۱- فشار چیست؟

هنگامی که نیرویی به یک سطح اعمال می شود، فشار تجربه می شود. این بدان معنی است که ما می توانیم فشار را با افزایش نیرو و یا کاهش سطح افزایش دهیم. ما همچنین تمایل داریم که نیرو را  با عبارت وزن در نظر بگیریم (این عبارت درست است وقتی که گرانش ثابت فرض شود). به عنوان مثال، نیروی تولید شده توسط وزن ۱ پوند به دلیل گرانشی که روی سطح ۱ اینچx 1 اینچ (یک اینچ مربع) اعمال میشود، فشار ۱ پوند بر اینچ مربع را تولید می کند، که  معمولا به عنوان  ۱psi (یک پوند بر اینچ مربع) نوشته می شود. اگر همان ۱lb نیرو را به نصف سطح اعمال کنیم، فشار برابر با ۲ Psi است. در تجربه روزمره ما ممکن است لاستیک اتومبیل ها را به ۲۶ psi پمپاژ  کنیم.

ما همچنین فشار را  به شکل آب و هوا (یا فشار اتمسفری) تجربه می کنیم. این فشار می تواند نیرویی در نظر گرفته شود که توسط جو بر روی سر ما وارد می شود. وقتی که فشار جوی تغییر می کند، آب و هوا هم تغییر می کند. فشار بالا معمولا در روزهای آفتابی منجر می شود، در حالی که فشار کم باعث ایجاد هوای ابری می شود.

اگر ما به لاستیک های ماشین برگردیم، دو فشار روی دیواره تایر تاثیر می گذارند. فشار هوا در خارج از تایر و فشار باد لاستیک که ما روی گیج زمان یاد کردن لاستیک می خوانیم.

۲- انواع اندازه گیری فشار چیست؟

با استفاده از مثال فوق، ما می توانیم ۳ نوع اندازه گیری فشار را نشان دهیم.

الف) فشار گیج – (فشار در تایر) یا (تفاوت بین فشار مطلق و فشار اتمسفر)
ب) فشار مطلق – (ترکیب فشار اتمسفر و فشار تایر)
ج) فشار دیفرانسیل – (اختلاف بین هر دو فشار اندازه گیری شده)

اما همه آنها مربوط به یکدیگر هستند.

الف) فشار گیج با مقایسه با فشار اتمسفر اندازه گیری می شود .

اندازه گیری فشار که تفاوت بین فشار اتمسفر و تایر را اندازه گیری می کند فشار گیج است. برای جلوگیری از سردرگمی، ما معمولا “g” را به واحد اندازه گیری اضافه می کنیم. به عنوان مثال پوند بر اینچ مربع گیج  (Psig).

تمام فشار سنج ها، سنسورها، مبدل ها، ترنمسمیتر ها و ترنسدیوسر ها که فشار گیج اندازه گیری می کنند، در واقع اندازه گیری اختلاف فشار اتمسفر و فشاری که باید اندازه گیری شود را اندازه گیری می کنند.

ب) فشار مطلق بر اساس مقایسه با خلاء اندازه گیری می شود.

در بعضی از برنامه ها تغییرات فشار جو ممکن است مهم باشد. در این مثال ما می توانیم تفاوت بین خلاء و تایر را اندازه گیری کنیم. این یک اندازه گیری فشار مطلق نامیده می شود و اثر اضافه کردن فشار اتمسفر به فشار تایر را نشان می دهد.

بنابراین فشار مطلق برابر فشار گیج و فشار اتمسفری است.

ج) فشار دیفرانسیل بر اساس یک فشار مرجع خاص اندازه گیری نمی شود.

بر خلاف ترنسمیترهای فشار گیج یا مطلق، ترنسمیترهای فشار دیفرانسیل تلاش نمیکنند تا  مرجع را فیکس کنند. به طور قابل توجهی افزایش دیفرانسیل میتواند نتیجه افزایش یکی از فشارها یا کاهش دیگری باشد.

افزایش فشار دیفرانسیل رخ خواهد داد اگر  مثلا یک فشار(P1 ) کوچکتر شود یا فشار دیگر (P2 ) بزرگتر شود. به طور مشابه، کاهش فشار دیفرانسیل رخ می دهد اگر P1 بزرگتر شود یا P2 کوچکتر شود. اندازه گیری فشار دیفرانسیل ارتباطی ندارد که آیا دو فشار پایین در خلاء، اتمسفر یا فشارهای دیگر وجود دارد یا خیر بلکه فقط به تفاوت بین دو فشار علاقه مند است در هر محیطی باشند

مقدمات اندازه گیری فشار دیفرانسیل حالا ایجاد شده است.

همه ترانسمیترهای فشار دیفرانسیل، گیج ها، سنسورها و ترنسدیوسرها که اختلاف فشار دیفرانسیل را اندازه گیری می کنند، در واقع تفاوت بین دو فشار را اندازه نمیگیرند. بعضی از دستگاه ها دو فشار گیج را اندازه گرفته و سپس با ریاضیات اختلاف را محاسبه می کنند. این روش به نظر ما عیب دارد زیرا که شامل عدم قطعیت چهار اندازه گیری فشار است.

۳- اندازه گیری دیفرانسیل فشار (DP) کجا استفاده می شود؟

اندازه گیری فشار دیفرانسیل عمدتا در کاربردهای خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. این اغلب مبنای اندازه گیری های دیگر مانند جریان، سطح، چگالی، چسبندگی و حتی درجه حرارت است.  که شایع ترین نوع، سطح و جریان است.

اندازه گیری نرخ جریان DP یکی از رایج ترین  کاربردهای عمومی برای ترانسمیترهای دیفرانسیل فشار است. با اندازه گیری تفاوت در فشار مایع در حالی که سیال از طریق یک لوله جریان می یابد، سرعت جریان را می توان محاسبه کرد.

فلو مترهای دیفرانسیل یک المنت اولیه و ثانویه دارند. به طور کلی، المنت اصلی طراحی شده است تا اختلافی در فشار را در جهت جریان افزایش ایجاد کند. انواع مختلفی از المنت اولیه وجود دارد، شایع ترین آنها عبارتند از ورق سوراخ (orifice plate)،  ونچوری (venturi)، نازل جریان و لوله پیتوت.

المنت ثانویه فلو متر، ترنسمیتر دیفرانسیل فشار است که  برای اندازه گیری فشار دیفرانسیل تولید شده توسط المنت اصلی، با دقتی که ممکن است طراحی شده است . به طور خاص، مهم است که اندازه گیری فشار دیفرانسیل تحت تأثیر تغییرات فشار، دمای یا سایر خواص سیال مانند دمای محیط قرار نمی گیرد.

یک ترنسمیتر خوب DP اطمینان حاصل خواهد کرد که فشار دیفرانسیل دقیقا مستقل از دیگر پارامترهای تغییر، اندازه گیری شده است و به طور قابل اعتماد یک سیگنال را برای نشان دادن فشار دیفرانسیل منتقل می کند. در مورد یک ترانسمیتر جریان dp، سیگنال خروجی نیز ممکن است شامل استخراج مربع ریشه باشد. اگر چه عموما این روزها این عملکرد ،در یک فلو کامپیوتر سیستم DCS انجام می شود.

سیگنال خروجی ترانسمیتر صنعتی DP اکثرا ۴-۲۰mA است، اما ممکن است شامل ارتباطات دیجیتال مانند HART, Profibus و Fieldbus, Modbus, 485 RTU یا یکی از پروتکل های ارتباطی دیگر باشد. هدف این است که یک سیگنال الکتریکی برای انتقال به دستگاه کنترل فرآیند از راه دور فراهم کند.

در حال حاضر ما کشف کرده ایم که فشار دیفرانسیل چیست و چگونه از آن استفاده می شود، ما هم اکنون می توانیم توجه خود را بر روی خود ترانسمیتر فشار دیفرانسیل متمرکز کنیم.

۴- یک ترانسمیتر اختلاف فشار چیست؟

شایع ترین و مفیدترین ابزار صنعتی اندازه گیری فشار ، ترانسمیتر دیفرانسیل فشار است. این تجهیز اختلاف فشار بین دو پورت را می سنجد و یک سیگنال خروجی را بر پایه رفرنس به محدوده فشار کالیبره شده تولید می کند.

ترنسمیترهای دیفرانسیل فشار صنعتی از دو محفظه ساخته شده اند. المنت حسگر فشار در نیمه پایین قرار دارد و قسمتهای الکترونیکی در نیمه بالا قرار دارد. دو پورت فشار خواهد داشت که با عنوان “high” و “low” نامگذاری می شود. لازم نیست که پورت high همیشه در فشار بالا و پورت Low همیشه در فشار کم باشد. این نشانه گذاری مربوط به اثر پورت در سیگنال خروجی است.

در این مرحله سعی خواهیم کرد که ساختار داخلی ترنسمیتر را توضیح دهیم.

۵. ساختار ترنسمیتر فشار دیفرانسیل:

ترنسمیتر فشار دیفرانسیل دارای سه بخش عملکردی است.

۱) المنت حسگر فشار مستقیم (واقع در محفظه پایین).

اکثر ترنسمیترهای صنعتی DP با دیافراگم به عنوان المنت سنجش فشار به کار می روند. این دیافراگم وسیله مکانیکی است. دیافراگم در بین دو پورت ورودی فشار قرار دارد. دیافراگم توسط فشار اعمال شده تغییر و منحرف می کند.

این تغییر و انحراف به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این امر معمولا توسط سنسورها انجام می شود. سنسورهای معمول استفاده شده عبارتند از:

a) Strain Gauge

b) Differential Capacitance

c) Vibrating wire

خروجی سنسور متناسب با فشار اعمال شده است.

۲) واحد الکترونیک: سیگنال الکتریکی تولید شده در محفظه پایین توسط سنسور  در محدوده میلی ولت است.

این سیگنال باید به رنج ۰-۵V یا ۰-۱۰V تقویت شود یا برای انتقال به یک دستگاه از راه دور به ۴-۲۰mA تبدیل شود. این بخش فوقانی، بخش فرستنده ترانسمیتر DP است که واحد الکترونیک را در اختیار دارد.

۳) فرستنده جریان ۴-۲۰mA  دو سیمه:

یک جریان خروجی DC تولید می شود که به طور مستقیم با رنج فشار  ترنسمیتر DP متناسب است. محدوده پایین تر ۴mA و محدوده بالا ۲۰mA است. این خروجی جریان کنترل شده، توسط تغییرات امپدانس بار و نوسانات ولتاژ تغذیه تحت تاثیر قرار نمی گیرد. این خروجی ۴-۲۰mA همراه با ارتباطات دیجیتال پروتکل BRAIN یا HART FSK قرار دارد.

۶. کاربرد صنعتی فرستنده های فشار دیفرانسیل:

کاربردهای نامحدودی از ترانسمیترهای فشار دیفرانسیل وجود دارد.

• اندازه گیری جریان نفت و گاز در برنامه های ساحلی، دریایی و زیردریایی.
• پلنت های تصفیه آب و فاضلاب.  به طور گسترده ای برای نظارت بر فیلتر در این پلنتها استفاده می شود.
•  نظارت بر سیستم های پاششی (Sprinkler).
• سنجش از دور از سیستم های گرمایشی برای بخار یا آب داغ.
• افت فشار در سراسر شیرآلات می تواند مونیتور شود.
• نظارت بر کنترل پمپ