كل ما تحتاج إلى معرفته عن مستشعرات الضغط
لا غنى عن مجسات الضغط في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية والتكنولوجية. بدءًا من أصل ووحدة قياس الضغط إلى مزايا وعيوب الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار، سوف تتعرف على ماهية مستشعر الضغط، وكيفية عمله وكيفية عمل مستشعر الضغط. كما سنتناول بالتفصيل تركيبة حساسات الضغط وأنواع إشارات الخرج التي تنتجها، والمعايير الأساسية لاختيار حساس الضغط الصناعي. سنقوم باستكشاف الفئات المختلفة لمستشعرات الضغط - التفاضلية أو المطلقة أو النسبية - وسنرشدك إلى كيفية معايرتها وتركيبها واختبارها بفعالية. وأخيرًا، سوف نلقي نظرة على تكوين أجهزة إرسال الضغط والتطبيقات العملية المختلفة لهذه الأجهزة الأساسية، مع تقييم مزاياها وعيوبها.
- أصل قياس الضغط
- وحدة قياس الضغط
- ما هو مستشعر الضغط؟
- كيف تعمل مستشعرات الضغط؟
- كيف يعمل جهاز إرسال الضغط؟
- بناء جهاز استشعار الضغط ?
- ما هي إشارة الخرج من مستشعر الضغط؟
- كيف أختار مستشعر الضغط الصناعي؟
- الضغط التفاضلي أو المطلق أو النسبي: الأنواع المختلفة من مستشعرات الضغط؟
- كيف تقوم بمعايرة مستشعر الضغط؟
- كيف تقوم بتركيب مستشعر الضغط الصناعي؟
- كيف تختبر مستشعر الضغط؟
- كيف أقوم بتهيئة جهاز إرسال الضغط؟
- ما هي تطبيقات مستشعرات الضغط؟
- ما هي مزايا وعيوب أجهزة استشعار الضغط؟
أصل قياس الضغط
سُميت وحدة القياس باسكال على اسم الفيلسوف والفيزيائي وعالم الرياضيات الفرنسي الشهير بليز باسكال
وُلد باسكال في كليرمون فيران، حيث يقع مقر وحدة إنتاج شركة فوجي إلكتريك فرنسا SAS، وهي شركة فرنسية مصنعة لأجهزة استشعار الضغط الصناعي، وأجرى باسكال تجربة أساسية من خلال نقل مقياس ضغط جوي إلى قمة بوي دو دوم، من أجل إثبات أنالضغط الجوي ينخفض مع الارتفاع عن مستوى سطح البحر .
ومع ذلك، فإن العالم الإيطالي إيفانجليستا توريسيلي كان رائدًا في إثبات الضغط الذي يمارسه وزن حجم الهواء على الأرض، ونتيجة لذلك، صمم أول مقياس ضغط جوي يعتمد على الزئبق.
وحدة قياس الضغط
تعد معرفة وحدات الضغط وكيفية تحويلها أمرًا مهمًا لاتخاذ الاختيار الصحيح للميزان لمحول طاقة الضغط الصناعي الخاص بك.
يتم التعبير عن الضغط p بوحدة القوة F لكل وحدة المساحة A: p = F / A
الباسكال (باسكال ): هي الوحدة الأساسية للضغط في النظام الدولي (SI). ويقابل الباسكال الواحد 1 نيوتن لكل متر مربع (1 باسكال = 1 نيوتن/م²).
البار: هي وحدة ضغط يشيع استخدامها في التطبيقات الصناعية. يناظر البار الواحد ضغط 100,000 باسكال.
الغلاف الجوي القياسي (atm): يستخدم للتعبير عن الضغط الجوي أو الضغط الجوي. يقابل الضغط الجوي الواحد ضغطًا قدره 101,325 باسكال.
ما هو مستشعر الضغط؟
تُعرف مجسات الضغط أيضًا باسم أجهزة إرسال الضغط أو مسابر الضغط أو مقاييس الضغط أو محولات الضغط. ولا يوجد فرق كبير بين هذه الأسماء المختلفة. ومع ذلك، يتم التمييز بين مجسات الضغط التماثلية وأجهزة إرسال العمليات الذكية.
إذا رجعنا إلى تعريف جهاز استشعار الضغط، فهو جهاز كشف الضغط الذي يتمثل مبدأه في تحويل القوة المطبقة بواسطة ضغط مائع على سطح معين (تشوه) إلى إشارة كهربائية.
يستخدم المصنعون جهاز إرسال الضغط لـ :
- قياس الضغط باستخدام مستشعر ضغط نسبي أو مطلق.
- قياس معدل التدفق باستخدام جهاز خفض الضغط ومستشعر الضغط التفاضلي
- قياس المستوى باستخدام الضغط الهيدروستاتيكي
- قياس الكثافة باستخدام مستشعر الضغط التفاضلي
يمكن دمج مستشعرات الضغط في مجموعة متنوعة من الأنظمة الصناعية، مما يجعلها سهلة الاستخدام في العديد من السياقات المختلفة.
كيف تعمل مستشعرات الضغط؟
يتم تطبيق ضغط المائع الذي يتم قياسه على مكون قياس داخلي عن طريق تركيب ثم واجهة ميكانيكية - غشاء قياس مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ أو مادة نبيلة أخرى. يقوم عنصر القياس الإلكتروني بتحويل الضغط إلى إشارة خام.
كيف يعمل جهاز إرسال الضغط؟
هناك تقنيات وأساليب وتقنيات ومبادئ قياس مختلفة لمستشعرات الضغط، كل منها مصمم خصيصًا لتطبيقات محددة في الأتمتة والمنشآت الصناعية وغيرها.
- لو مستشعر الضغط المقاوم للضغط الانضغاطي يقيس القوة المطبقة على غشاء معدني. يؤدي الضغط الذي يمارس على غشاء رقيق إلى تشويهه، مما يؤدي إلى نقل تغير الضغط عبر سائل غير قابل للانضغاط (زيت أو ماء). يؤدي ذلك إلى تشويه عنصر سيليكون مقاوم للضغط (جسر ويتستون). هذا العنصر، الذي يستخدم أشباه الموصلات، هو مقاوم كهربائي متغير يحول التشوه إلى قيمة أومية.
- يقيس مجس الضغط التكاثفي القوة المطبقة على غشاء معدني من الفولاذ المقاوم للصدأ أو السيراميك. يؤدي الضغط المبذول إلى تشويه الغشاء المعدني الذي ينقل تباين الضغط عبر سائل وسيط غير قابل للانضغاط (زيت أو ماء). وهذا يشوه عنصر سيليكون سعوي. هذا العنصر هو مكثف متغير يحول التشوه إلى قيمة سعوية.
- ويستخدم جهاز إرسال الرنين التردديمصطلحات محددة مثل BFSL (أفضل خط مستقيم ملائم) لتحديد خطية القياس. تقوم أجهزة الاستشعار هذه بتحويل تباين الضغط إلى تغير في تردد التذبذب، مما يوفر دقة عالية ومجموعة متنوعة من الحلول للتطبيقات المختلفة.
- يعمل مقياس الإجهاد أو مستشعر مقياس الجهد بطريقة مماثلة، حيث يتم بعد ذلك ترشيح الإشارة من عنصر القياس وتضخيمها وتعويض درجة الحرارة وتنسيقها في إشارة تناظرية. يتم إرسال إشارة الخرج التناظرية عبر موصل كهربائي، مما يقلل من الأخطاء ويحسن الدقة.
- ومن ناحية أخرى، تعرض مقاييس الضغط قياس الضغط المحلي. على سبيل المثال، غالبًا ما تُستخدم مقاييس الضغط الأنبوبية على شكل حرف U لقياسات بسيطة ومباشرة لضغط القرب في مختلف الأجسام والمنتجات.
بناء مستشعر الضغط
يتألف بناء جهاز إرسال الضغط من عدة عناصر أساسية. وتشمل هذه العناصر وصلة ميكانيكية، وغشاء معدني أو خزفي، وعنصر استشعار سعوي أو مقاوم للضغط.
يتم دمج سائل تعبئة، غالبًا ما يكون زيتًا، في خلايا قياس الضغط لنقل تغيرات الضغط.
تقوم وحدة تكييف الإشارات الإلكترونية وتضخيمها بمعالجة المعلومات التي يتم جمعها. ترتبط هذه الوحدة بموصل كهربائي، مما يسهل توصيلها بأنظمة التشغيل الآلي الأخرى.
يتم تغليف جهاز الإرسال عادةً في حاوية بلاستيكية أو معدنية. تشمل خيارات الغلاف الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ المقاوم للصدأ، اعتمادًا على متطلبات التطبيق والمنتج النهائي.
لمزيد من السهولة والدقة في قراءة القياسات، يمكن إضافة مؤشر رقمي كخيار. يتيح هذا الخيار عرض معلومات الضغط مباشرةً في الوقت الحقيقي، مما يحسن من وضع التركيب وكفاءته.
ما هي إشارة الخرج من مستشعر الضغط الصناعي؟
يمكن أن تكون الإشارة من حساس الضغط تناظرية أو رقمية. وعادةً ما تكون الإشارة التناظرية من نوع التيار 4-20mA، أو الجهد 0-10V أو الجهد 1-5V. يتم إرسال إشارة الخرج إلى وحدة التحكم للتأثير على عملية التصنيع.
يتم استخدام إشارة 4-20mA بشكل شائع في هذه الأجهزة بسبب العديد من المزايا.
أولاً، إنه مقاوم لفقدان الإشارة بسبب خط الإرسال، مما يضمن دقة القياس. بالإضافة إلى ذلك، يسمح بتمديد المسافة بين المستشعر والنظام المعني. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدم وجود تيار يعني أنه يمكن اكتشاف أعطال الخط، مما يجعل استكشاف الأعطال وإصلاحها أسهل. كما أن إشارة 4-20mA أقل حساسية للتداخل الكهرومغناطيسي، مما يضمن موثوقيتها. وأخيرًا، يمكن استخدامه في حلقة لتشغيل عدة عناصر من المعدات مثل الشاشة ووحدة التحكم والمسجل.
يمكن أن تتوفر إشارة رقمية مع بروتوكولات اتصال مختلفة - HART - Fieldbus - Profibus - Modbus. تنقل هذه البروتوكولات القيمة المقاسة وتمكن أيضًا من تكوين أجهزة قياس الضغط. يُعرف هذا باسم جهاز الإرسال الإلكتروني الذكي أو SMART. كما توفر بعض أجهزة استشعار الضغط أيضًا واجهات IO Link، والتي تغطي مجموعة من الدقة ونطاقات القياس المحددة، بالإضافة إلى العديد من الموافقات الدولية.
يمكن تزويد الأدوات بمقاييس ضغط رقمية.
كيف أختار مستشعر الضغط الصناعي؟
يجب اختيار جهاز إرسال الضغط الصناعي وفقًا للسائل المراد قياسه ونطاق الضغط وظروف تشغيل التطبيق والعملية.
لقياس الضغط، تحتاج إلى إجراء بعض الأبحاث للإجابة عن الأسئلة المتعلقة باختيار مستشعر الضغط المناسب وتحديد :
- السائل المراد قياسه مثل: الهواء والغاز, الهيدروجينسائل أو بخار أو ماء أو سائل آخر وخصائصه (الكثافة، اللزوجة، التآكل، إلخ).
- ظروف تشغيل العملية: الضغط المراد قياسه، والضغط الساكن، ودرجة حرارة العملية، وخطر التآكل، وما إلى ذلك.
- نوع القياس: قياس الضغط، وقياس التدفق باستخدام جهاز خفض الضغط والضغط التفاضلي دلتا ب، وقياس المستوى باستخدام الضغط الهيدروستاتيكي، وقياس الكثافة، إلخ.
- نوع الضغط المراد قياسه :
- الضغط النسبي
- الضغط الجوي
- الضغط المطلق
- الضغط التفاضلي
- الضغط الجوي
- إن نطاق الضغط أو نطاق القياس
- الديناميكيات أو المدى
- دقة قياس الضغط
- وقت الاستجابة
- الواجهة الميكانيكية أو تركيبات التوصيل الميكانيكي أو وصلة العملية: الوصلة اللولبية، وصلة الشفة، إلخ.
- إشارة الإخراج التناظرية و/أو الرقمية، سلكية أو لاسلكية
- البيئة المناخية والقيود المرتبطة بها:
- البيئة الصناعية والقيود المرتبطة بها واللوائح الحالية:
الضغط التفاضلي أو المطلق أو النسبي: الأنواع المختلفة من مستشعرات الضغط؟
تقيس حساسات الضغط النسبي ضغط العملية بالنسبة للضغط الجوي. يتم قياس الضغط الجوي باستخدام تجويف مرجعي داخل جهاز الإرسال. وينخفض هذا الضغط مع زيادة الارتفاع.
تستخدم حساسات الضغط التفاضلي حجرتين منفصلتين متصلتين بواسطة غشاء مرن. يتم قياس الضغط على جانبي الحجاب الحاجز. والضغط التفاضلي (dp) هو فرق الضغط بين هذين الضغطين - ضغط مرجعي على جانب الضغط المنخفض (BP أو LP) وضغط على جانب الضغط العالي (HP). تُستخدم أجهزة قياس الضغط التفاضلي هذه لقياس تدفق السوائل في الأنابيب ومراقبة انسداد المرشح.
تقارن مستشعرات الضغط المطلق الضغط النسبي مع التفريغ المطلق. الضغط المطلق موجب دائمًا. وتتمثل ميزة هذا الجهاز في أنه خالٍ من الاختلافات في الضغط الجوي، وذلك بفضل الغرفة المرجعية للتفريغ، وبالتالي فهو أكثر دقة. يمكن التعبير عن الضغط المطلق من الضغط النسبي بإضافة 1.013 بار، أي p. الضغط المطلق (بار مطلق) = p. نسبي (بار) + 1.013.
يفصل حساس الضغط الغشائي سائل العملية الذي يتم قياسه عن خلية الضغط. ويصنع الحجاب الحاجز وأجزاء التلامس من مادة مقاومة للسائل الذي يجري قياسه ويتم لحامها بقاعدة خلية الضغط.
ويوفر أنبوب شعري أو غلاف التوصيل الوصلة بين الغشاء الفاصل وخلية الضغط. يجب تفريغ هذا الحيز تحت التفريغ، ثم ملؤه بزيت ملء وإغلاقه. يمارس الضغط المقيس قوة على السطح الخارجي للحجاب الحاجز. وبينما ينثني الحجاب الحاجز إلى الداخل، فإنه يحاول ضغط سائل الملء داخل الجهاز.
تم تصميم سائل التعبئة هذا لمقاومة الانضغاط، وبالتالي يتم توجيه القوة مباشرة إلى خلية قياس الضغط. ويستند التشغيل الكامل لمحول ضغط مانع تسرب الضغط الغشائي على مبدأ بليز باسكال.
يتم تصنيع حساسات الضغط الغشائي من مجموعة متنوعة من المواد بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والإينكونيل والهاستيلوي والمونيل والتنتالوم والنيكل. تعتمد المواد المستخدمة على نوع التطبيق ودرجة الحرارة التي تم تصميم حساس الضغط الصناعي من أجلها.
تُستخدم مجسات الضغط المزودة بفواصل لقياس ضغط السوائل في درجات الحرارة العالية.
- أجهزة إرسال الضغط متعددة المتغيرات
تجمع حساسات الضغط متعددة المتغيرات بين قياس الضغط التفاضلي وقياس الضغط المطلق وقياس درجة الحرارة في نفس الحساس.
تُستخدم هذه المنتجات بشكل خاص لقياس التدفق الكتلي.
أجهزة استشعار المستوى الهيدروستاتيكي هي أجهزة قياس تُستخدم لتحديد مستوى ملء السائل في الخزانات أو الأحواض. ويعتمد مبدأ القياس على الضغط الهيدروستاتيكي، وهو الوزن الذي يبذله السائل كدالة لارتفاع عمود الملء.
- مجسات الضغط الغاطسة
يمكن غمر مجسات الضغط الهيدروستاتيكي هذه في سائل لقياس المستوى في خزان أو خزان. وهي مزودة بشكل عام بغشاء من الفولاذ المقاوم للصدأ.
كيف تقوم بمعايرة مستشعر الضغط؟
تحتاج أجهزة إرسال الضغط الصناعية إلى المعايرة بشكل دوري لضمان دقة القياس طوال دورة حياتها، ولضمان أن تكون دائمًا في حالة عمل جيدة. تجنب العوامل التي تؤثر على الدقة.
يتم تحديد فترة المعايرة من قبل الشركات المصنعة لمستشعر الضغط. يجب معايرة المقياس الصفري والمقياس الكامل.
في المصنع، للتحقق من خطية إشارة الخرج، يتم فحص الدقة عند عدة نقاط في نطاق الضغط.
تتضمن المعايرة تطبيق ضغط مرجعي محدد على الواجهة الميكانيكية لمحول الطاقة، والتحقق من إشارة الخرج ثم تطبيق التعويض. يمكن معايرة الحساس باستخدام برغي ضبط خارجي أو مؤشر رقمي محلي أو واجهة برمجة أو برنامج برمجة.
من أجل تنفيذ عمليات التلاعب المختلفة، قد يكون من الضروري وجود صمام عزل أو مشعب مركب على جهاز إرسال الضغط لعزله عن العملية.
بالنسبة للمعايرات السنوية، يمكنك الاستعانة بشركة متخصصة في معايرة مستشعرات الضغط.
تضمن المعايرة المنتظمة دقة قياس الضغط لضمان الحصول على نتائج متسقة.
كيف أقوم بتركيب مقياس الضغط؟
يمكن تركيب محولات الضغط عن طريق توصيل ميكانيكي بجهاز القياس أو بشبكة الأنابيب حيث يراد قياس الضغط.
يجب اتخاذ احتياطات خاصة اعتمادًا على ظروف الضغط ودرجة الحرارة الخاصة بالعملية.
يمكن توصيل الإشارة الصادرة من هذا الجهاز بنظام عرض (أ شاشة عرض رقمية صناعيةيمكن أيضًا توصيله بنظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) (نظام أتمتة قياس الضغط) من أجل التحكم في جهاز تحكم وتنظيم ضغط العملية.
إذا كنت بحاجة إلى مساعدة، نوصيك باستدعاء شركة محترفة لتركيب أداة القياس وتشغيلها.
كيف تختبر مستشعر الضغط؟
يمكن اختبار حساس الضغط من خلال تطبيق ضغط محدد معروف على الواجهة الميكانيكية لحساس الضغط والتحقق من إشارة الخرج التماثلي المقاسة أو القيمة المعروضة على المؤشر.
إذا كان جهازك معيبًا، يمكنك أن تطلب من أحد المتخصصين أو أحد مصنعي أجهزة الاستشعار الصناعية إصلاحه لك.
كيف أقوم بتهيئة جهاز إرسال الضغط؟
يمكن تكوين الأجهزة الرقمية الذكية المزودة ببروتوكول HART :
ما هي تطبيقات مستشعرات الضغط؟
الفهم لماذا قياس الضغط في الصناعات التحويلية مهم لضمان السلامة وتحسين التحكم في العمليات وتحسين كفاءة الطاقة والحفاظ على جودة المنتجات النهائية.
تُستخدم أجهزة إرسال الضغط في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.
يمكن لهذا الجهاز اكتشاف الضغوط التي تصل إلى عدة آلاف من الميليبار. ولذلك فهو ضروري في مجموعة واسعة من الصناعات لأتمتة خطوط الإنتاج والآلات. يمكن قياس ضغط الهواء المضغوط وضغط الماء وضغط البخار وضغط الغاز.
على سبيل المثال، تشمل التطبيقات الضغط التفاضلي وقياس الفتحة لتدفق السائل في أنبوب، أو تدفق الغاز أو تدفق البخار، أو مراقبة المرشح، أو قياس المستوى باستخدام حساس غشاء تدفق السائل في الخزان، أو قياس كثافة السائل أو قياس الضغط النسبي.
اعتمادًا على مجال عملك، تحتاج إلى اختيار أداة القياس المناسبة لتطبيقك وقيود بيئتك الصناعية.
ما هي مزايا وعيوب أجهزة استشعار الضغط؟
مزايا مستشعرات الضغط
- الدقة والموثوقية: توفر مستشعرات الضغط قياسات دقيقة للغاية، وهي ضرورية للتطبيقات الصناعية. فهي تزيد الإنتاجية وتقلل التكاليف من خلال توفير معلومات دقيقة عن ضغط الغازات أو السوائل.
- مقاومة الظروف القاسية: حتى في درجات الحرارة المرتفعة أو البيئات المسببة للتآكل، مثل تلك التي تواجهها مع الهواء المضغوط، تعمل هذه المستشعرات بموثوقية ودقة استثنائية.
- المتانة والصلابة: أجهزة استشعار الضغط، الموضوعة في حاويات من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم، مقاومة للصدمات والاهتزازات والبيئات المعادية. لا تتطلب صيانة متكررة وهي مصممة لتدوم طويلاً.
- مرونة الاستخدام: تتوفر هذه المستشعرات في مجموعة متنوعة من التصميمات والتقنيات، وتغطي مجموعة واسعة من نطاقات قياس الضغط، بما في ذلك تطبيقات التفريغ والضغط السلبي. مرونتها تجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من الصناعات.
- سهولة التركيب: مع توفر مجموعة واسعة من التركيبات والموصلات، يمكن دمج مستشعرات الضغط بسرعة وسهولة في أنظمة التشغيل الآلي، مما يقلل من أخطاء التركيب.
- مقاومة التحميل الزائد: يمكن لمستشعرات الضغط أن تتحمل ذروة الضغط القصوى، مثل تلك الناتجة عن الإغلاق السريع للصمامات، وذلك بفضل مقاومتها العالية للحمل الزائد.
عيوب مستشعرات الضغط
- التكلفة المبدئية: يمكن أن تكون تكلفة الحصول على مستشعرات ضغط عالية الدقة وعالية الجودة مرتفعة، مما قد يمثل استثمارًا كبيرًا لبعض الشركات.
- الحساسية للتداخل: يمكن أن تكون المستشعرات التي تستخدم أشباه الموصلات حساسة للتداخل الكهرومغناطيسي، مما قد يؤثر على دقتها.
- تعقيد التركيب: على الرغم من أن العديد من أجهزة الاستشعار مصممة للتركيب السهل، إلا أن بعض التطبيقات المعقدة قد تتطلب مهارات فنية محددة لضمان التشغيل الأمثل.
- الصيانة في ظل ظروف معينة: في بعض التركيبات، لا سيما عندما تكون الظروف البيئية قاسية، قد تكون هناك حاجة إلى صيانة منتظمة لضمان استمرار أداء المستشعر.
كيف أختار مقياس الضغط المناسب؟
للتأكد من أن عملياتك وأنظمتك تعمل كما هو متوقع وتحقق النتائج المتوقعة، يجب عليك تجنب أخطاء قياس الضغطالخبراء في فوجي إلكتريك، الشركة الفرنسية المصنعة لأجهزة استشعار الضغط الصناعيسوف يرشدونك ويقدمون لك قياس الضغط المصمم للاستخدام الأكثر تطلبًا.
قياس الضغط لا يمكن ارتجاله!
يتطلب قياس الضغط خدمات المتخصصين في قطاع الأجهزة.
تشتهر محولات الطاقة الكهربائية من فوجي إلكتريك بتقنيتها العالية، ودقة قياس الضغط، ونطاق القياس الواسع، والاستقرار على المدى الطويل، وجودة البناء، والموثوقية، والمتانة، والدعم الفني، وسياسة الإرجاع السهلة، وخدمة التوصيل السريع للعملاء.