ترانسدیوسر فشار چیست؟ انواع، کاربردها و نحوه کار

ترانسدیوسر فشار چیست؟

ترانسدیوسر فشار (Pressure Transducers) دستگاهی است که فشار را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این دستگاه همچنین با نام‌های سنسور فشار یا ترانسمیتر فشار نیز شناخته می‌شود. این وسیله فشار گاز یا مایع را اندازه‌گیری کرده و آن را به سیگنالی الکتریکی تبدیل می‌کند که توسط رایانه، مانیتور یا سایر دستگاه‌ها قابل خواندن است. سپس از این سیگنال می‌توان برای نمایش فشار روی فشارسنج یا کنترل فرآیندهای مختلف در کاربردهای صنعتی یا مکانیکی استفاده کرد. ترانسدیوسرهای فشار به طور رایج در صنایعی مانند خودرو، پزشکی، تهویه مطبوع و اتوماسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اجزای کلیدی یک ترانسدیوسر فشار

عنصر حسگر: این یک بخش از ترانسدیوسر است که با ماده‌ای که اندازه‌گیری می‌شود در تماس بوده و فشار فیزیکی را به سیگنال مکانیکی یا الکتریکی ترجمه می‌کند.

دیافراگم: یک غشای انعطاف‌پذیر که به طور معمول به عنوان عنصر حسگر استفاده می‌شود. دیافراگم در پاسخ به تغییرات فشار تغییر شکل می‌دهد که سپس به سیگنال الکتریکی ترجمه می‌شود.

گیج اندازه‌گیری (استرین گیج): نوعی عنصر حسگر که از سیم یا فویل تشکیل شده است که مقاومت الکتریکی خود را در پاسخ به فشار مکانیکی تغییر می‌دهد. گیج‌های اندازه‌گیری اغلب برای اندازه‌گیری فشار همراه با دیافراگم استفاده می‌شوند.

تقویت‌کننده: سیگنال الکتریکی تولید شده توسط عنصر حسگر به طور معمول بسیار ضعیف است و نیاز به تقویت توسط مدار الکترونیکی ترانسدیوسر دارد تا یک سیگنال خروجی قابل استفاده تولید کند.

سیگنال خروجی: سیگنال خروجی نهایی می‌تواند بسته به طراحی و کاربرد مورد نظر ترانسدیوسر، اشکال مختلفی مانند ولتاژ، جریان یا فرکانس داشته باشد.

انواع ترانسدیوسر فشار

ترانسدیوسرهای فشار را می‌توان بر اساس تکنولوژی آن‌ها به دو نوع اصلی تقسیم کرد: ترانسدیوسرهای فشار برپایه‌ی استرین گیج (strain gauge-based pressure transducers) و ترانسدیوسرهای فشار خازنی (capacitive pressure transducers). هر دو نوع ترانسدیوسر فشار بسته به کاربرد مورد نظر، طیف وسیعی از مزایا را ارائه می‌دهند.

ترانسدیوسرهای فشار برپایه‌ی استرین گیج

این نوع از ترانسدیوسرها برای اندازه‌گیری فشار مایعات و گازها به کار می‌روند. آن‌ها با تبدیل فشار اعمال‌شده به تغییر شکل (Strain) روی یک دیافراگم که توسط یک استرین گیج متصل به آن اندازه‌گیری می‌شود، عمل می‌کنند. استرین گیج تغییر مقاومت ناشی از تغییر شکل روی دیافراگم را اندازه‌گیری می‌کند که نشانگر دقیقی از فشار اعمال‌شده است. سیگنال خروجی از استرین گیج تقویت شده و به سیگنال ولتاژ یا جریان تبدیل می‌شود که می‌تواند توسط یک نشانگر یا کنترل‌کننده‌ی فشار خوانده شود.

از ترانسدیوسرهای فشار برپایه‌ی استرین گیج معمولاً در کاربردهای شبه‌استاتیکی مانند پایش فشار فرآیند یا ابزار دقیق استفاده می‌شود.

ترانسدیوسرهای فشار خازنی

این نوع از ترانسدیوسرها دستگاه‌هایی هستند که با اندازه‌گیری تغییرات در خازن، فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. آن‌ها معمولاً از یک عنصر حسگر و یک عنصر مرجع که توسط یک دیافراگم از هم جدا شده‌اند، تشکیل شده‌اند. هنگامی که فشار به دیافراگم اعمال می‌شود، باعث انحرافی می‌شود که فاصله بین عناصر حسگر و مرجع را تغییر می‌دهد، که به نوبه‌ی خود ظرفیت خازنی را تغییر می‌دهد. این تغییر در خازن سپس به یک سیگنال الکتریکی تبدیل شده و برای پردازش و تجزیه و تحلیل به یک سیستم جمع‌آوری داده منتقل می‌شود.

ترانسدیوسرهای فشار خازنی به طور معمول در کاربردهای صنعتی، خودروسازی، هوافضا و پزشکی، جایی که اندازه‌گیری دقیق و قابل اعتماد فشار ضروری است، استفاده می‌شوند. آن‌ها دقت، پایداری و خطی بودن بالایی را ارائه می‌دهند و می‌توانند در طیف وسیعی از فشارها و دماها عمل کنند. همچنین آن‌ها معمولاً کوچک، سبک و بادوام هستند که باعث می‌شود برای استفاده در محیط‌های سخت ایده‌آل باشند.

کاربردهای رایج ترانسدیوسرهای فشار

ترانسدیوسرهای فشار در صنایع و موارد زیر کاربردهای گسترده‌ای دارند:

• ساخت و ساز و مهندسی عمران: از ترانسدیوسرهای فشار در ساخت و ساز و مهندسی عمران برای نظارت بر فشار بتن در حین ساخت و اندازه‌گیری فشار خاک در سازه‌های نگهبان خاک استفاده می‌شود.
• کشاورزی و سیستم‌های آبیاری: در سیستم‌های آبیاری از ترانسدیوسرهای فشار برای اندازه‌گیری و کنترل فشار آب به منظور آبیاری کارآمد و مؤثر محصولات کشاورزی استفاده می‌شود.
• تجهیزات پزشکی و بهداشتی: از ترانسدیوسرهای فشار در تجهیزات پزشکی مانند ونتیلاتور و فشارسنج برای اندازه‌گیری و کنترل فشار در کاربردهای حیاتی استفاده می‌شود.
• پایش محیط زیست: از ترانسدیوسرهای فشار در پایش محیط زیست برای اندازه‌گیری فشار اتمسفر و آب، و همچنین برای نظارت بر تغییرات فشار در اقیانوس‌ها، دریاچه‌ها و رودخانه‌ها استفاده می‌شود.
• تولید و انتقال انرژی: ترانسدیوسرهای فشار با نظارت بر فشار در خطوط لوله و سایر تجهیزات برای اطمینان از تولید و انتقال ایمن و کارآمد، نقش مهمی در صنعت نفت و گاز ایفا می‌کنند.
• فرآیندهای تولید صنعتی: از ترانسدیوسرهای فشار به طور معمول برای اندازه‌گیری فشار سیال در فرآیندهای تولید صنعتی از جمله ساخت نیمه‌رسانا، تولید مواد غذایی و آشامیدنی و تولید مواد شیمیایی استفاده می‌شود.
• سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC): از ترانسدیوسرهای فشار برای نظارت و کنترل فشار هوا و سیال در سیستم‌های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) به منظور اطمینان از عملکرد کارآمد و مؤثر استفاده می‌شود.
• صنایع خودروسازی و هوافضا: از ترانسدیوسرهای فشار تقریباً در تمام انواع وسایل نقلیه و هواپیما برای نظارت بر فشار تایر، فشار سوخت، فشار روغن موتور و فشار سیستم هیدرولیک استفاده می‌شود.

ترانسدیوسر فشار چگونه کار می‌کند؟

ترانسدیوسرهای فشار با تبدیل اندازه‌گیری‌های فشار به سیگنال‌های الکتریکی که می‌توانند توسط دستگاه‌های مختلف خوانده و تفسیر شوند، کار می‌کنند. این ترانسدیوسرها به طور معمول از یک عنصر حسگر که در معرض فشار اندازه‌گیری شده قرار دارد و یک مدار الکترونیکی که تغییرات فشار را به سیگنال ولتاژ متناظر ترجمه می‌کند، تشکیل شده است.

عنصر حسگر می‌تواند از مواد مختلفی ساخته شود، اما به طور معمول از یک دیافراگم فلزی نازک استفاده می‌شود که در پاسخ به تغییرات فشار خم یا تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل مکانیکی یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند که سپس توسط مدار الکترونیکی مرتبط تقویت شده و به یک مقدار عددی تبدیل می‌شود.

برخی از ترانسدیوسرهای فشار همچنین دارای ویژگی‌های اضافی مانند جبران‌سازی دما یا شرطی‌سازی سیگنال برای اطمینان از اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد هستند. سیگنال خروجی حاصل به طور معمول برای مطابقت با سطوح فشار یا واحدهای اندازه‌گیری خاص کالیبره می‌شود و به کاربران امکان می‌دهد فرآیندهای مرتبط با فشار را به طور دقیق کنترل و نظارت کنند.

ترانسدیوسر فشار برای سیستم تبرید

سیستم‌های زیادی در دنیای واقعی به چرخه‌ی تبرید وابسته هستند؛ از سیستم‌های عظیم سردخانه‌های سوپرمارکت‌ها گرفته تا واحد تهویه‌ی مطبوع ماشین شما. ترانسدیوسرهای فشار برای عملکرد همه‌ی سیستم‌های تبرید حیاتی هستند. آن‌ها به کنترل دقیق عملکردی که سیستم تبرید بر اساس آن کار می‌کند، کمک می‌کنند. چرخه‌ی تبرید بخشی از تمام این سیستم‌هاست و برای عملکرد درست آن‌ها ضروری است.

یکی از پرکاربردترین سیستم‌هایی که بر اساس چرخه تبرید کار می‌کنند، چیلر و داکت اسپلیت می‌باشد.

چیلر یک اصطلاح کلی برای دستگاهی است که با به گردش درآوردن آب سرد، دمای محیط اطراف خود را کنترل می‌کند. علاوه بر حفظ دمای دستگاه‌های مختلف صنعتی و ابزارآلات آزمایشگاهی در سطح ثابت، برای تهویه مطبوع ساختمان‌ها و کارخانجات نیز کاربرد دارد. چیلر یا سرد کن (Chiller) دستگاهی است که آب سرد را برای دستگاه‌های خنک کننده هوا مانند هواساز و فن کویل تامین می‌کند. یک چیلر می‌تواند در حین گردش آب در یک دستگاه خنک کننده، آب سرد را به‌طور مداوم تامین کند. به عنوان وسیله‌ای مناسب برای خنک کردن قطعات مولد گرما و تجهیزات تهویه مطبوع مانند دستگاه‌های پردازش لیزری و دستگاه‌های گرمایش فرکانس بالا در دمای ثابت بسیار استفاده می‌شود، مشکلات سرمایشی مختلف را حل می‌کند و می‌تواند هزینه‌های جاری را در عین بهبود بهره‌وری انرژی کاهش دهد. قیمت چیلر بر اساس ظرفیت آن تعیین می‌شود. برای مثال قیمت چیلر 100 تن از قیمت چیلر 40 تن، بیشتر و از قیمت چیلر 300 تن، کمتر است.

داکت اسپلیت یا همان اسپلیت کانالی نیز یک سیستم تهویه مطبوع است که هم برای گرم‌کردن محیط منزل و محل کار و هم برای خنک‌کردن محیط می‌توان از آن استفاده کرد. بدین‌ترتیب برای گرمایش و سرمایش می‌توان از داکت اسپلیت‌ها برای فصول سرد و گرم سال استفاده نمود. به عبارت بهتر داکت اسپلیت به نوعی همان کولر گازی یا اسپلیت است، با این تفاوت که در کولر گازی، یونیت داخلی به صورت دیواری (روکار) اجرا می‌شود. این در حالی است که یونیت داخلی (یا هواساز) در داکت اسپلیت به صورت توکار (درون سقف کاذب) نصب می‌شود و سپس با کانال کشی به سایر قسمت‌های یک ساختمان متصل شده و هوای تازه را بعد از فیلتر کردن و تنظیم دما در آن‌ها توزیع می‌کند. قیمت داکت اسپلیت نیز بر اساس ظرفیت آن تعیین می‌شود. برای مثال قیمت داکت اسپلیت 24000، از قیمت داکت اسپلیت 18000، بیشتر و از قیمت داکت اسپلیت 36000، کمتر است.

چرخه‌ی تبرید

درک اینکه در فرآیند تبرید چه اتفاقی برای مبرد می‌افتد، می‌تواند در فهم ضرورت ترانسدیوسر فشار کمک کند. ابتدا، گاز مبرد سرد و کم‌فشار وارد کمپرسور می‌شود که در آنجا دمای گاز به دلیل فشرده شدن به سرعت بالا می‌رود. سپس مبرد وارد کندانسور می‌شود، جایی که گرما را به محیط بیرون منتقل کرده و به فاز مایع تبدیل می‌شود.

شیر انبساط، فشار و دمای مبرد را کاهش می‌دهد، جایی که دوباره به گاز تبدیل می‌شود. این تغییر فاز به سرعت دمای مبرد را پایین می‌آورد و از اواپراتور عبور می‌کند که در آنجا هوا از مبرد خنک شده و از سیستم خارج می‌شود تا دمای محیط بیرون را کاهش دهد.

با این حال، در طی تمام این فرآیند، چرا اصلاً اندازه‌گیری فشار اهمیت دارد؟

ضرورت ترانسدیوسر فشار در تبرید

ورودی نامناسب، خروجی نامناسب. اگر سیستم تبرید شما تمام ورودی‌ها و خروجی‌ها را به درستی اندازه‌گیری نکند، سیستم به درستی کار نخواهد کرد. به طور کلی، ترانسدیوسرهای فشار در نزدیکی خروجی کمپرسور قرار می‌گیرند، اما بسته به کاربرد و پیچیدگی سیستم تبرید، ممکن است ترانسدیوسرهای بیشتری وجود داشته باشد. داده‌هایی که ترانسدیوسر فشار جمع‌آوری می‌کند، به کنترل‌کننده‌ای ارسال می‌شود که می‌تواند به طور خودکار کمپرسور موجود در سیستم را کنترل کند.

بهره‌وری انرژی امروز بیش از هر زمان دیگری اهمیت دارد. کشورهای سراسر جهان خواستار شیوه‌های سبزتر هستند و این شامل تبرید سبزتر نیز می‌شود. سیستم تهویه مطبوع 12 درصد از هزینه‌های انرژی خانگی ایالات متحده را تشکیل می‌دهد که رقم بسیار بالایی است. ایجاد یک سیستم بهتر حتی برای بخش کوچکی از این سیستم‌ها می‌تواند منجر به صرفه‌جویی عظیم در مصرف انرژی شود.

یکی از راه‌های بهبود کارایی تبرید، بهینه‌سازی سیستم اندازه‌گیری ترانسدیوسر فشار است. اطلاعات صحیح به شیر انبساط الکترونیکی کمک می‌کند تا بازدهی سیستم تبرید را به حداکثر برساند. اضافه کردن یک ترانسدیوسر فشار دیگر در خروجی اواپراتور، اطلاعات مفیدتری برای کنترل سیستم جمع‌آوری می‌کند.

اگر فشار کافی در سیستم وجود نداشته باشد، ممکن است نشتی مبرد وجود داشته باشد. ترانسدیوسر فشار می‌تواند قبل از اینکه به یک مشکل بزرگ‌تر تبدیل شود و به تجهیزات حساس آسیب برساند، به تکنسین‌ها هشدار دهد.

در جستجوی چه ترانسدیوسری باشیم؟

مهندسان هنگام تصمیم‌گیری در مورد اینکه کدام ترانسدیوسر فشار برای سیستم تبریدشان بهترین است، باید به تعدادی از ویژگی‌های مختلف توجه کنند:

1. تحمل دما: آشکارترین نکته‌ای که باید به آن توجه کرد، توانایی ترانسدیوسر فشار در تحمل تغییرات سریع دما است. مبرد در حال گذراندن تغییرات سریع دما است و محیط نیز همین تغییرات دما را تجربه می‌کند. ترانسدیوسر فشار همچنان باید در کل فرآیند تبرید به طور کامل عمل کند.
2. دقت: اگر هدف شما افزایش کارایی هر سیستم تبریدی است، دقت ممکن است مهم‌ترین معیار باشد. اگر سیستم شما دارای ترانسدیوسر فشار دقیق‌تری باشد، سازمان شما می‌تواند در زمینه بهره‌وری، مبالغ بی‌شماری را صرفه‌جویی کند.
3. دامنه‌ی وسیع فشار: ترانسدیوسر فشار قرار است دامنه‌ی بسیار وسیعی از فشارها را اندازه‌گیری کند. اطمینان حاصل کنید که ترانسدیوسر فشاری را انتخاب می‌کنید که توانایی اندازه‌گیری فشارهای مناسب را داشته باشد. چرخه‌ی تبرید در فشارهای بسیار متفاوتی انجام می‌شود. داشتن ترانسدیوسر فشاری که بتواند به طور قابل اعتمادی این فشارها را اندازه‌گیری کند، در هر سیستمی با یک چرخه‌ی تبرید ضروری است.

پرسش و پاسخ