در اصل جا به جايي را به سيگنال الكتريكي تبديل مي كنند.

1. تنش سنج

در یکی از دسته های اصلي مبدل هاي فشار، از ديافراگمی كه در برابر فشار، قابليت ارتجاعي داشته و به يك كرنش سنج متصل است؛ استفاده مي شود. اين ديافراگم مي تواند از جنس فولاد يا سيليكون بوده و كرنش سنج نيز از جنس شبكه فويل يا يك نيمه هادي باشد. فشاری که به ديافراگم وارد می شود؛ تغيير يا انحرافی كوچك در آن ايجاد می کند که اين تغيير توسط كرنش سنج آشكار مي گردد. مي توان از چهار کرنش سنج (يا دو كرنش سنج به همراه دو مقاومت ثابت ديگر) در پل وتستون استفاده نمود. شكل زير يك ديافراگم و یک كرنش سنج را نشان مي دهد:

شکل (2). مبدل فشار تنش سنج – ديافراگم و كرنش سنج

مقاومت تفاضلی با اعمال ولتاژی ثابت به پل، محاسبه می شود. انحراف دیافراگم منجر به تولید یک خروجی آنالوگ (میلی ولت) می گردد که متناسب با فشار است. مقاومت هاي ثابت نیز براي تكميل پل استفاده می شوند. در اين حالت، جبران حرارتي و تعادل صفر براي دستيابي به دامنه ای كامل، باید صورت پذيرد. چون خروجي اين نوع مبدل ها به طور معمول در حدود چند ميلي ولت است؛ در نتیجه، سيگنال خروجي قطعا باید تقويت شود. به همين علت در برخي از مبدل هاي فشار، مدارات داخلي یا خارجی براي تقويت سيگنال و پردازش آن به کار گرفته می شود.

گيج هاي نيمه هادي داراي دقت و كارآيي به نسبت خوبي هستند. در آن ها از ويفر خالص سيليكون با تکنولوژی ساخت خاص استفاده می شود. سیلیکون ماده ای مناسب برای دریافت نیروی وارد شده می باشد. سيليكون هرگز به صورت دائمي كشش پيدا نمي كند و با حذف نیرو به حالت اول خود باز مي گردد.

در اين نوع مبدل ها، سيم هايي از جنس طلا، به دليل رسانایی بالا و ضريب مقاومتي ثابت به انتهاي كرنش سنج متصل مي گردد.كرنش سنج هاي فويل فلزي و يا نيمه هادي به روش ريختگي بر روي يك ديافراگم فلزي كه ضخامت آن، ميزان رنج فشار را تعيين مي كند؛ قرار مي گيرند. مواد به كار رفته در بدنه مبدل و ديافراگم بايستي داراي ضريب حرارتي یکسانی باشند تا در مقابل تغيير دماي محيط كرنش حرارتي ايجاد نگردد.

در صورت استفاده از ديافراگم از نوع (Piezoresistive) و ديفيوز نمودن كرنش سنج نيمه هادي در آن، حساسيت يا گيج فاكتور بالاتری (تقريباً 100 برابر) خواهيم داشت. شكل زير مقطع يك مبدل فشار “پيزورزيستيو” رانشان مي دهد:

شکل (3). مبدل فشار تنش سنج – پيزورزيستيو (Piezoresistive)

2. خازنی

از دیگر روش های اندازه گیری فشار به جای اندازه گیری کرنش در دیافراگم، می توان از روش های جا به جایی ایجاد شده ناشی از فشار استفاده نمود.

مثال: با به کار بردن یک صفحه خازن بر روی دیافراگم، با تغییر وضعیت دیافراگم، مقدار خازن نیز تغییر می کند. شکل زیر یک نمونه مبدل فشار خازنی را نشان می دهد:

شکل (4). یک نمونه مبدل فشار خازنی (Capacitive Pressure Transducer)

3. جا به جایی

از جمله تکنیک هایی که فشار را به جا به جایی تبدیل می کند، مبدل های جا به جایی هستند که می توان روش هاي گوناگون را در شکل زیر نیز مشاهده کرد:

شکل (5). مبدل های جا به جایی (Displacement Transducer) با تکنیک های كپسول، بیلوز، لوله بردون، مارپيچ و فنري

به عنوان مثال، در روش لوله بردون مي توان با استفاده از يك LVDT، تغيير مكان را اندازه گيري نمود:

شکل (6). نمونه ای از فشارسنج لوله بردون- C وکپسول (LVDT)

4. پتاسیومتری

در فشارهاي بالاتر به نحوی كه فشار اعمال شده توان به چرخش در آوردن يك پتانسيومتر را داشته باشد؛ مي توان از پتانسيومتر نیز استفاده کرد:

شکل (7). نمونه ای از فشارسنج پتاسیومتری

در مبدل هاي فشار، مشخصات استاتيكي مشتركي وجود دارد كه ارتباطی به روش اندازه گيري فشار ندارد. این مشخصات عبارت اند از: مقدار اوليه صفر، حساسيت به حرارت، غير خطي بودن، قابليت تكرار (دقت) و هيستريزيس.