مستشعر الضغط المقياس مقابل مستشعرات الضغط المطلق والتفاضلي: دليل فني للأتمتة الصناعية والتحكم في العمليات

مستشعر الضغط المقياسي (ويسمى أيضًا مستشعر الضغط النسبي) هو جهاز يقيس الضغط بالنسبة إلى الضغط الجوي المحيط. يحتوي المستشعر على منفذ مرجعي مهووس مفتوح للغلاف الجوي المحيط. يقوم عنصر الاستشعار بقياس الفرق بين ضغط العملية المطبق على أحد جانبي الحجاب الحاجز والضغط الجوي المطبق على الجانب الآخر. عندما يساوي ضغط العملية الضغط الجوي، يكون خرج المستشعر صفرًا (0 رطل لكل بوصة مربعة، أو 0 بار، أو 0 كيلو باسكال). عندما يكون ضغط العملية أعلى من الضغط الجوي (الضغط الإيجابي)، يكون الخرج موجبًا. عندما يكون ضغط العملية أقل من الضغط الجوي (الفراغ أو الضغط السلبي)، يكون الإخراج سلبيًا. عادةً ما يكون عنصر الاستشعار عبارة عن غشاء مصنوع من السيليكون ذو مقاومة التجويف الدقيقة (MEMS) أو مقياس سلالة رقيق على غشاء معدني. عندما يؤدي الضغط إلى تشويه الحجاب الحاجز، تتغير مقاومة مقاومات الضغط، مما ينتج عنه خرج كهربائي يتناسب مع الضغط المطبق. عادةً ما يتم تضخيم إشارة الخرج إلى المستويات الصناعية القياسية: تيار حلقة 4-20 مللي أمبير، أو 0-5 فولت تيار مستمر، أو 0-10 فولت تيار مستمر، أو المخرجات الرقمية (I2C، SPI، CAN bus). تُستخدم أجهزة قياس الضغط في آلاف التطبيقات: مراقبة ضغط النظام الهيدروليكي، وأنظمة الهواء المضغوط، وشبكات توزيع المياه، والتحكم في المضخة، وقياس مستوى الخزان (عن طريق قياس الضغط الهيدروستاتيكي)، وأدوات التحكم الهوائية. للحصول على المواصفات الفنية التفصيلية، يمكن لمحترفي المصادر الرجوع إلى أجهزة استشعار قياس الضغط صفحات المنتج لأوراق بيانات المواد وتقارير الاختبار.

يكمن الاختلاف الأساسي بين أجهزة استشعار الضغط المقياس والمطلق والتفاضلي في الضغط المرجعي المستخدم للقياس. تستخدم أجهزة استشعار قياس الضغط الضغط الجوي كمرجع. يحتوي المستشعر على مبيت مزود بفتحات تهوية أو منفذ مرجعي مفتوح للهواء. الناتج صفر عند الضغط الجوي. تعتبر أجهزة الاستشعار مناسبة لمعظم العمليات الصناعية لأن المشغلين يهتمون بالضغط النسبي للبيئة (على سبيل المثال، 100 رطل لكل بوصة مربعة فوق الغلاف الجوي). تستخدم مستشعرات الضغط المطلق غرفة مرجعية مفرغة محكمة الغلق (فراغ مثالي، 0 رطل لكل بوصة مربعة) كمرجع. لا يتم تنفيس المستشعر إلى الغلاف الجوي. الناتج صفر فقط في الفراغ المثالي. تُستخدم أجهزة الاستشعار المطلقة لقياس الضغط الجوي، واستشعار الارتفاع، والتطبيقات التي تؤثر فيها تغيرات الضغط الجوي على القياس (على سبيل المثال، اختبار تسرب الحاويات المغلقة، والتحكم في ضغط الفرن الفراغي). تقوم مستشعرات الضغط التفاضلي بقياس الفرق بين ضغطي العمليتين (P1 - P2). لا يتم تنفيس أي منفذ للغلاف الجوي. تُستخدم أجهزة الاستشعار التفاضلية لقياس التدفق (باستخدام لوحات الفتحات)، ومراقبة المرشح (هبوط الضغط عبر المرشح)، وقياس مستوى السائل في الخزانات المغلقة (الفرق بين الضغط السفلي وضغط البخار العلوي). الاختيار يعتمد على التطبيق. بالنسبة لخزان التنفيس، المقياس صحيح. بالنسبة لخزان مغلق مع ضغط جوي متفاوت، قد تكون هناك حاجة إلى نظام تفاضلي. لقياس الارتفاع، مطلوب المطلق. ويلخص الجدول أدناه الاختلافات الرئيسية.

تستخدم أجهزة استشعار الضغط الحديثة تقنية MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة)، التي تدمج الهياكل الميكانيكية المجهرية مع الدوائر الإلكترونية على شريحة سيليكون واحدة. إن قلب مستشعر الضغط MEMS عبارة عن غشاء من السيليكون مصنوع بآلة دقيقة، يتراوح سمكه عادة من 5 إلى 50 ميكرومتر، ويتم تصنيعه باستخدام عمليات الطباعة الحجرية الضوئية والحفر. يتم نشر Piezoresistors (مناطق السيليكون المخدرة التي تغير المقاومة عند الضغط عليها) في الحجاب الحاجز في المواقع عالية الضغط (الحواف والوسط). عند تطبيق الضغط، ينحرف الحجاب الحاجز، مما يسبب إجهادًا في مقاومات التجويف. يتناسب تغيير المقاومة مع الضغط المطبق. ترتبط مقاومات الضغط الأربعة في تكوين جسر ويتستون، الذي يحول تغيرات المقاومة إلى إشارة جهد تفاضلي. يتم تضخيم إشارة الجهد، وجعلها خطية، وتعويضها بدرجة الحرارة، وتحويلها إلى تنسيق الإخراج المطلوب (4-20 مللي أمبير، أو الجهد الكهربي، أو الرقمي) بواسطة ASIC (الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيق) أو دائرة تكييف الإشارة. يتم تثبيت شريحة MEMS على ركيزة (السيراميك أو ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو المعدن)، ويتم ربطها بالأسلاك، ومحمية بطبقة هلامية أو غشاء عزل من الفولاذ المقاوم للصدأ من أجل توافق الوسائط. يتم تحقيق مرجع المقياس عن طريق تنفيس الجانب الخلفي من شريحة MEMS (أو الجانب الخلفي من غشاء العزل) إلى الغلاف الجوي من خلال فتحة تهوية في مبيت المستشعر. توفر تقنية MEMS العديد من المزايا: حجم صغير جدًا (شريحة صغيرة بحجم 1 مم × 1 مم)، وحساسية عالية (نطاق ميكروفولت لكل باسكال)، واستهلاك منخفض للطاقة (ملي واط)، وقابلية تكرار ممتازة، وتكلفة منخفضة في الكميات الكبيرة. بالنسبة للبيئات الصناعية القاسية (السوائل المسببة للتآكل، ودرجات الحرارة المرتفعة)، يمكن عزل شريحة MEMS عن الوسائط بواسطة غشاء من الفولاذ المقاوم للصدأ ومليئة بزيت السيليكون (مستشعر ضغط قياس مملوء بالزيت).

تتوفر أجهزة استشعار قياس الضغط في مجموعة واسعة من نطاقات الضغط لتناسب التطبيقات الصناعية المختلفة. يتم استخدام نطاقات الضغط المنخفض (0-1 رطل لكل بوصة مربعة إلى 0-15 رطل لكل بوصة مربعة، 0-0.07 بار إلى 0-1 بار) لمراقبة ضغط الهواء في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، والضغط التفاضلي في غرف الأبحاث، والأنظمة الهوائية منخفضة الضغط. يتم استخدام نطاقات الضغط المتوسط ​​(0-50 رطل لكل بوصة مربعة إلى 0-500 رطل لكل بوصة مربعة، 0-3.5 بار إلى 0-35 بار) للهيدروليكيات الصناعية العامة، وتوزيع المياه، وضغط تفريغ المضخة، والتحكم في العمليات. تُستخدم نطاقات الضغط العالي (0-1000 رطل لكل بوصة مربعة إلى 0-10000 رطل لكل بوصة مربعة، ومن 0-70 بار إلى 0-700 بار) في المكونات الهيدروليكية للمعدات الثقيلة، وآلات القولبة بالحقن، والمكابس الهيدروليكية، والقطع بنفث الماء عالي الضغط. نطاقات التفريغ أو المركب (-14.7 رطل لكل بوصة مربعة إلى 0 رطل لكل بوصة مربعة، -1 بار إلى 0 بار) لقياس الضغط السلبي (الفراغ) لمراقبة الشفط والتعبئة الفراغية والتطبيقات المعملية. النطاقات المركبة (-14.7 إلى 30 رطل لكل بوصة مربعة، -1 إلى 2 بار) تقيس كلاً من الضغط الفراغي والإيجابي. يتم توحيد إشارات الإخراج للتوافق الصناعي. المخارج التناظرية: تيار حلقي 4-20 مللي أمبير (الأكثر شيوعًا للتحكم الصناعي، تشغيل الكابلات الطويلة، مناعة الضوضاء)، 0-5 فولت تيار مستمر، 0-10 فولت تيار مستمر (شائع في أجهزة PLC والحصول على البيانات)، و1-5 فولت تيار مستمر. المخرجات الرقمية: I2C وSPI (للأنظمة المدمجة وأجهزة إنترنت الأشياء)، وRS-485 Modbus (للشبكات الصناعية)، وCAN bus (للسيارات والمعدات الثقيلة). يكون جهد الإثارة عادة 5 فولت تيار مستمر أو 9-30 فولت تيار مستمر (لأجهزة الاستشعار التي تعمل بالطاقة الحلقية 4-20 مللي أمبير).

الدقة هي المواصفات الأكثر أهمية لمستشعر قياس الضغط. يتم التعبير عنها عادةً كنسبة مئوية من النطاق الكامل (%FS). تحقق مستشعرات الضغط ذات القياس الصناعي دقة تبلغ ±0.5% FS، أو ±0.25% FS، أو ±0.1% FS. تحقق المستشعرات عالية الدقة لتطبيقات المختبرات أو المعايرة ±0.05% FS أو أفضل. تتضمن الدقة العديد من مصادر الخطأ: الخطية (انحراف الخرج من خط مستقيم عبر نطاق الضغط)، والتباطؤ (الفرق في الخرج عند زيادة الضغط مقابل انخفاض الضغط)، والتكرار (القدرة على إنتاج نفس الخرج لنفس الضغط في ظل ظروف مماثلة)، وتأثيرات درجة الحرارة (التحول الصفري وتحول الامتداد مع درجة الحرارة). بالنسبة لمستشعر FS بنسبة ±0.5%، يكون نطاق الخطأ الإجمالي (بما في ذلك الخطية والتباطؤ والتكرار وتأثيرات درجة الحرارة على نطاق درجة الحرارة المعوض) ضمن ±0.5% من قراءة النطاق الكامل. على سبيل المثال، مستشعر 0-100 رطل لكل بوصة مربعة بدقة FS ±0.5% لديه حد أقصى للخطأ يبلغ ±0.5 رطل لكل بوصة مربعة في أي نقطة. يعد تعويض درجة الحرارة أمرًا ضروريًا للقياس الدقيق عبر درجات حرارة التشغيل المختلفة. تتم معايرة المستشعر عند درجات حرارة متعددة (عادة -20 درجة مئوية، 25 درجة مئوية، و85 درجة مئوية)، ويتم تخزين معاملات التعويض في ASIC أو وحدة التحكم الدقيقة الخاصة بالمستشعر. أثناء التشغيل، يقوم المستشعر بقياس درجة الحرارة ويطبق عوامل التصحيح على قراءة الضغط. نطاق درجة الحرارة المعوض هو عادة -20 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية لأجهزة الاستشعار الصناعية، أو -40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية لأجهزة الاستشعار ذات المدى الممتد والسيارات. خارج النطاق المعوض، تنخفض الدقة بمعدل محدد (على سبيل المثال، ±0.03% FS لكل درجة مئوية).

تحدد المواد المستخدمة في بناء مستشعر الضغط التوافق الكيميائي، ومقاومة درجات الحرارة، والثبات على المدى الطويل. مادة منفذ الضغط: الفولاذ المقاوم للصدأ (304، 316، أو 316L) هو الأكثر شيوعًا لأجهزة الاستشعار الصناعية، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل للمياه والزيت والهواء والمواد الكيميائية الخفيفة. بالنسبة للوسائط شديدة التآكل (الأحماض والمواد الكاوية والمياه المالحة)، تتوفر منافذ Hastelloy C-276 أو Inconel أو التيتانيوم. بالنسبة لتطبيقات الأغذية والأدوية، يلزم وجود الفولاذ المقاوم للصدأ 316L مع وصلات صحية ثلاثية المشبك. مادة الحجاب الحاجز: لأجهزة الاستشعار للأغراض العامة، يوفر الحجاب الحاجز المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L (سمك 0.05-0.2 مم) حساسية ومتانة جيدة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار ذات الضغط المنخفض (أقل من 5 رطل لكل بوصة مربعة)، يوفر الغشاء الخزفي أو السيليكون (اتصال الوسائط المباشر) حساسية أعلى. بالنسبة للتطبيقات فائقة النقاء (أشباه الموصلات والمستحضرات الصيدلانية)، قد يكون الحجاب الحاجز مصنوعًا من سيراميك الألومينا أو السيليكون بدون أجزاء معدنية مبللة. مادة غلاف المستشعر: العبوات ذات التصنيف IP65/IP67/IP68 مطلوبة للتطبيقات المغمورة أو الخارجية أو المغمورة. تشمل خيارات السكن الفولاذ المقاوم للصدأ (للبيئات المسببة للتآكل)، والألومنيوم (للصناعة العامة)، والبولي كربونات (للاستخدامات الداخلية الخفيفة). مواد الختم: يتم استخدام الحلقات الدائرية (Viton، EPDM، NBR) أو الحشيات لإغلاق منفذ الضغط والإسكان. يجب أن تكون مادة الختم متوافقة مع سائل العملية. الفيتون (FKM) مناسب لمعظم الزيوت والوقود والمواد الكيميائية؛ EPDM مناسب للمياه والبخار وسوائل الفرامل. NBR مناسب للزيوت المعدنية والوقود. بالنسبة لتطبيقات درجات الحرارة العالية (أعلى من 125 درجة مئوية / 260 درجة فهرنهايت)، قد تكون هناك حاجة إلى أختام معدنية أو ختم من الزجاج إلى المعدن.

تُستخدم أجهزة استشعار قياس الضغط في العديد من الصناعات، وتختلف المواصفات حسب التطبيق. بالنسبة للأنظمة الهيدروليكية (المكابس الصناعية، وآلات القولبة بالحقن، ومعدات البناء، والرافعات الشوكية)، يعد مستشعر الضغط من 0-5000 رطل لكل بوصة مربعة إلى 0-10000 رطل لكل بوصة مربعة مع خرج 4-20 مللي أمبير وتصنيف IP67 قياسيًا. يجب أن يتحمل المستشعر طفرات الضغط (الضغط المقدر 2-3x) وأن يتمتع بقدرة عالية على الضغط الزائد. بالنسبة للأنظمة الهوائية (مراقبة الهواء المضغوط، وأدوات الهواء، والمشغلات الهوائية)، يتم استخدام مستشعر قياس 0-150 رطل لكل بوصة مربعة أو 0-300 رطل لكل بوصة مربعة مع إخراج 0-10 فولت تيار مستمر ووقت الاستجابة السريعة (أقل من 1 مللي ثانية). لقياس مستوى السائل في الخزانات المفتوحة (أبراج المياه، الأحواض، خزانات المواد الكيميائية، أحواض الصرف الصحي)، يقوم مستشعر الضغط الغاطس بقياس الضغط الهيدروستاتيكي في قاع الخزان. يتناسب الضغط مع ارتفاع السائل: 1 رطل لكل بوصة مربعة ≈ 2.31 قدم (0.7 متر) من الماء. للحصول على قياس دقيق للمستوى، يجب تنفيس المستشعر من خلال الكابل (تصميم مقياس التنفيس) بحيث يتم إلغاء تغيرات الضغط الجوي. لمراقبة الفراغ (التغليف المفرغ، أكواب الشفط، الشفط الطبي، غرف التفريغ المختبرية)، يلزم وجود مستشعر ضغط مركب (-14.7 إلى 0 رطل لكل بوصة مربعة، -1 إلى 0 بار) لقياس الضغط السلبي بالنسبة للغلاف الجوي. يجب أن يتمتع المستشعر بدقة عالية عند الضغوط المنخفضة (0.1% FS أو أفضل). للتحكم في المضخة ومراقبة الآبار (آبار المياه، مضخات الري، المضخات المعززة)، يتم استخدام مستشعر قياس 0-200 رطل لكل بوصة مربعة مع خرج 4-20 مللي أمبير وغطاء متين من الفولاذ المقاوم للصدأ لمراقبة ضغط تفريغ المضخة والحماية من ظروف التشغيل الجاف. يطابق الجدول أدناه التطبيقات ذات المواصفات الموصى بها.

بالنسبة للمصنعين الذين يقومون بتصدير أجهزة استشعار قياس الضغط، تعد شهادات الجودة والامتثال الموثقة ضرورية. تشمل المعايير والشهادات الأكثر طلبًا ما يلي: علامة CE (المطابقة الأوروبية) بموجب توجيه EMC (2014/30/EU) وتوجيه RoHS (2011/65/EU)، وISO 9001 (نظام إدارة الجودة)، وبالنسبة لتطبيقات المناطق الخطرة، شهادة ATEX (الأوروبية) أو IECEx (الدولية) للسلامة الجوهرية (Ex ia) أو الغلاف المقاوم للاشتعال (Ex d). تتضمن اختبارات الأداء المحددة ما يلي: اختبار الدقة (القياس عند 5-10 نقاط معايرة عبر نطاق الضغط، لأعلى ولأسفل، للتحقق من الخطية، والتباطؤ، والتكرار)، واختبار تعويض درجة الحرارة (القياس عند -20 درجة مئوية، و25 درجة مئوية، و85 درجة مئوية أو نطاق محدد للتحقق من التحول الصفري والتحول الممتد)، واختبار الاستقرار طويل المدى (اختبار الانجراف لمدة 500-1000 ساعة عند ضغط مقدر عند 85 درجة مئوية للتحقق من أن الإخراج لا يتغير أكثر من النسبة المحددة سنويًا)، واختبار الضغط الزائد (تطبيق ضغط مقدر من 1.5x إلى 3x دون ضرر)، واختبار ضغط الانفجار (اختبار مدمر للتحقق من هامش الأمان)، واختبار السلامة الكهربائية (مقاومة العزل، وقوة العزل الكهربائي)، واختبار EMC (الانبعاثات المشعة والموصلة وفقًا لمعيار CISPR 11، والحصانة وفقًا للمواصفة IEC 61000-4-2 إلى -6). بالنسبة لأجهزة استشعار الضغط المستخدمة في الأجهزة الطبية، يلزم الحصول على شهادة ISO 13485. لتطبيقات السيارات، مطلوب شهادة IATF 16949. بالنسبة لتطبيقات مياه الشرب، قد تكون هناك حاجة إلى شهادة NSF/ANSI 61 للمواد الملامسة لمياه الشرب. ويتطلب العديد من المشترين الصناعيين الكبار أيضًا إجراء عمليات تدقيق للمصنع تغطي ISO 9001 وإمكانية تتبع المعايرة الموثقة للمعايير الدولية (NIST أو PTB أو معاهد القياس الوطنية الأخرى). يحصل المصنعون الذين يحتفظون بالشهادات الحالية وسجلات الجودة الشفافة على ميزة تنافسية في المصادر الدولية.