سوئیچ فشار دیجیتال چیست؟
در بسیاری از سیستم ها، سوئیچ های فشار مکانیکی با نسخه های الکترونیکی جایگزین می شوند. این سوئیچ فشار دیجیتال ویژگی های اضافی متنوعی مانند نمایشگر دیجیتال و امکان تنظیم نقاط سوئیچ را به صورت الکترونیکی ارائه می دهند. سوئیچ فشار دیجیتال عمدتاً بر اساس ترانسمیتر فشار الکترونیکی ساخته می شوند. این کلید عملکرد کامل یک ترانسمیتر را فراهم می کند. کارهای کنترل ساده را می توان با استفاده از کلید فشار یکپارچه انجام داد. با استفاده از نمایشگر دیجیتال یا پیوند I / O می توان نقاط سوئیچینگ را به صورت جداگانه تنظیم کرد.
شما عزیزان می توانید با مراجعه به مقاله گیج فشار و … اطلاعات بیشتری کسب کنید و یا جهت دریافت مشاوره تخصصی با تیم تخصصی ای شاپ صنعت تماس حاصل فرمایید.
اصول اندازه گیری سوئیچ فشار دیجیتال
سوئیچ فشار دیجیتال برای تشخیص فشار (تغییرات) و تبدیل آنها با دقت بالا به یک سیگنال الکتریکی مورد نیاز است. سیگنال الکتریکی برای نشان دادن میزان فشار (تغییر) استفاده می شود.
چهار اصل اندازه گیری سوئیچ فشار دیجیتال را در قسمت زیر شرح داده ایم:
اندازه گیری فشار مقاومت
اندازه گیری فشار مقاومت از مقاومت هادی های الکتریکی وابسته به انحراف استفاده می کند. این اصل امکان ایجاد انحراف وابسته به فشار با مقاومت الکتریکی را فراهم می کند. برای این منظور، رابطه زیر اعمال می شود:
R=ρ*l/A
R: مقاومت الکتریکی
مقاومت:p
طول:I
سطح مقطع:A
اگر طول یک رسانا به علت نیروی کششی افزایش یابد، سطح مقطع کاهش می یابد. مقاومت الکتریکی با سطح مقطع متناسب است. این به این معنی است که با کاهش سطح مقطع مقاومت الکتریکی افزایش می یابد. سنسورهای فشار که از این اصل استفاده می کنند معمولاً دارای دیافراگمی هستند که چهار کرنش سنج فلزی بر روی آن قرار گرفته است. آنها در مناطق کشش و فشرده سازی توزیع می شوند. بنابراین مقاومت با توجه به انحراف (فشرده سازی یا کشیدگی) دیافراگم تغییر می کند. برای اندازه گیری دقیق، از پل های اندازه گیری Wheatstone استفاده می شود.
شکل 1: اصل اندازه گیری فشار مقاومتی
اندازه گیری فشار پیزو – مقاومتی
اصل اندازه گیری فشار پیزو-مقاومتی مشابه اصل اندازه گیری مقاومت مقاومتی است که قبلاً ذکر شد. با این وجود اصل مقاومت پیزو از مواد نیمه رسانا استفاده می کند. علاوه بر تغییر در سطح مقطع، مقاومت آنها به دلیل تغییر شکل تغییر خواهد کرد، این اثر پیزو مقاومتی نامیده می شود. این اثر برای هدایت فلزات ناچیز است اما در نیمه رساناها مانند سیلیکون تأثیر قابل توجهی دارد. این مواد نیمه رسانا درون دیافراگم قرار دارند. این اجازه می دهد تا هم دیافراگم و هم فشار سنجها از ماده نیمه رسانای یکسان باشند. معمولاً چهار فشار سنج تعبیه شده و به یک پل Wheatstone متصل می شوند. مواد نیمه هادی برای طیف گسترده ای از رسانه ها مناسب نیستند. به همین دلیل باید از مواد سانسور محافظت شود. این کار با انتقال فشار به طور غیرمستقیم به نیمه هادی با استفاده از غشای فلزی و محیط انتقال مانند روغن انجام می شود. یک مزیت سنسورهای فشار پیزو مقاومتی این است که می توان از آنها برای دامنه های فشار خیلی کم استفاده کرد. یک عیب وابستگی شدید به دما و تغییرات مربوط به ساخت است. این مستلزم آن است که هر سنسور باید دما را جبران کند.
اندازه گیری فشار خازنی
این اصل بر اساس اندازه گیری ظرفیت خازن است. ظرفیت خازن دو صفحه ای با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود:
C=ε*A/d
ظرفیت خازن دو صفحه ایc:مجاز بودن ε: جداسازی صفحاتd:سطح مقطع:a این اصل با استفاده از دو صفحه تحقق می یابد. انحراف در اثر تغییرات فشار منجر به تغییر جداسازی بین صفحات می شود. با توجه به ثابت بودن سطح و میزان مجاز، ظرفیت فقط به جداسازی صفحه بستگی دارد. این منجر به حساسیت زیاد سنسور می شود. این باعث می شود سنسورهای فشار خازنی دامنه مناسب یا بسیار کم فشار باشند (محدوده mbar یک رقمی). از آنجا که می توان دیافراگم متحرک را تا صفحه ثابت منحرف کرد، از ایمنی بیش از حد برای سنسور اطمینان حاصل می شود.
شکل 2: اصل اندازه گیری فشار خازنی
اندازه گیری فشار پیزو الکتریکی
توجه داشته باشید این یک اصل متفاوت از اندازه گیری فشار پیزو مقاومت است. این اصل بر اساس اثر پیزو الکتریکی موجود در برخی از بلورهای غیر رسانا مانند کوارتز مونوکریستالی است. به دلیل فشار وارد شده یا نیروی کششی، سطوح مخالف کریستال به ترتیب مثبت و منفی شارژ می شوند. این امر ناشی از جابجایی القا شده در عناصر شبکه ای است که بار الکتریکی دارند. تغییر مکان باعث ایجاد یک گشتاور دو قطبی الکتریکی می شود که مسئول بارهای سطح است. اختلاف ولتاژ بین سطح قابل اندازه گیری است و می تواند به تغییر فشار تبدیل شود. اندازه گیری فشار پیزو الکتریکی فقط برای اندازه گیری فشار دینامیکی مناسب است. این سنسورها محدود به برنامه های خاص هستند.
شکل 3: اصل اندازه گیری فشار پیزو الکتریکی
انواع سنسور
اصول اندازه گیری قبلی که قبلاً ذکر شد را می توان در سه نوع سنسور اصلی یافت. برای اندازه گیری فشار مقاومت سنسورهای فیلم ضخیم و سرامیک و فیلم نازک بیشترین استفاده را دارند. سومین سنسور سنسور فشار پیزو مقاومتی است.
حسگر فیلم نازک فلزی
دیافراگم و محفظه اصلی یک حسگر فیلم نازک فلزی از فولاد ضد زنگ ساخته شده اند. فشار سنج ها، لایه های عایق، مسیرهای رسانا و مقاومت های جبران کننده در کنار دیافراگم اعمال می شود که با محیط تماس ندارد. سنسورهای فیلم نازک در شرایط اتاق تمیز و گاهی اوقات در خلا ساخته می شوند. حسگرهای فیلم نازک به دلیل مواد استفاده شده بسیار پایدار هستند. علاوه بر این آنها بسیار مقاوم در برابر ضربه و لرزش هستند. همین امر آنها را برای بارهای دینامیکی بسیار مناسب می کند. به دلیل مواد قابل جوشکاری، سنسورهای فیلم نازک را می توان بدون استفاده بیشتر از مواد آب بندی، روی اتصال سیستم جوش داد. به دلیل شکل پذیری فولاد، سنسور دارای محدوده فشار بیش از حد پایین است اما فشار ترکیدن زیادی دارد.
سنسور فیلم ضخیم سرامیکی
بدنه و دیافراگم اصلی حسگر فیلم ضخیم از سرامیک ساخته شده است. متداول ترین سرامیک مورد استفاده اکسید آلومینیوم (Al2O3) به دلیل قابلیت پردازش و پایداری آن است. چهار فشار سنج به طرف دیافراگم اعمال می شود که با محیط تماس ندارد. آنها به عنوان خمیر با لایه ضخیم استفاده می شوند، از این رو نامگذاری شده است. خمیر با دمای بالا در دیافراگم می سوزد و پس از آن یک پوشش محافظ دریافت می کند. سنسورهای فیلم ضخیم سرامیکی در شرایط اتاق تمیز ساخته می شوند. سرامیک بسیار مقاوم در برابر خوردگی است، مهر و موم اضافی مورد نیاز در برابر تمام محیط ها مقاوم نیست. این ماده شکننده است، که منجر به فشار انفجار کمتری نسبت به سنسورهای فیلم نازک می شود.
سنسور مقاومت پیزو
سنسورهای مقاوم در برابر پیزو ساختار بسیار پیچیده تری نسبت به سنسورهای ذکر شده قبلی دارند. خود سنسور از تراشه سیلیکون ساخته شده است. این تراشه سیلیکون حاوی دیافراگمی است که مقاومتهای پیزو مقاوم در آن قرار می گیرد. سطح این تراشه ها چند میلی متر مربع است که بسیار کوچکتر از دیافراگم های فیلم نازک یا ضخیم است. تراشه مقاومت پیزو به دلیل حساسیت در برابر تأثیرات محیط باید کپسول شود. این کار با نصب تراشه در مورد فولاد ضد زنگ انجام می شود. این مورد با استفاده از دیافراگم نازک استیل ضد زنگ آب بندی می شود. حجم آزاد داخل کیس با مایع انتقال پر می شود. این مایع انتقال دهنده فشار را از دیافراگم استیل خارجی به دیافراگم حسگر داخلی منتقل می کند. از بدنه های مخصوص جابجایی برای به حداقل رساندن تأثیر انبساط حرارتی سیال در اندازه گیری استفاده می شود. از یک هدر برای نصب و اتصال برقی حسگر استفاده می شود. هدر را می توان به صورت متقاطع به محفظه جوش داد. از سیمهای باند برای اتصال سنسور به پایه ها استفاده می شود. یک لوله تهویه در مرکز هدر قرار دارد و به سمت عقب دیافراگم حسگر منتهی می شود. هنگامی که محفظه پشت سنسور تخلیه شده و لوله تهویه بسته است فشار مطلق را می توان اندازه گیری کرد. در مورد لوله تهویه باز شده، فشار نسبی اندازه گیری می شود. لوله تهویه از طریق پوشش خارجی یا کابل تهویه شده به محیط متصل می شود. لوله تهویه باید از آلودگی و به خصوص رطوبت محافظت شود.
شکل 4: سنسور مقاومت پیزو
نمودار با کاربردها و فن آوری های حسگر
نمودار زیر برنامه های مختلف اندازه گیری را با بهترین فن آوری های سنسور نشان می دهد. در صورت نیاز و کنترل مقدار زیادی از نقاط نظارتی، فرستنده های فشار دیجیتال مقرون به صرفه هستند.
