سنسور فشار سنج در مقابل سنسورهای فشار مطلق و دیفرانسیل: راهنمای فنی برای اتوماسیون صنعتی و کنترل فرآیند

سنسور فشار گیج (که به آن سنسور فشار نسبی نیز می گویند) وسیله ای است که فشار را نسبت به فشار اتمسفر محیط اندازه گیری می کند. این سنسور دارای یک پورت مرجع با تهویه است که به اتمسفر اطراف باز است. عنصر حسگر تفاوت بین فشار فرآیند اعمال شده به یک طرف دیافراگم و فشار اتمسفر اعمال شده به طرف دیگر را اندازه گیری می کند. هنگامی که فشار فرآیند برابر با فشار اتمسفر باشد، خروجی سنسور صفر است (0 psi، 0 بار، یا 0 کیلو پاسکال). هنگامی که فشار فرآیند بالاتر از اتمسفر (فشار مثبت) باشد، خروجی مثبت است. هنگامی که فشار فرآیند کمتر از اتمسفر باشد (فشار خلاء یا منفی)، خروجی منفی است. عنصر حسگر معمولاً یک دیافراگم میکروماشین کاری شده سیلیکونی پیزورزیستیو (MEMS) یا یک گیج فشار لایه نازک روی دیافراگم فلزی است. با تغییر شکل فشار دیافراگم، مقاومت پیزورزیستورها تغییر می کند و خروجی الکتریکی متناسب با فشار اعمال شده تولید می کند. سیگنال خروجی معمولاً به سطوح استاندارد صنعتی تقویت می شود: جریان حلقه 4-20 میلی آمپر، 0-5 VDC، 0-10 VDC، یا خروجی های دیجیتال (I2C، SPI، CAN bus). سنسورهای فشار سنج در هزاران کاربرد مورد استفاده قرار می گیرند: نظارت بر فشار سیستم هیدرولیک، سیستم های هوای فشرده، شبکه های توزیع آب، کنترل پمپ، اندازه گیری سطح مخزن (با اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک)، و کنترل های پنوماتیک. برای مشخصات فنی دقیق، متخصصان منبع یابی می توانند به آن مراجعه کنند سنسورهای فشار سنج صفحات محصول برای برگه های داده مواد و گزارش های آزمایشی.

تفاوت اساسی بین سنسورهای فشار سنج، مطلق و دیفرانسیل در فشار مرجع مورد استفاده برای اندازه گیری نهفته است. سنسورهای فشار گیج از فشار اتمسفر به عنوان مرجع استفاده می کنند. سنسور دارای یک محفظه تهویه یا یک پورت مرجع باز به هوا است. خروجی در فشار اتمسفر صفر است. سنسورهای گیج برای اکثر فرآیندهای صنعتی مناسب هستند زیرا اپراتورها به فشار نسبت به محیط (به عنوان مثال 100 psi بالای جو) اهمیت می دهند. سنسورهای فشار مطلق از یک محفظه مرجع خلاء مهر و موم شده (خلاء کامل، 0 psi مطلق) به عنوان مرجع استفاده می کنند. سنسور به اتمسفر تخلیه نمی شود. خروجی فقط در خلاء کامل صفر است. سنسورهای مطلق برای اندازه‌گیری فشار هوا، سنجش ارتفاع، و کاربردهایی که تغییرات فشار اتمسفر بر اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارد استفاده می‌شود (به عنوان مثال، آزمایش نشت ظروف مهر و موم شده، کنترل فشار کوره خلاء). سنسورهای فشار دیفرانسیل تفاوت بین دو فشار فرآیند (P1 - P2) را اندازه گیری می کنند. هیچ یک از این دو بندر به اتمسفر تخلیه نمی شوند. سنسورهای دیفرانسیل برای اندازه‌گیری جریان (با استفاده از صفحات روزنه)، نظارت بر فیلتر (افت فشار در یک فیلتر)، و اندازه‌گیری سطح مایع در مخازن بسته (تفاوت بین فشار پایین و فشار بخار بالا) استفاده می‌شوند. انتخاب بستگی به برنامه دارد. برای مخزن دارای تهویه، گیج صحیح است. برای مخزن آب بندی شده با فشار اتمسفر متغیر، ممکن است به دیفرانسیل نیاز باشد. برای اندازه گیری ارتفاع، مطلق مورد نیاز است. جدول زیر تفاوت های کلیدی را خلاصه می کند.

سنسورهای فشار سنج مدرن از فناوری MEMS (سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی) استفاده می‌کنند که ساختارهای مکانیکی میکروسکوپی را با مدارهای الکترونیکی روی یک تراشه سیلیکونی ادغام می‌کند. هسته سنسور فشار MEMS یک دیافراگم سیلیکونی میکروماشین شده است که معمولاً 5 تا 50 میکرومتر ضخامت دارد و با استفاده از فرآیندهای فوتولیتوگرافی و اچینگ ساخته می شود. پیزورزیستورها (مناطق سیلیکونی دوپ شده که در هنگام تنش تغییر مقاومت می دهند) در مکان های پر استرس (لبه ها و مرکز) به دیافراگم پخش می شوند. هنگامی که فشار وارد می شود، دیافراگم منحرف می شود و باعث ایجاد فشار در پیزورزیستورها می شود. تغییر مقاومت متناسب با فشار اعمال شده است. چهار پیزورزیستور در یک پیکربندی پل وتستون به هم متصل شده اند که تغییرات مقاومت را به سیگنال ولتاژ دیفرانسیل تبدیل می کند. سیگنال ولتاژ تقویت می شود، خطی می شود، دما جبران می شود و به فرمت خروجی مورد نظر (4-20 میلی آمپر، ولتاژ یا دیجیتال) توسط ASIC (مدار مجتمع ویژه برنامه) یا مدار تهویه سیگنال تبدیل می شود. تراشه MEMS بر روی یک بستر (سرامیک، PCB یا فلز)، با سیم متصل شده و با پوشش ژل یا دیافراگم جداکننده فولاد ضد زنگ برای سازگاری با رسانه ها محافظت می شود. مرجع گیج با تهویه قسمت پشتی تراشه MEMS (یا قسمت پشتی دیافراگم ایزوله) به جو از طریق یک سوراخ دریچه در محفظه حسگر به دست می آید. فناوری MEMS چندین مزیت را ارائه می دهد: اندازه بسیار کوچک (تراشه به اندازه 1 میلی متر در 1 میلی متر)، حساسیت بالا (میکروولت در محدوده پاسکال)، مصرف انرژی کم (میلی وات)، تکرارپذیری عالی و هزینه کم در حجم های بالا. برای محیط های صنعتی خشن (سیالات خورنده، دمای بالا)، تراشه MEMS ممکن است توسط یک دیافراگم فولادی ضد زنگ از محیط جدا شده و با روغن سیلیکون (سنسور فشار سنج پر از روغن) پر شود.

سنسورهای فشار گیج در طیف وسیعی از محدوده‌های فشار متناسب با کاربردهای مختلف صنعتی موجود هستند. محدوده فشار پایین (0-1 psi تا 0-15 psi، 0-0.07 بار تا 0-1 bar) برای نظارت بر فشار هوای HVAC، فشار دیفرانسیل اتاق تمیز و سیستم‌های پنوماتیکی کم فشار استفاده می‌شود. محدوده فشار متوسط ​​(0-50 psi تا 0-500 psi، 0-3.5 bar تا 0-35 bar) برای هیدرولیک صنعتی عمومی، توزیع آب، فشار تخلیه پمپ و کنترل فرآیند استفاده می شود. محدوده فشار بالا (0-1000 psi تا 0-10000 psi، 0-70 bar تا 0-700 bar) برای هیدرولیک تجهیزات سنگین، ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی، پرس‌های هیدرولیک و برش جت آب با فشار بالا استفاده می‌شود. محدوده خلاء یا ترکیب (14.7 psi تا 0 psi، 1 بار تا 0 بار) فشار منفی (خلاء) را برای نظارت بر مکش، بسته‌بندی خلاء و کاربردهای آزمایشگاهی اندازه‌گیری می‌کند. محدوده ترکیب (14.7- تا 30 psi، 1- تا 2 بار) هم خلاء و هم فشار مثبت را اندازه گیری می کند. سیگنال های خروجی برای سازگاری صنعتی استاندارد شده اند. خروجی های آنالوگ: جریان حلقه 4-20 میلی آمپر (متداول ترین برای کنترل صنعتی، کابل های طولانی، ایمنی نویز)، 0-5 VDC، 0-10 VDC (معمول برای PLC ها و جمع آوری داده ها) و 1-5 VDC. خروجی‌های دیجیتال: I2C و SPI (برای سیستم‌های تعبیه‌شده و دستگاه‌های IoT)، RS-485 Modbus (برای شبکه‌های صنعتی) و CAN bus (برای تجهیزات خودرو و سنگین). ولتاژ تحریک معمولاً 5 VDC یا 9-30 VDC است (برای سنسورهای 4-20 میلی آمپری که دارای انرژی حلقه هستند).

دقت حیاتی ترین مشخصات برای سنسور فشار سنج است. معمولاً به صورت درصدی از مقیاس کامل (%FS) بیان می شود. سنسورهای فشار گیج درجه صنعتی به دقت ± 0.5% FS، ± 0.25% FS، یا ± 0.1% FS دست می یابند. سنسورهای با دقت بالا برای کاربردهای آزمایشگاهی یا کالیبراسیون به ± 0.05% FS یا بهتر می رسند. دقت شامل چندین منبع خطا است: خطی بودن (انحراف خروجی از یک خط مستقیم در سراسر محدوده فشار)، پسماند (تفاوت در خروجی هنگام افزایش فشار در مقابل کاهش فشار)، تکرارپذیری (توانایی تولید خروجی یکسان برای فشار یکسان در شرایط یکسان)، و اثرات دما (صفر تغییر و تغییر دهانه با دما). برای یک حسگر FS ± 0.5٪، باند خطای کل (شامل خطی بودن، پسماند، تکرارپذیری، و اثرات دما در محدوده دمای جبران‌شده) در محدوده ± 0.5٪ از خواندن مقیاس کامل است. به عنوان مثال، یک سنسور 0-100 psi با دقت 0.5 ± FS دارای حداکثر خطای ± 0.5 psi در هر نقطه است. جبران دما برای اندازه گیری دقیق در دماهای مختلف عملیاتی ضروری است. سنسور در دماهای متعدد (معمولاً 20- درجه سانتی گراد، 25 درجه سانتی گراد و 85 درجه سانتی گراد) کالیبره می شود و ضرایب جبران در ASIC یا میکروکنترلر سنسور ذخیره می شود. در حین کار، سنسور دما را اندازه گیری می کند و فاکتورهای تصحیح را برای خواندن فشار اعمال می کند. محدوده دمای جبران شده معمولاً 20- تا 85 درجه سانتیگراد برای سنسورهای صنعتی یا -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد برای سنسورهای خودرو و سنسورهای دامنه وسیع است. خارج از محدوده جبران‌شده، دقت با نرخ مشخصی کاهش می‌یابد (مثلاً 0.03% FS در درجه سانتی‌گراد).

مواد مورد استفاده در ساخت سنسور فشار سنج سازگاری شیمیایی، مقاومت در برابر دما و پایداری طولانی مدت را تعیین می کند. مواد درگاه فشار: فولاد ضد زنگ (304، 316 یا 316L) رایج ترین برای سنسورهای صنعتی است که مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی برای آب، روغن، هوا و مواد شیمیایی ملایم ایجاد می کند. برای محیط های بسیار خورنده (اسیدها، مواد سوزاننده، آب شور)، پورت های Hastelloy C-276، Inconel یا تیتانیوم در دسترس هستند. برای کاربردهای غذایی و دارویی، فولاد ضد زنگ 316L با اتصالات بهداشتی Tri-Clamp مورد نیاز است. مواد دیافراگم: برای سنسورهای همه منظوره، دیافراگم فولاد ضد زنگ 316L (ضخامت 0.05-0.2 میلی متر) حساسیت و دوام خوبی را فراهم می کند. برای سنسورهای کم فشار (زیر 5 psi)، دیافراگم سرامیکی یا سیلیکونی (تماس مستقیم با رسانه) حساسیت بالاتری را ارائه می دهد. برای کاربردهای با خلوص فوق العاده بالا (نیمه هادی، دارویی)، دیافراگم ممکن است از سرامیک آلومینا یا سیلیکون بدون قطعات خیس شده فلزی ساخته شود. مواد محفظه حسگر: محفظه‌های دارای رتبه IP65/IP67/IP68 برای کاربردهای شستشو، خارج از منزل یا زیردریایی مورد نیاز هستند. گزینه های مسکن شامل فولاد ضد زنگ (برای محیط های خورنده)، آلومینیوم (برای عموم صنعتی) و پلی کربنات (برای محیط های داخلی سبک) است. مواد آب بندی: حلقه های O (Viton، EPDM، NBR) یا واشر برای آب بندی درگاه فشار و محفظه استفاده می شود. مواد مهر و موم باید با سیال فرآیند سازگار باشد. Viton (FKM) برای اکثر روغن ها، سوخت ها و مواد شیمیایی مناسب است. EPDM برای آب، بخار و مایعات ترمز مناسب است. NBR برای روغن های معدنی و سوخت مناسب است. برای کاربردهای در دمای بالا (بالاتر از 125 درجه سانتیگراد / 260 درجه فارنهایت)، ممکن است آب بندی فلزی یا آب بندی شیشه به فلز مورد نیاز باشد.

سنسورهای فشار سنج در صنایع متعددی استفاده می شوند که مشخصات آن بر اساس کاربرد متفاوت است. برای سیستم های هیدرولیک (پرس های صنعتی، ماشین های قالب گیری تزریقی، تجهیزات ساختمانی، لیفتراک ها)، یک سنسور فشار سنج 0-5000 psi تا 0-10000 psi با خروجی 4-20 میلی آمپر و درجه IP67 استاندارد است. سنسور باید در برابر افزایش فشار (2 تا 3 برابر فشار نامی) مقاومت کند و دارای قابلیت فشار بیش از حد باشد. برای سیستم‌های پنوماتیک (مانیتورینگ هوای فشرده، ابزارهای هوا، محرک‌های پنوماتیک)، از سنسور گیج 0-150 psi یا 0-300 psi با خروجی 0-10 VDC و زمان پاسخ سریع (زیر 1 میلی‌ثانیه) استفاده می‌شود. برای اندازه‌گیری سطح مایع در مخازن باز (برج‌های آب، مخازن، مخازن شیمیایی، حوضه‌های فاضلاب)، یک سنسور فشار سنج شناور فشار هیدرواستاتیک را در پایین مخزن اندازه‌گیری می‌کند. فشار متناسب با ارتفاع مایع است: 1 psi ≈ 2.31 فوت (0.7 متر) آب. برای اندازه گیری دقیق سطح، سنسور باید از طریق کابل (طراحی گیج هواکش) هواگیری شود تا تغییرات فشار اتمسفر لغو شود. برای نظارت بر خلاء (بسته بندی خلاء، مکنده، مکش پزشکی، محفظه خلاء آزمایشگاهی)، یک سنسور فشار مرکب (14.7- تا 0 psi، 1- تا 0 بار) برای اندازه گیری فشار منفی نسبت به جو مورد نیاز است. سنسور باید در فشارهای پایین وضوح بالایی داشته باشد (0.1% FS یا بهتر). برای کنترل پمپ و نظارت چاه (چاه آب، پمپ های آبیاری، پمپ های تقویت کننده)، یک سنسور گیج 0-200 psi با خروجی 4-20 میلی آمپر و محفظه فولادی ضد زنگ ناهموار برای نظارت بر فشار تخلیه پمپ و محافظت در برابر شرایط خشک استفاده می شود. جدول زیر برنامه های کاربردی را با مشخصات توصیه شده مطابقت می دهد.

برای تولیدکنندگانی که سنسورهای فشار سنج را صادر می کنند، گواهینامه های کیفیت مستند و انطباق ضروری است. بیشترین استانداردها و گواهینامه های درخواستی عبارتند از: نشان CE (انطباق اروپایی) تحت دستورالعمل EMC (2014/30/EU) و دستورالعمل RoHS (2011/65/EU)، ISO 9001 (سیستم مدیریت کیفیت)، و برای برنامه های کاربردی در مناطق خطرناک، ATEX (Europeanxtrinational ایمنی) یا IECEt. (Ex ia) یا محفظه ضد شعله (Ex d). تست‌های عملکرد خاص عبارتند از: تست دقت (اندازه‌گیری در 5-10 نقطه کالیبراسیون در محدوده فشار، بالا و پایین، برای تأیید خطی بودن، پسماند و تکرارپذیری)، تست جبران دما (اندازه‌گیری در -20 درجه سانتی‌گراد، 25 درجه سانتی‌گراد و 85 درجه سانتی‌گراد یا محدوده مشخص شده برای تأیید قابلیت تعویض 0-1 ساعت طولانی‌مدت) تست رانش در فشار نامی در 85 درجه سانتیگراد برای تأیید اینکه خروجی بیش از درصد مشخص شده در سال تغییر نمی کند)، تست فشار بیش از حد (اعمال فشار نامی 1.5 برابر تا 3 برابر بدون آسیب)، تست فشار ترکیدگی (تست مخرب برای تأیید حاشیه ایمنی)، تست ایمنی الکتریکی (مقاومت عایق، استحکام دی الکتریک)، و تست EMC تحت تابش i11 در برابر تابش، EC و CIS 61000-4-2 تا -6). برای سنسورهای فشار مورد استفاده در تجهیزات پزشکی، گواهی ISO 13485 مورد نیاز است. برای کاربردهای خودرو، گواهی IATF 16949 مورد نیاز است. برای کاربردهای آب آشامیدنی، گواهینامه NSF/ANSI 61 ممکن است برای مواد در تماس با آب آشامیدنی مورد نیاز باشد. بسیاری از خریداران بزرگ صنعتی نیز به ممیزی کارخانه ای نیاز دارند که ISO 9001 و قابلیت ردیابی کالیبراسیون مستند به استانداردهای بین المللی (NIST، PTB، یا سایر مؤسسات ملی اندازه گیری) را پوشش دهد. تولیدکنندگانی که گواهینامه های فعلی و سوابق کیفیت شفاف را حفظ می کنند، مزیت رقابتی در منابع بین المللی به دست می آورند.