پرشر ترانسدیوسر چیست و چگونه کار می کند؟

پرشر ترانسدیوسر یا ترانسدیوسر فشار از تجهیزات کلیدی در صنایع مختلف ازجمله نفت و گاز، پتروشیمی، خودروسازی، پزشکی و سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک است که برای اندازه گیری دقیق فشار سیالات به کار می رود. این دستگاه با تبدیل فشار به کنترل، امکان نظارت و کنترل‌ها را می‌کند و نوع فناوری استفاده می‌شود، می‌توان از اصول استرین گیج، پیزوالکتریک، خازنی یا مقاومت برای تغییر فشار بهره ببرد، که این امر، پایداری و قابلیت اطمینان بالای آن را در کاربردهای حساس می‌کند.

پرشر ترانسدیوسر چیست؟

پرشر ترانسدیوسر (Pressure Transducer) که به آن مبدل فشار نیز گفته می‌شود، یک دستگاه الکترومکانیکی است که وظیفه تبدیل فشار به یک الکتریکی را می‌تواند اندازه‌گیری و پردازش را بر روی کنترل داشته باشد.عملکرد اصلی یک پرشر ترانسدیوسر بر اساس فشار فشار وارد شده بر حسگر و تبدیل آن به ولتاژ، جریان یا سیگنال دیجیتال است که می‌تواند توسط سیستم‌های کنترلی و پردازشی مورد استفاده قرار گیرد.

اجزای اصلی پرشر ترانسدیوسر

یک پرشر ترانسدیوسر معمولاً شامل بخش های زیر است:

1.اتصالات مکانیکی و الکتریکی:
برای نصب در سیستم‌های مختلف و ارتباطی با سایر تجهیزات کنترلی.

2.دیافراگم (دیافراگم):
یک غشاء بسیار حساس که وظیفه دریافت فشار و تغییر شکل با آن را دارد. تغییر شکل دیافراگم با توجه به نوع حسگر داخلی، به یک سیگنال تبدیل می‌شود.

3.فشار سنسور (Pressure Sensor):
این بخش معمولاً شامل یک عنصر حسگر است که فشارها به تغییرات الکتریکی تبدیل می‌شوند. متداول‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در فشار حسگرها شامل:

• حسگرهای پیزوالکتریک (Piezoelectric): که بر اساس اثر پیزوالکتریک عمل کرده و تحت فشار، یک ولتاژ تولید می‌کنند.
• حسگرهای مقاومتی (Strain Gauge): که از تغییرات الکتریکی برای تشخیص فشار استفاده می‌کنند.
• حسگرهای خازنی (خازنی): که با تغییر وضعیت خازنی از فشار کار می‌کنند.

4.مدار الکترونیکی پردازشگر:
شامل تقویت‌کننده‌ها، فیلترها و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال است که سیگنال‌های خام تولید شده توسط حسگر را تقویت و پردازش می‌کند تا برای سیستم‌های کنترلی و نمایشگرهای قابل استفاده باشد.

5.خروجی‌های خروجی (Electrical Output):
بسته به نوع کاربرد، خروجی‌های زیر را می‌توان در یکی از قالب‌ها قرار داد:

• ولتاژی (0-5V، 0-10V و …)
• جریانی (4-20mA)
• دیجیتال (RS485، Modbus، CAN و …)

ما در این مقاله در رابطه با ترانسدیوسر چیست؟ صحبت کرده و به بررسی عملکرد،انواع و کاربردهای ترانسدیوسر پرداخته ایم.

اصول عملکرد پرشر ترانسدیوسر

1. دریافت فشار توسط دیافراگم

مکانیزم اولیه حسگر فشار

پرشر ترانسدیوسر معمولاً دارای یک دیافراگم حساس به فشار است که بسته به میزان فشار اعمال‌شده، دچار تغییر شکل (Deformation) می‌شود. این دیافراگم معمولاً از جنس فولاد ضدزنگ (Stainless Steel)، سیلیکون، سرامیک یا تیتانیوم ساخته می‌شود تا مقاومت مکانیکی و شیمیایی بالایی داشته باشد.

تأثیر فشار بر دیافراگم:

• اگر فشار افزایش یابد، دیافراگم به سمت داخل خم می‌شود.
• اگر فشار کاهش یابد، دیافراگم به حالت اولیه خود بازمی‌گردد.
• میزان تغییر شکل دیافراگم متناسب با مقدار فشار اعمال‌شده خواهد بود.

2. تبدیل تغییرات مکانیکی به تغییرات الکتریکی

پس از تغییر شکل دیافراگم، این تغییر باید به یک سیگنال الکتریکی تبدیل شود. این کار توسط یکی از حسگرهای فشار که بر روی دیافراگم یا نزدیک آن قرار دارد، انجام می‌شود.

انواع روش‌های تبدیل تغییرات مکانیکی به تغییرات الکتریکی:

1. حسگر مقاومتی (Strain Gauge Pressure Sensor)
   • در این روش، تغییر شکل دیافراگم باعث تغییر در مقاومت یک مدار پل وتستون (Wheatstone Bridge) می‌شود.
   • این تغییر مقاومت، یک تغییر ولتاژ متناسب با فشار ایجاد می‌کند.
   • معمولاً برای دقت بالا و کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.
2. حسگر خازنی (Capacitive Pressure Sensor)
   • دیافراگم و یک صفحه ثابت، دو صفحه یک خازن را تشکیل می‌دهند.
   • با تغییر فاصله بین این صفحات (در اثر تغییر شکل دیافراگم)، ظرفیت خازن تغییر می‌کند.
   • تغییرات ظرفیت به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود که متناسب با فشار است.
   • این حسگرها در کاربردهای پزشکی و اندازه‌گیری فشارهای پایین استفاده می‌شوند.

خواندن این مقاله را از دست ندهید:سنسور خازنی چیست؟ وانواع سنسورهای خازنی کدامند؟

1. حسگر پیزوالکتریک (Piezoelectric Pressure Sensor)
   • کریستال‌های پیزوالکتریک مانند کوارتز تحت فشار، یک ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند.
   • این ولتاژ متناسب با میزان فشار اعمال‌شده است.
   • بیشتر در کاربردهای دینامیکی، مانند سیستم‌های لرزش‌سنج و فشارهای متغیر سریع، استفاده می‌شود.
2. حسگر سیلیکونی میکرومکانیکی (MEMS – Microelectromechanical Systems)
   • از فناوری نیمه‌هادی‌ها برای اندازه‌گیری تغییر شکل‌های بسیار کوچک استفاده می‌کند.
   • در تجهیزات پزشکی، الکترونیک دقیق و سیستم‌های کنترلی خودکار به کار می‌رود.

3. پردازش و اصلاح سیگنال

سیگنال تولیدشده توسط حسگر فشار معمولاً ضعیف و دارای نویز است، بنابراین قبل از ارسال به سیستم کنترلی، باید پردازش شود. این کار توسط مدارهای الکترونیکی انجام می‌شود.

مراحل پردازش سیگنال:

1. تقویت سیگنال (Amplification):
   • سیگنال تولیدی توسط حسگر معمولاً در محدوده میلی‌ولت است.
   • تقویت‌کننده‌ها (Operational Amplifiers) این سیگنال را به سطح قابل استفاده تبدیل می‌کنند.
2. فیلترینگ نویز (Noise Filtering):
   • سیگنال ممکن است شامل نویز الکترومغناطیسی باشد که باید حذف شود.
   • فیلترهای پایین‌گذر (Low-Pass Filters) و روش‌های پردازش سیگنال دیجیتال برای این منظور به کار می‌روند.
3. جبران‌سازی دمایی (Temperature Compensation):
   • تغییرات دما می‌تواند بر عملکرد حسگر فشار تأثیر بگذارد.
   • سنسورهای دما و الگوریتم‌های اصلاح، اثر دما را کاهش می‌دهند.
4. تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC – Analog to Digital Conversion):
   • در مدل‌های دیجیتال، سیگنال آنالوگ به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌شود تا پردازش دقیق‌تری روی آن انجام شود.

4. تولید و ارسال سیگنال خروجی

سیگنال پردازش‌شده باید به یک قالب استاندارد تبدیل شود تا بتواند توسط تجهیزات کنترلی و نمایشگرها مورد استفاده قرار گیرد.

انواع خروجی سیگنال پرشر ترانسدیوسر:

1. خروجی آنالوگ:
   • ولتاژی: (0-5V، 0-10V، 1-5V و …)
   • جریانی: (4-20mA) که برای ارسال داده در فواصل طولانی مناسب‌تر است.
2. خروجی دیجیتال:
   • RS485 (Modbus RTU)
   • CAN Bus
   • I²C، SPI
   • این نوع خروجی‌ها برای ارتباط با سیستم‌های پردازش دیجیتال و شبکه‌های صنعتی استفاده می‌شوند.

5. انتقال داده به سیستم کنترلی و مانیتورینگ

سیگنال خروجی پرشر ترانسدیوسر برای موارد زیر استفاده می‌شود:

• کنترل فرآیند صنعتی: تنظیم فشار در سیستم‌های هیدرولیکی، پنوماتیکی، و خطوط تولید.
• نمایش و مانیتورینگ: نمایش فشار در نمایشگرهای دیجیتال یا آنالوگ.
• اتصال به PLC یا میکروکنترلر: برای پردازش خودکار در سیستم‌های صنعتی و هوشمند.
• ارسال داده به سیستم‌های اینترنت اشیا (IoT): مانیتورینگ از راه دور در کاربردهای مدرن.

انواع پرشر ترانسدیوسر

پرشر ترانسدیوسرها بر اساس نوع مرجع فشار مورد استفاده برای اندازه‌گیری، به چندین دسته مختلف تقسیم می‌شوند. این دسته‌بندی مشخص می‌کند که فشار اندازه‌گیری‌شده بر اساس چه مرجعی (مانند فشار اتمسفر، فشار مطلق یا اختلاف فشار بین دو نقطه) سنجیده می‌شود. در ادامه، انواع پرشر ترانسدیوسرها با توضیحات دقیق و جامع بررسی شده‌اند.

۱. پرشر ترانسدیوسر گیج (Gauge Pressure Transducer)

پرشر ترانسدیوسر گیج یکی از متداول‌ترین انواع سنسورهای فشار است که فشار را نسبت به فشار اتمسفری محیط اندازه‌گیری می‌کند. به عبارت دیگر، مقدار فشار اندازه‌گیری‌شده نشان‌دهنده میزان فشار اضافی یا کمبود فشار نسبت به اتمسفر اطراف است.

دیافراگم حسگر که به تغییرات فشار حساس است، در اثر اعمال فشار تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل توسط المان حسگر (مانند استرین گیج، حسگر خازنی یا حسگر پیزوالکتریک) به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.

این سنسور دارای یک منفذ در بدنه خود است که به محیط باز بوده و فشار داخلی آن را با فشار اتمسفری هماهنگ می‌کند. در نتیجه، مقدار فشار خروجی، فشار نسبی سیال نسبت به محیط را نشان می‌دهد. مقدار صفر در شرایطی که فشار سیال برابر با فشار محیط باشد، تولید می‌شود. اگر فشار بالاتر از فشار محیط باشد، مقدار خروجی مثبت و اگر فشار کمتر از فشار محیط باشد، مقدار خروجی منفی خواهد بود.

فرمول فشار گیج

Pgauge=Pabsolute−PatmP_{gauge} = P_{absolute} – P_{atm}

که در آن:

• PgaugeP_{gauge} فشار گیج است.
• PabsoluteP_{absolute} فشار مطلق سیال است.
• PatmP_{atm} فشار اتمسفری محیط است.

ویژگی‌ها

• مقدار خروجی صفر در شرایط فشار محیطی طبیعی
• امکان نمایش فشار مثبت و فشار منفی (خلأ جزئی)
• دقت بالا در سیستم‌هایی که نیاز به اندازه‌گیری فشار نسبت به اتمسفر دارند

کاربردها

• اندازه‌گیری فشار در سیستم‌های هیدرولیکی و پنوماتیکی
• سنجش فشار در صنایع خودروسازی مانند اندازه‌گیری فشار روغن موتور، فشار ترمز و باد تایر
• پایش و مانیتورینگ فشار در مخازن ذخیره معمولی
• اندازه‌گیری فشار در سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی

کلیک کنید:گیج فشارچیست؟انواع|عملکرد|نحوه نصب

۲. پرشر ترانسدیوسر مطلق (Absolute Pressure Transducer)

پرشر ترانسدیوسر مطلق فشار را نسبت به خلأ کامل اندازه‌گیری می‌کند. در این نوع سنسور، مقدار فشار خروجی کاملاً مستقل از تغییرات فشار اتمسفری محیط است و همواره مقدار مطلق فشار سیال را نشان می‌دهد.

درون این سنسور، یک محفظه مهر و موم‌شده با فشار کاملاً صفر (خلأ کامل) قرار دارد. دیافراگم حسگر، تغییرات فشار سیال را حس کرده و مقدار مطلق فشار را گزارش می‌دهد. مقدار صفر نشان‌دهنده خلأ کامل است و هر مقدار بالاتر از آن نشان‌دهنده فشار مطلق است.

فرمول فشار مطلق

Pabsolute=Pgauge+PatmP_{absolute} = P_{gauge} + P_{atm}

ویژگی‌ها

• مقدار صفر معادل خلأ کامل
• عدم حساسیت به تغییرات فشار محیطی
• مناسب برای کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری فشار مستقل از فشار محیط دارند

کاربردها

• کنترل فشار در سیستم‌های خلأ صنعتی
• اندازه‌گیری فشار در صنایع هواشناسی و فشار بارومتریک
• استفاده در صنایع فضایی و هوانوردی برای اندازه‌گیری فشار در ارتفاعات بالا
• پایش فشار در سیستم‌های بسته گازی

۳. پرشر ترانسدیوسر تفاضلی (Differential Pressure Transducer)

پرشر ترانسدیوسر تفاضلی اختلاف فشار بین دو نقطه مجزا را اندازه‌گیری می‌کند. این مدل دارای دو پورت ورودی است که به نقاط مختلف متصل شده و اختلاف فشار را محاسبه می‌کند.

دو ورودی سنسور به دو نقطه مختلف در سیستم متصل می‌شوند که یکی از آن‌ها به فشار بالاتر و دیگری به فشار پایین‌تر اختصاص دارد. دیافراگم حسگر، اختلاف فشار بین این دو نقطه را حس کرده و مقدار آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

فرمول فشار تفاضلی

Pdiff=P1−P2P_{diff} = P_1 – P_2

ویژگی‌ها

• قابلیت اندازه‌گیری اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف
• حساسیت بالا به تغییرات کوچک فشار
• قابلیت استفاده در سیستم‌های دینامیکی

کاربردها

• اندازه‌گیری جریان سیال در لوله‌ها بر اساس اصل برنولی
• کنترل اختلاف فشار در فیلترها برای تعیین زمان تعویض فیلتر
• اندازه‌گیری سطح مایعات در مخازن بسته

جهت آشنایی با کنترل سطح فشار یا تفاضلی و انواع روش های کنترل فشار کلیک کنید.

۴. پرشر ترانسدیوسر مرکب (Compound Pressure Transducer)

پرشر ترانسدیوسر مرکب قادر به اندازه‌گیری هر دو فشار مثبت و منفی (خلأ جزئی) نسبت به فشار اتمسفری محیط است. این سنسور در سیستم‌هایی که فشار نوسانی دارند، استفاده می‌شود.

ویژگی‌ها

• اندازه‌گیری فشار در دو محدوده مثبت و منفی
• مناسب برای سیستم‌هایی که فشار آن‌ها به‌طور مداوم تغییر می‌کند

کاربردها

• اندازه‌گیری فشار در پمپ‌های وکیوم و کمپرسورها
• پایش فشار در سیستم‌های تهویه و کنترل HVAC
• کنترل فشار در سیستم‌های تغییر فاز

۵. پرشر ترانسدیوسر مهر و موم‌شده (Sealed Gauge Pressure Transducer)

پرشر ترانسدیوسر مهر و موم‌شده مشابه نوع گیج است، اما به‌جای استفاده از فشار اتمسفری محیط، از یک مرجع فشار داخلی که به‌طور دائم در مقدار ثابتی تنظیم شده (معمولاً فشار اتمسفری سطح دریا) استفاده می‌کند.

ویژگی‌ها

• دقت بالا در محیط‌هایی که فشار محیط متغیر است
• مناسب برای کاربردهایی که نیاز به مرجع فشار ثابت دارند

کاربردها

• اندازه‌گیری فشار در محیط‌های مرتفع یا زیر آب
• استفاده در صنایع هوافضا و دریایی
• پایش فشار در سیستم‌هایی که در ارتفاعات مختلف کار می‌کنند

کاربردهای پرشر ترانسدیوسر

جدول کاربردهای پرشر ترانسدیوسر در صنایع مختلف

مشاوره خرید:

برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با خرید محصولات می‌توانید با شماره تلفن‌های زیر تماس بگیرید: