۱. مقدمه
اصول عملکرد سنسورهای فشار؛ در صنایع مدرن، کنترل و اندازهگیری دقیق فشار سیالات یکی از الزامات حیاتی برای تضمین عملکرد ایمن و بهینهی فرآیندهاست. سنسورهای فشار (Pressure Transducers) ابزارهایی حیاتی هستند که فشار مکانیکی واردشده از سیالات گازی یا مایع را به سیگنال الکتریکی قابل اندازهگیری تبدیل میکنند. انتخاب فناوری مناسب سنسور، بر اساس نیازهای دقت، پاسخ فرکانسی، محدوده فشار و شرایط محیطی، نقش تعیینکنندهای در کارایی سیستمهای صنعتی دارد.
هستهی هر سنسور فشار، سلول اندازهگیری (Sensing Element) است. چهار فناوری اصلی در سلولهای اندازهگیری صنعتی عبارتند از:
- Strain Gauge
- Piezoelectric
- Capacitive
- Resonant
در ادامه، عملکرد تخصصی و صنعتی هر فناوری بررسی میشود.
۲. ساختار و عملکرد کلی سنسورهای فشار
سنسورهای فشار صنعتی معمولاً از اجزای زیر تشکیل شدهاند:
- دیافراگم (Diaphragm): المان مکانیکی حساس به فشار
- سلول اندازهگیری: تبدیل تغییر شکل مکانیکی به سیگنال الکتریکی
- مدار شرطیسازی سیگنال: شامل تقویتکننده، فیلتر و مبدل A/D در سنسورهای دیجیتال
- خروجی سیگنال: آنالوگ (mV/V، 4–20 mA، 0–10 V) یا دیجیتال (RS485، HART)
در کاربردهای صنعتی، انتخاب دیافراگم و سلول اندازهگیری تعیینکنندهی دقت، خطای طولانیمدت و پاسخ فرکانسی سنسور است.
۳. سلولهای Strain Gauge (کرنشسنج مقاومتی)؛ اصول عملکرد سنسورهای فشار
۳.۱ اصول عملکرد
Strain Gauge، تغییر مقاومت الکتریکی یک هادی یا نیمههادی را در اثر کرنش مکانیکی اندازهگیری میکند. فشار وارد بر دیافراگم باعث کرنش مکانیکی میشود که در نتیجه مقاومت کرنشسنج تغییر میکند.
[
\frac{\Delta R}{R} = GF \times \varepsilon
]
- ( \Delta R ): تغییر مقاومت
- ( R ): مقاومت اولیه
- ( GF ): ضریب حساسیت گیج
- ( \varepsilon ): کرنش مکانیکی
۳.۲ کاربرد صنعتی
کرنشسنجها در پل وتستون نصب شده و با مدارهای جبرانسازی دما، برای اندازهگیری دقیق فشارهای استاتیک و نیمهدینامیک در خطوط لوله، بویلرها و سیستمهای هیدرولیک صنعتی استفاده میشوند.
۳.۳ مزایا و محدودیتها
مزایا:
- دقت و تکرارپذیری بالا در فشارهای استاتیک
- مناسب برای محیطهای صنعتی مرطوب و پرارتعاش
- تکنولوژی بالغ و قابل اعتماد
محدودیتها:
- حساسیت به تغییرات دما و نیاز به جبرانسازی
- هزینهی بالاتر برای محدودههای فشار بسیار کم
۴. سلولهای Piezoelectric (پیزوالکتریک)
۴.۱ اصل فیزیکی
مواد پیزوالکتریک، مانند کوارتز یا سرامیکهای PZT، هنگام اعمال فشار مکانیکی، بار الکتریکی تولید میکنند. خروجی این سلولها با نرخ تغییر فشار (dP/dt) مرتبط است، بنابراین برای اندازهگیری فشارهای دینامیک و شوکهای سریع ایدهآل هستند.
۴.۲ کاربرد صنعتی
- اندازهگیری ضربه و شوک در توربینها و کمپرسورها
- نظارت بر ارتعاشات فشار در خطوط لوله با جریانهای ناپایدار
۴.۳ مزایا و محدودیتها
مزایا:
- پاسخ فرکانسی بسیار بالا (تا چند مگاهرتز)
- مناسب برای فشارهای گذرا و شوک مکانیکی
- خودتواندار (نیاز به منبع تغذیه ندارد)
محدودیتها:
- عدم توانایی اندازهگیری فشار استاتیک بلندمدت
- نیاز به تقویتکنندههای مخصوص (Charge Amplifier)
۵. سلولهای Capacitive (خازنی)
۵.۱ اصل عملکرد
اصول عملکرد سنسورهای فشار؛ در سنسورهای خازنی، دیافراگم متحرک و الکترود ثابت یک خازن تشکیل میدهند. فشار واردشده، فاصله بین صفحات را تغییر میدهد و ظرفیت خازن تغییر میکند:
[
C = \frac{\varepsilon A}{d}
]
- ( C ): ظرفیت
- ( A ): سطح صفحات
- ( d ): فاصله بین صفحات
۵.۲ کاربرد صنعتی
- اندازهگیری فشار کم و دقیق (Low Pressure / Differential Pressure) در پالایشگاهها و صنایع شیمیایی
- سیستمهای HVAC و اندازهگیری جریانهای گازی
۵.۳ مزایا و محدودیتها
مزایا:
- حساسیت بسیار بالا
- مصرف توان پایین
- مناسب برای سنسورهای مینیاتوری و MEMS
محدودیتها:
- حساسیت به رطوبت و آلودگی سطحی
- نیاز به مدارهای دقیق برای خطای کمتر از ۰.۱٪ FS
۶. سلولهای Resonant (رزونانسی)
۶.۱ اصل عملکرد
در فناوری رزونانسی، فشار وارد بر المان ارتعاشی، فرکانس رزونانس آن را تغییر میدهد. اندازهگیری فرکانس تغییر یافته، فشار را با دقت بالا تعیین میکند.
۶.۲ کاربرد صنعتی
- سیستمهای کالیبراسیون فشار
- اندازهگیری فشار در کاربردهای خلأ و صنایع دارویی
- سیستمهای با نیاز به پایداری بلندمدت بالا
۶.۳ مزایا و محدودیتها
مزایا:
- دقت و پایداری طولانیمدت بسیار بالا
- خروجی فرکانسی، مقاوم در برابر نویز
- مناسب برای کاربردهای مرجع و استاندارد
محدودیتها:
- هزینهی بالا
- ساختار پیچیده و نیاز به تولید دقیق
۷. مقایسه فناوریها؛ اصول عملکرد سنسورهای فشار
| فناوری | دقت | فشار استاتیک | فشار دینامیک | کاربرد صنعتی | هزینه |
|---|---|---|---|---|---|
| Strain Gauge | بالا | عالی | خوب | خطوط لوله، بویلر | متوسط |
| Piezoelectric | متوسط | ضعیف | عالی | ارتعاش، شوک | متوسط |
| Capacitive | بسیار بالا | عالی | متوسط | پالایشگاه، HVAC | متوسط |
| Resonant | بسیار بالا | عالی | خوب | کالیبراسیون، خلأ | بالا |
۸. جمعبندی
اصول عملکرد سنسورهای فشار؛ انتخاب فناوری سنسور فشار باید با توجه به نوع سیال، محدوده فشار، شرایط محیطی، دقت مورد نیاز و پاسخ فرکانسی انجام شود. در صنایع مدرن، ترکیب دقیق سلولهای اندازهگیری با مدارهای الکترونیک و سیستمهای کنترل، کلید اطمینان از عملکرد پایدار و ایمن خطوط تولید است.
در راستای ارتقای راهکارهای ابزار دقیق صنعتی، آدرین صنعت ابزار دقیق پارس ارائهدهندهی سنسورهای فشار با فناوریهای Strain Gauge، Piezoelectric، Capacitive و Resonant برای کاربردهای صنعتی پیشرفته میباشد.