5 عضو فعال یک خانواده صنعتی !

از اینجا شروع می کنم که ، همانطور که می دانید  سنسور فشار، ترانسدیوسر فشار، ترانسمیتر فشار و سوئیچ فشار اعضایی از یک خانواده هستند که تنها شباهتشان در فامیلی آنهاست ولی خصوصیاتی کاملا متفاوت دارند و هر کدام نیز در موارد خاصی به داد تجهیزات شما می رسند و بعضی از آنها شما را نسبت به برخی خطرات آگاه میکنند و از آسیب های احتمالی حفظ می کنند و گاهی می توانند از بروز برخی اشتباهاتی که منجر به عیب در سیستم شما می شوند نیز جلوگیری کنند.

حال سوال اینجاست که چگونه می توان تفاوت های میان آنها راتشخیص داد؟

ما در این مقاله به شما کمک می کنیم این اعضای فعال را که شامل سنسور فشار، ترانسدیوسر فشار، ترانسمیتر فشار، سوئیچ فشار و گیج فشار هستند معرفی کرده و همچنین خصوصیات و ویژگی ها، تفاوت ها و مزیت های هر کدام نسبت به یکدیگر را بیان کنیم.

1. سنسور فشار (Pressure sensor):

اصطلاح “سنسور فشار” را می توان یک توصیفی کلی برای هر تجهیزی در نظر گرفت که کمیت فشار را اندازه گیری کرده و خروجی مناسبی را در پاسخ به آن ارائه می دهد. به عبارت دیگر سنسور فشار به تجهیزی گفته می شود که فشار را اندازه گیری کرده و آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

به طور کلی سنسور فشار یک اصطلاح فراگیر است که شامل تمام ترانسدیوسرهای فشار، ترانسمیترهای فشار و سوئیچ های فشار می شود. همه ترانسدیوسرها، ترانسمیترها و سوئیچ های فشار، نوعی سنسور فشار هستند اما همه سنسورهای فشار، ترانسدیوسر، ترانسمیتر یا سوئیچ فشار نیستند.

2. ترانسدیوسر فشار (Pressure transducer):

ترانسدیوسر فشار، یک تجهیز الکترومکانیکی است که مقادیر فشار را به یک سیگنال ولتاژی تبدیل می کند. این ولتاژ خروجی می تواند در حد چند میلی ولت یا چند ولت باشد. بنابراین به طور کلی ترانسدیوسرهای فشار به دو دسته تقسیم می شوند:

• ترانسدیوسر فشار با خروجی میلی ولت
• ترانسدیوسر فشار با خروجی ولتاژی

1-2. ترانسدیوسر فشار با خروجی میلی ولت (Millivolt-output pressure transducer):

همانطور که از نام آن ها پیداست ، این ترانسدیوسرها دارای سیگنال خروجی میلی ولت (mV) می باشند. همچنین سیگنال خروجی متناسب با منبع تغذیه است، برای مثال: یک منبع تغذیه 5 VDC با سیگنال خروجی10 mV/V ،  یک خروجی 0 – 50 میلی ولت بر روی سنسور ارائه می دهد. سنسورهای فشار استرین گیج (Strain gauge) نوع فویل قدیمی تر می توانند خروجی در حدود 2 – 3 mV/V تولید کنند، در حالی که سنسورهای MEMS امروزی می توانند خروجی 20 mV/V با میزان خطی بودن (linearity) خوب ارائه دهند. هر گونه تغییر در فشار با اندازه گیری تغییرات اندک در این ولتاژ تعیین می شود، که این نتیجه تغییرات ناچیز مقاومت (در حدود 0.1 %) در استرین گیج ها آن ها می باشد.

برخی از سیگنال های خروجی این دسته از ترانسدیوسر های فشار عبارتند از:

2 mV/V, 10 mV/V, 0 – 100 mV

شکل زیر یک سنسور فشار استرین گیج نیم پل را به همراه ولتاژ تحریک و ولتاژ خروجی آن نشان می دهد. یک ولتاژ تحریک بزرگتر )به عنوان مثال 10 ولت به جای 3 ولت(، ولتاژ خروجی بزرگتری تولید می کند.

طراحی مدار ساده یک ترانسدیوسر با خروجی میلی ولت به کم هزینه تر شدن و کوچک تر شدن اندازه محفظه سنسور کمک می کند و به طراحان این انعطاف پذیری را می دهد تا مدارهای رابط را متناسب با کاربرد های خاص خود طراحی کنند. با این حال، محدودیت های مختلفی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود.

از آنجا که محدوده کامل خروجی (Full-scale output) مستقیما متناسب با ولتاژ تحریک می باشد، ولتاژ تحریک معمولاً باید با استفاده از یک منبع تغذیه رگوله شده تولید شود.

علاوه بر این، به دلیل دامنه کم خروجی، ترانسدیوسرهای فشار با خروجی میلی ولت معمولاً برای استفاده در محیط های الکتریکی دارای نویز مناسب نیستند.

و از آنجا که ولتاژ خروجی در اثر وجود مقاومت در سیم های اتصال ضعیف می شود، این سیم ها باید با طول کوتاه انتخاب شوند، به این معنی که سنسور باید در فاصله ای نزدیک به ابزار دقیق نصب شود. معمولاً حداکثر فاصله کاربردی و مجاز حدود سه تا شش متر می باشد.

2-2. ترانسدیوسر فشار با خروجی ولتاژی (Voltage-output pressure transducer):

ترانسدیوسر با خروجی ولتاژی شامل تقویت کننده اضافی سیگنال به منظور افزایش ولتاژ خروجی پل به مقدار بزرگتر مانند 5 ولت یا 10 ولت می باشد.

ترانسدیوسر های با خروجی ولتاژی به دلیل داشتن یک خروجی ولتاژی بزرگتر، حساسیت کمتری نسبت به نویز دارند و قابل استفاده در محیط های الکتریکی سخت تر می باشند. همچنین می توان از سیمهای اتصال طولانی تری نیز استفاده نمود که به سنسور این قابلیت را می دهد تا در فاصله دور تری نسبت به پنل نصب گردد.

ولتاژ تغذیه آنها معمولاً 8 – 28 VDC می باشد که این موضوع امکان استفاده از منبع تغذیه رگوله نشده کم هزینه را فراهم می کند، به جز مواردی که خروجی ترانسدیوسرVDC  4.5 – 0.5 می باشد، که در این صورت به یک منبع تغذیه رگوله شده 5 VDC نیاز است. مصرف جریان پایین تر بدان معنی است که آنها همچنین برای تجهیزاتی که با باطری کار می کنند مناسب هستند.

ترانسدیوسرهای با خروجی ولتاژی قدیمی تر، “live zero” ندارند ، این بدین معنی است که وقتی آنها در فشار صفر قرار دارند سیگنالی تولید نمی کنند. خطر این امر این است که سیستم نمی تواند تفاوت بین یک سنسور خراب بدون خروجی و فشار صفر را تشخیص دهد.

برخی از سیگنال های خروجی این دسته از ترانسدیوسر های فشار عبارتند از:

0 – 5 VDC, 0 – 10 VDC, 1 – 5 VDC

3. ترانسمیتر فشار (Pressure transmitter):

ترانسمیتر فشار، تجهیز اندازه گیری فشاری است که دارای سیگنال خروجی جریانی می باشد. به عبارت دیگر ترانسمیتر فشار، ولتاژ خروجی سنسور را به یک سیگنال الکتریکی جریانی تبدیل می کند که معمولاً برای اتصال به لوپ جریانی استاندارد 4 – 20 mA طراحی شده و به طور گسترده در فرآیند های کنترلی صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

در مقابل ترانسدیورهای ولتاژی، ترانسمیترهای فشار، یک خروجی جریانی با امپدانس پایین دارند و معمولا برای انتقال سیگنال های 4 تا 20 میلی آمپر طراحی شده اند. خروجی آن ها ممکن است برای استفاده با لوپ جریانی ۲ سیمه یا حتی ۴ سیمه طراحی شود که از هر دو نوع به طور وسیعی در صنعت استفاده می شود.

ترانسمیترهای فشار 4 تا 20 میلی آمپر ایمنی نویز الکتریکی (Electrical noise immunity (EMI/RFI  خوبی را فراهم می کنند، که آن ها را برای انتقال سیگنال به فواصل طولانی ایده آل می نماید.

ترانسمیترها می توانند توسط منابع تغذیه رگوله نشده هم تغذیه شوند اما معمولا خروجی جریانی برای تجهیزاتی که با باطری تغذیه می شوند، هنگامی که با فشار کامل (حداکثر فشار کاری خود) عمل می کنند مناسب نیستند.

برخی از سیگنال های خروجی ترانسمیتر های فشار عبارتند از:

4 – 20 mA (دو سیمه)  

0 – 20 mA (سه سیمه)

نمودارهای زیر نشان می دهد که چگونه یک ترانسدیوسر با خروجی ولتاژی یا یک ترانسمیتر با خروجی جریانی می تواند به (PLC) متصل شود تا بر میزان فشار در تجهیز صنعتی معمولی یا برنامه های کنترل فرآیند نظارت کند.

تفاوت ترانسدیوسر و ترانسمیتر فشار:

ترانسدیوسر ها و ترانسمیتر های فشار دسته ای از سنسورهای فشار هستند که به طور گسترده در تجهیزات صنعتی و برنامه های کنترل فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند و معمولا در مشخصات خروجی با هم تفاوت دارند. به منظور کمک به انتخاب سنسور مناسب برای یک کاربرد مشخص، نقاط قوت و ضعف آنها به شرح زیر خلاصه می شود:

مزایا ترانسدیوسر فشار با خروجی میلی ولت:

• دارای کمترین هزینه
• مناسب برای مکان هایی که مسافت اتصال بین سنسور و پَنل می تواند کوتاه باشد و از نظر نویز مشکلی وجود نداشته باشد
• برای تغذیه پل به یک ولتاژ تحریک پایدار نیاز دارد (به عبارت دیگر به یک منبع تغذیه رگوله شده نیاز دارد تا از بروز نوسانات ولتاژ تحریک که بر خروجی تأثیر می گذارد، جلوگیری کند)

مزایا ترانسدیوسر با خروجی ولتاژی:

• دارای حساسیت کمتر نسبت به نویز در مقایسه با ترانسدیوسر با خروجی میلی ولت
• فاصله اتصال طولانی تر نسبت به ترانسدیوسر با خروجی میلی ولت و کوتاه تر نسبت به ترانسمیتر فشار
• توان مصرفی کمتر از ترانسمیتر فشار
• می تواند با ولتاژ تحریک پل رگوله نشده کار کند (الزاما به منبع تغذیه رگوله شده احتیاج ندارد)
• توان مصرفی پایین

مزایا ترانسمیتر فشار:

• قابل استفاده در همه محیط های صنعتی که نیازمند سیگنال جریانی 4 – 20 mA می باشند
• فاصله ارتباطی طولانی (تا چند صد متر)
• حساسیت کم نسبت به نویز
• دارای توان مصرفی بالاتر از انواع ترانسدیوسرها

4. سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) (Pressure switch) :

بر خلاف ترانسدیوسر و تراسنمیتر فشار که متناسب با تمامی تغییرات فشار یک سیگنال الکتریکی تولید می کنند، سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) تجهیزی است که قادر به تشخیص تغییرات در فشار سیال می باشد و دارای یک سوئیچ الکتریکی است که می تواند در یک فشار معین (نقطه Set point) یک کنتاکت الکتریکی را باز یا بسته نماید. به عبارت دیگر به محض اینکه فشار سیال از نقطه تنظیم (Set point) بیشتر یا کمتر شود (متناسب با نوع سوئیچ فشار)، سوئیچ تحریک شده وضعیت ها کنتاکت را از حالت باز (Normally open یا NO) به حالت بسته (Normally close یا NC) و یا برعکس تغییر می دهد.

نقطه تنظیم (Set point) می تواند به صورت یا ثابت یا قابل تنظیم (Adjustable) باشد.

به طور کلی دو نوع سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) وجود دارد:

• سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) الکترومکانیکی (Electromechanical)
• سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) حالت جامد (Solid-state)

4-1. سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) الکترو مکانیکی (Electromechanical pressure Switch):

پرشر سوئیچ های الکترومکانیکی معمولا از یک عنصر حسگر و یک سوئیچ الکتریکی سریع (snap-acting switch) تشکیل شده اند که در پاسخ به تغییرات فشار یک عملکرد مکانیکی مانند باز و بسته کردن یک کنتاکت از خود ارائه می دهند.

در طراحی پرشر سوئیچ های الکترومکانیکی از تکنولوژی های سنجش مختلفی استفاده می شود. بنابراین انواع پرشر سوئیچ های الکترومکانیکی عبارتند از:
پرشر سوئیچ دیافراگمی (Diaphragm pressure switch)
پرشر سوئیچ بوردون تیوب (Bourdon tube pressure switch)
پرشر سوئیچ پیستونی (Piston pressure switch)
پرشر سوئیچ پیستون دیافراگمی (Diaphragm piston (Dia-Seal Piston) pressure switch)
پرشر سوئیچ تفاضلی یا دیفرانشیل (Differential pressure switch)

4-2. سوئیچ فشار (پرشر سوئیچ) حالت جامد Solid-State Pressure Switch :

در سوئیچ های فشار حالت جامد، از همان فناوری موجود در ترانسمیتر های فشار آنالوگ، برای اندازه گیری تغییرات فشار استفاده می شود. با به¬کارگیری از یک دیافراگم فلزی مهر و موم و جوشکاری شده یا یک دیافراگم سرامیکی مهر و موم شده با اورینگ (O-ring) به همراه یک عنصر حسگر پیزومقاومتی مبتنی بر استرین گیج (Strain gage)، تغییرات فشار اندازه گیری می شود. در پرشر سوئیچ های حالت جامد از مدارات الکترونیکی داخلی به منظور فعال نمودن سوئیچ های حالت جامد (Solid-state) استفاده می شود.
سوئیچ های فشار حالت جامد ممکن است دارای یک یا چند نقطه سوئیچ باشند. آنها نه تنها کنتاکت های سوئیچ را باز و بسته می کنند بلکه می توانند شامل نمایشگرهای دیجیتال و انواع خروجی های آنالوگ یا دیجیتال باشند. اکثر مدلهای فعلی کاملاً قابل برنامه ریزی هستند و می توانند با یک PLC یا رایانه ارتباط برقرار کنند. سوئیچ های فشار حالت جامد در انواع گسترده ای رنج های فشار و پاسخ های فرکانسی مختلف موجود می باشند. آنها در برابر شوک و لرزش بسیار مقاوم اند و معمولا دارای درستی 0.25 % می باشند و در مقایسه با سوئیچ های فشار الکترومکانیکی ، طول عمر بسیار بیشتری دارند.

5. گیج فشار (پرشر گیج) Pressure gauge :

گیج فشار (پرشر گیج) یک تجهیز برای اندازه گیری و نمایش فشار سیالات (مایعات و گازها) می باشد. معمولا هنگامی که درباره پرشر گیج صحبت می کنیم به یاد گیج های آنالوگ عقربه ای با صفحه نمایش مدرج شده می افتیم. ولی در واقع به طور کلی گیج های فشار به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
• گیج فشار (پرشر گیج) آنالوگ (Analog Gauge)
• گیج فشار (پرشر گیج) دیجیتال (Digital Gauge)

5-1. گیج فشار (پرشر گیج) آنالوگ Analog Gauge :

گیج های فشار آنالوگ، که اغلب به آنها گیج مکانیکی یا گیج فشار عقربه ای نیز گفته می شود، از یک عقربه متحرک به منظور نمایش دادن میزان فشار ورودی بر روی یک صفحه نمایش مدرج شده استفاده می کنند. گیج های فشار آنالوگ تقریبا همه جا یافت می شود زیرا گزینه ای دقیق و ارزان قیمت را ارائه می دهد که به تغذیه و تعمیر و نگهداری احتیاجی ندارد.

مزیت های گیج فشار آنالوگ

بدون نیاز به منبع تغذیه

بدون نیاز به تعمیر و نگهداری

به اندازه کافی دقیق به منظور استفاده در سنجش های آزمایشگاهی

به اندازه کافی قابل اعتماد برای استفاده در فرآیندهای پیچیده

به اندازه کافی مستحکم به منظور استفاده در محیط های خشن صنعتی

به اندازه کافی ارزان برای استفاده های تجاری

اکثر گیج های فشار آنالوگ بر دو اصل اندازه گیری متکی اند:

• گیج فشار بوردون تیوبی (Bourdon Tube pressure gauge)
• گیج فشار بیلوز (Bellows pressure gauge)

5-2. گیج فشار (پرشر گیج) دیجیتال Digital Gauge :

گیج های فشار دیجیتال از سنسورها و ریز پردازنده های پیشرفته برای نمایش بسیار دقیق فشار بر روی یک نمایشگر دیجیتال استفاده می کنند. گرچه گیج های فشار دیجیتال به طور کلی گران تر از گیج های فشار آنالوگ هستند، اما ویژگی های جذابی به همراه دارند که آنها را برای کاربرد های متفاوت مناسب می سازد.

مزیت های گیج فشار دیجیتال

امکان پذیر نمودن خواندن راحت و سریع فشار

دارای رزولوشن بالا تا 0.01 یا 0.001 که آن ها را برای اندازه گیری فشار های بسیار پایین و تغییرات کوچک در فشار ایده آل می سازد. مانند آزمایش تست نشتی که تشخیص آن توسط گیج ها فشار آنالوگ غیر ممکن می باشد

قابل اعتمادتر بودن نسبت به گیج های فشار آنالوگ به دلیل دارا بودن قطعات متحرک کمتر

قابلیت برنامه ریزی شدن برای واحد های فشار چندگانه

دارای خروجی قابل انتقال به کامپیوتر، دیا لاگر و یا سایر تجهیزات به منظور تجزیه تحلیل و ذخیره سازی

اکثر گیج های فشار دیجیتال بر یکی از دو اصل اندازه گیری زیر متکی اند:

• استرین گیج (Strain gauge)
• پیزو الکتریک (Piezoelectric)

گرد آورنده : محمد رضا اعتدالی