تصنع حساسات الضغط عادة باستخدام أغشية رقيقة و التي تكون قابلة للانثناء أو الانحناء نتيجة تطبيق ضغط ما عليها .
إن بعض حساسات الضغط تعمل باستخدام النظام الثنائي ( Binary Manner ), بمعنى آخر عند تطبيق ضغط ما على حساس الضغط, فان رد فعل الحساس يكون إما لقطع أو لإكمال عمل الدارة الكهربائية .
و كمثال, الضغط الجوي عند مستوي سطح البحر هو 100 Kpa و بالتالي فان الضغط الجوي هو ضغط مطلق .
بينما حساس الضغط المعياري المغلق يحتوي على منفذ واحد مغلق و هو يعطي متوسط الضغط الجوي .
كمثال على الضغط المعياري, ضغط العجلات ( Tire Pressure ) .
و بشكل خاص إن المتطلبات الأساسية لعنصر حساس الضغط هي إيجاد وسائل للعزل بين ضغطي سائلين
( الأول يستخدم من اجل القياس و الثاني يستخدم كمرجع ) و جزء مرن من اجل تحويل فرق الضغط إلى تشوه في عنصر التحسس . هنالك أنواع عديدة من عناصر التحسس ( للضغط ) المستخدمة كما هو موضح بالشكل
إن عناصر الحساسات الغشائية هي الأكثر استخداما , إن شكل الأنبوب الخاص المسمى بأنبوب بوردون يكون منحني أو ملفوف على طول طوله و له مقطع عرضي بيضوي . إن الأنبوب مغلق من طرف واحد ويسعى إلى الاسترخاء أو الاستقامة ( أي أن الأنبوب يرتخي أو يصبح مستقيما ) و ذلك عندما يطبق ضغط داخل هذا الأنبوب . بشكل عام , إن أنابيب بوردون مصممة من اجل قياس الضغط العالي بينما عناصر التحسس التي على شكل كبسولة أو المنفاخ فإنها عادة تستخدم من اجل قياس الضغط المنخفض .
فان الإزاحة الناتجة عن أنبوب بوردون أو الكبسولة تستخدم من اجل تحريك نواة مغناطيسية داخل مجموعة من الملفات و بالتالي يحدث تغير للتحريض الكهربائي . في حساسات الضغط البيزوالكتريك (Piezoelectric) , إن الميل (الإجهاد) المرتبط بالتشوه الذي يحدث لعنصر الحساس يتحول في خرج عنصر الحساس إلى شحنة كهربائية و ذلك بواسطة كرستالة البيزوالكتريك . إن حساسات الضغط البيزوالكتريك تكون فعالة من اجل قياس الحالة العابرة أو المؤقتة للضغط العالي على سبيل المثال ضغط الانفجار . بالنسبة لحساسات الضغط التي تستخدم السلك المهتز (vibrating-wire) , هنالك سلك معدني (يكون عادة من التنجستين ) ممتد بين قاعدة مثبتة و بين منتصف الغشاء . يكون موضع هذا السلك بالقرب من مغناطيس دائم حيث يوضع في حالة الاهتزاز نتيجة تردد الاهتزاز الناتج عن إثارة التيار الكهربائي المتناوب . الضغط يسبب إزاحة في الغشاء الأمر الذي يؤدي إلى تغير التوتر و بالتالي تردد اهتزاز السلك , و الذي يقاس بواسطة الكترونيات معينة .
يعد الغشاء المعدني أو السيليكوني كعنصر التحسس للضغط حيث يشكل احد أقطاب المكثفة . بينما القطب الأخر و الذي يكون ثابت , يشكل عادة من طبقة معدنية موضوعة على ركيزة من الزجاج أو السيراميك . في حال تطبيق الضغط فان هذا يؤدي إلى انحرف الغشاء والذي بدوره يؤدي إلى تغيير مساحة الفجوة بالتالي تغير في سعة المكثفة . بينما في تصميم المكثف التفاضلي فان الغشاء المتحسس يوضع بين قطبين ثابتين و بالتالي فان الضغط المطبق يؤدي إلى زيادة سعة المكثف الأول و بالتالي نقصان سعة المكثف الثاني . كما هو مبين بالشكل
في هذه الحالة , إن الإشارة الناتجة تكون خالية من التأثيرات الخارجية الغير مرغوب فيها (التخلص من التشويش أو الضجيج) .
إن بعض حساسات الضغط تعمل باستخدام النظام الثنائي ( Binary Manner ), بمعنى آخر عند تطبيق ضغط ما على حساس الضغط, فان رد فعل الحساس يكون إما لقطع أو لإكمال عمل الدارة الكهربائية .
قياس الضغط :
الضغط المطلق :
يعبر عنه نسبة للفراغ .و كمثال, الضغط الجوي عند مستوي سطح البحر هو 100 Kpa و بالتالي فان الضغط الجوي هو ضغط مطلق .
معيار الضغط :
إن حساس الضغط المعياري ( Gauge Pressure Sensor ) يحتوي على منفذ ( فتحة ) واحد و هو مكشوف و بالتالي فانه يتحسس للضغط الجوي المحلي .بينما حساس الضغط المعياري المغلق يحتوي على منفذ واحد مغلق و هو يعطي متوسط الضغط الجوي .
كمثال على الضغط المعياري, ضغط العجلات ( Tire Pressure ) .
الضغط التفاضلي :
إن حساس الضغط التفاضلي يعبر عن الفرق في الضغط بين منفذين على جهاز واحد . و في المثال السابق, الضغط التفاضلي بين الضغط المطلق للغلاف الجوي و الضغط المعياري لإطار العجلة .
مبادئ التحسس :
يعرف الضغط على انه القوة على واحدة السطح , إن أكثر الطرق المباشرة المستخدمة لقياس الضغط هي عن طريق استخدام عنصر ميكانيكي مرن موضوع في منطقة معزولة يمكن للقوة (الضغط ) أن تؤثر عليها. إن عملية التشوه التي قد تحدث في عنصر التحسس ( مثلا زيادة في حجم مقطعه أو ازدياد طوله أو غير ذلك ) تولد وبدقة ازاحات معينة تتناسب طردا مع الضغط . هذا هو المبدأ الأساسي الذي تعتمد عليه جميع حساسات الضغط التجارية هذه الأيام .و بشكل خاص إن المتطلبات الأساسية لعنصر حساس الضغط هي إيجاد وسائل للعزل بين ضغطي سائلين
( الأول يستخدم من اجل القياس و الثاني يستخدم كمرجع ) و جزء مرن من اجل تحويل فرق الضغط إلى تشوه في عنصر التحسس . هنالك أنواع عديدة من عناصر التحسس ( للضغط ) المستخدمة كما هو موضح بالشكل
أنواع عناصر حساس الضغط التي في الشكل
- غشاء مستوي
- غشاء متموج
- كبسولة
- منفاخ
- أنبوب مستوي
- أنبوب بوردون على شكل حرف C
- أنبوب بوردون ملفوف
- أنبوب بوردون حلزوني
- أنبوب بوردون لولبي
طرق الكشف و القياس :
إن المقصود بعملية الكشف و القياس هو تحويل التشوه الذي قد يحدث لعنصر الحساس إلى قيمة الضغط المقاس . و بتقريب بسيط , إن الإزاحة الحاصلة لعنصر التحسس يمكن أن تضخم بشكل ميكانيكي بحيث يربط به مؤشر يتحرك على مقياس مدرج يشير إلى قيمة الضغط المقاس .في حساسات الضغط التي تعمل وفق نظام (LVDT)( المحول التفاضلي الخطي المتغير )(Linear – Variable Differential – Transformer )فان الإزاحة الناتجة عن أنبوب بوردون أو الكبسولة تستخدم من اجل تحريك نواة مغناطيسية داخل مجموعة من الملفات و بالتالي يحدث تغير للتحريض الكهربائي . في حساسات الضغط البيزوالكتريك (Piezoelectric) , إن الميل (الإجهاد) المرتبط بالتشوه الذي يحدث لعنصر الحساس يتحول في خرج عنصر الحساس إلى شحنة كهربائية و ذلك بواسطة كرستالة البيزوالكتريك . إن حساسات الضغط البيزوالكتريك تكون فعالة من اجل قياس الحالة العابرة أو المؤقتة للضغط العالي على سبيل المثال ضغط الانفجار . بالنسبة لحساسات الضغط التي تستخدم السلك المهتز (vibrating-wire) , هنالك سلك معدني (يكون عادة من التنجستين ) ممتد بين قاعدة مثبتة و بين منتصف الغشاء . يكون موضع هذا السلك بالقرب من مغناطيس دائم حيث يوضع في حالة الاهتزاز نتيجة تردد الاهتزاز الناتج عن إثارة التيار الكهربائي المتناوب . الضغط يسبب إزاحة في الغشاء الأمر الذي يؤدي إلى تغير التوتر و بالتالي تردد اهتزاز السلك , و الذي يقاس بواسطة الكترونيات معينة .
حساسات الضغط السعوية :
إن العديد من حساسات الضغط ذات الدقة العالية ( أكثر من 0.1 % ) و التي تستخدم في الوقت الحالي قد طورت باستخدام طرق الكشف السعوية . صممت حساسات الضغط السعوية لتغطية مجال ضغط واسع جدا . إن كلا حساسات الضغط العالي (high-pressure sensors) ذات مقياس الضغط الكامل الذي يفوق 7^10 باسكال و حساسات الفراغ (vacuum sensors) المناسبة لقياس الضغط تحت -3^10 باسكال متوفرة تجاريا .يعد الغشاء المعدني أو السيليكوني كعنصر التحسس للضغط حيث يشكل احد أقطاب المكثفة . بينما القطب الأخر و الذي يكون ثابت , يشكل عادة من طبقة معدنية موضوعة على ركيزة من الزجاج أو السيراميك . في حال تطبيق الضغط فان هذا يؤدي إلى انحرف الغشاء والذي بدوره يؤدي إلى تغيير مساحة الفجوة بالتالي تغير في سعة المكثفة . بينما في تصميم المكثف التفاضلي فان الغشاء المتحسس يوضع بين قطبين ثابتين و بالتالي فان الضغط المطبق يؤدي إلى زيادة سعة المكثف الأول و بالتالي نقصان سعة المكثف الثاني . كما هو مبين بالشكل
إن التصميم العملي لخلية التحسس السعوية التفاضلية و التي تستخدم غشاءين معزولين بالإضافة إلى مصب من الزيت من اجل إرسال الضغط التفاضلي إلى الغشاء المتحسس . الأغشية المعزولة تصنع من سبائك معدنية خاصة و ذلك من اجل تجنب عامل التآكل . يتم اختيار الزيت من اجل التنبؤ بثابت عزل فجوة المكثف بينما يؤمن تخامد كافي من اجل تخفيض تأثير الصدمات و الاهتزازات . إن خرج أقطاب المكثفة تكون موصولة بالكترونيات معينة من اجل اخذ القراءة . بشكل عام إن الالكترونيات المتطورة المستخدمة هذه الأيام بالإضافة إلى اعتبارات خاصة تستخدم من اجل تقليل السعات الضائعة ( التي تؤدي إلى انخفاض دقة القياس ) .
Tags:
الكترون