سوئیچ های فشار و کاربرد آنها

سوئیچ فشار مکانیکی یک ابزار کنترلی است که در فشاری از پیش تعیین شده تغییر وضعیت می دهد. در حالی که حسگرهای فشار (ترانسمیترها و ترانسدیوسرها) یک سیگنال خروجی متغیر تولید می کنند، خروجی سوئیچ های فشار یک سیگنال منقطع باینری است. اصل بنیادی عملکرد این ابزارها، یک تعادل نیرو بین یک دیافراگم حس کننده فشار و نیروی فنر مخالف آن است (این نیروی فنر اغلب قابل تنظیم است). با اعمال فشار به دیافراگم، این عضو به سمت فشار فنر مخالف حرکت کرده باعث بسته شدن دو تماس الکتریکی می شود. این تعادل نیرو به صورت یک عبارت ریاضی قابل بیان است که می تواند اصل فیزیکی زیربنای ساخت این سوئیچ‌ها را توضیح دهد:

فشار موجود * مساحت دیافراگم = ثابت فنر * میزان فشردگی فنر

بنابراین سه پارامتر میزان فشردگی فنر، مساحت دیافراگم و ثابت فنر هر سه در تعیین فشار تنظیم شده برای عمل کردن سوئیچ موثر هستند.

شکل زیر برخی انواع سوئیچ های فشار تجاری را نشان می دهد.

برای مثال سوئیچ های فشاری که برای کاربرد فشارهای بالا منظور شده اند معمولا با دیافرام های کوچک یا پیستونهای با قطر کوچک و فنرهایی با ثابت فنر بزرگ ساخته می شوند (شکل زیر). بطور عکس، ابزارهای فشار پایین دارای دیافراگم های بزرگ و ثابت فنر کوچک هستند.

Source: https://blog.wika.com/files/2016/09/construction_mechanical_pressure_switch.jpg

انواع مختلف سوئیچ های فشار و ماهیت ذاتی آنها

بحث فوق بیشتر بر سوئیچ های فشار مکانیکی تمرکز داشت اما انواع دیگری از این ابزار موجودند که ماهیتی متفاوت دارند. سوئیچ های فشار الکتریکی از انواع مختلفی حسگرهای الکترونیکی برای سنجش فشار در محفظه اعمال فشار استفاده کرده و مقدار آن را با یک سیگنال ولتاژی منعکس می کنند. نقاط سوئیچ کردن با مقایسه ولتاژ سیگنال و یک ولتاژ مرجع (که قابل تنظیم توسط کاربر است) تعیین می شود. در فناوری های پیشرفته تر سوئیچینگ از الگوریتم های ریاضی برای این مقایسه استفاده می شود.

بطور کلی ویژگی های مسترک همه سوئیچ های فشار عبارت از یک نقطه تنظیم برای عمل کردن و نرخ بیشینه فشار است. همچنین همگی آنها داری یک اتصال محفظه فشار هستند که به خط لوله یا مخزن مورد اندازه گیری اعمال می شود. بدین ترتیب اشکال بسیار متنوعی از سوئیچ های فشار می توان یافت که از موادی مانند برنج، فولاد، فولاد زنگ نزن و پلاستیک بسته به دامنه فشار و هزینه نسبی ابزار ساخته می شوند. شکل اتصال نیز NPT یا G ¼ است. ماده سازنده دیافراگم معمولا الاستومر یا در مورد سوئیچ‌های الکتریی، فولاد یا سرامیک است.

از نقطه نظر الکتریکی سه نوع سوئیچ فشار وجود دارد:

سوئیچ های دوراهه در حالت عادی باز (NO) – در حالت عادی مدار تماس الکتریکی باز است و با رسیدن فشار به نقطه تنظیم، مدار بسته شده و سیگنال الکتریکی صادر می شود.

سوئیچ های دوراهه در حالت عادی بسته (NC) – در حالت عادی مدار تماس الکتریکی بسته است و با رسیدن فشار به نقطه تنظیم، مدار بسته باز و سیگنال الکتریکی قطع می شود.

سوئیچ های سه راهه که قابل تنظیم به دو حالت NO و NC بسته به کاربرد هستند.

برای مثالی از کاربرد یک سوئیچ فشار در حالت عادی باز، می توان به ماشینی اشاره کرد که در آن، با رسیدن نیرو به یک مقدار آستانه باید مکانیزم اعمال نیرو عمل کند. با قرار دادن این سوئیچ بطور سری با مدار ماشین می توان ترتیبی داد که با رسیدن مقدار نیرو به یک مقدار معین، سوئیچ بسته شده و نیرو در استای مورد نظر اعمال شود.

Source: http://www.comer-italia.com/flex/tmp/imgResized/T-16b9bf3689ac586eb17c3e98c460cc61-348x340.jpg

منابع:

https://blog.wika.com/knowhow/what-is-meant-by-the-normally-open-switching-function-with-pressure-switches/?doing_wp_cron=1669977120.9875268936157226562500

NOSHOK Pressure Switches White Paper

http://www.comer-italia.com/flex/cm/pages/ServeBLOB.php/L/EN/IDPagina/313

کلمپ متر چیست و چگونه کار می کند؟

برای اندازه گیری پارامترهایی مانند جریان و ولتاژ، نیاز به یک ابزار اختصاصی داریم. برای اندازه گیری جریان از ابزارهایی مانند مولتی مترهای آنالوگ یا دیجیتال استفاده می شود اما برای استفاده از این ابزارها باید مدار حامل جریان بریده شده و الکترودهای ابزار بطور سری در مدار قرار گیرد. در بسیاری حالات انجام چنین کاری عملی یا ممکن نیست. بریدن مدار می تواند خطراتی مانند شوک الکتریکی در بر داشته باشد.

انتخاب مناسب در چنین وضعیت هایی کلمپ متر است.

کلمپ متر چیست؟

کلمپ متر یک ابزار گیره مانند است که می تواند دور یک سیم حامل جریان قرار گرفته و جریان عبوری از آن را اندازه بگیرد. اصل علمی بکار رفته این است که کلمپ متر میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان سیم را شناسایی کرده و به توسط آن مقدار جریان را اندازه می‌گیرد (این پدیده مطابق قانون فاراده است که می گوید نیروی محرکه القایی در یک سیم به تغییرات شار میدان مغناطیسی عبوری از این مدار بستگی دارد).

برخلاف ابزارهایی مانند مولتی مترها، کلمپ متر دارای این مزیت است که می تواند بدون نیاز به بریدن مدار، جریان عبوری از آن را اندازه بگیرد. بطور کلی دو نوع کلمپ متر وجود دارد:

-         مدلهایی که برای اندازه گیری جریان بار بکار می رود.

-         مدلهایی که برای اندازه گیری نشت جریان بکار می رود.

کلمپ مترها را طور دیگری نیز می توان دسته بندی کرد برای مثال آنهایی که برای اندازه گیری جریان مستقیم یا متناوب بکار می‎روند و یا اینکه از روش یکسوسازی مقدار میانگین یا جذر میانگین مربعات (RMS) استفاده می کنند.

روش ساده استفاده از یک کلمپ متر

بطور کلی هر دو نوع کلمپ متر گفته شده به روش مشابهی بکار می روند. ابتدا باید نوع جریان مستقیم یا متناوب را روی کلمپ متر انتخاب کرد. سپس گستره جریان تحت اندازه گیری را تعیین نمود. در صورت اندازه گیری جریان مستقیم حتما باید ابتدا تنظیم صفر انجام داد.

سپس گیره کلمپ متر را با فشردن تکمه کناری آن باز کرده و آن را دور سیم حامل جریان قرار داده و گیره را می بندیم. سیم باید در مرکز کلمپ قرار گیرد تا حداکثر درستی اندازه گیری حاصل شود.

استفاده از یک کلمپ متر جریان بار

این نوع کلمپ مترها تنها باید دور یکی از سیمهای حامل جریان قرار داده شوند. ابزار نباید دور سیمهای متعدد گیره شود زیرا خوانش درست را با اشکال مواجه می کند.

استفاده از کلمپ متر نشتی جریان

سیمهای زمین باید به تنهایی اندازه گیری شوند. اگر یک مدار AC اندازه گیری می شود، باید ابزار دور تمامی سیمها قرار داده شود (دو تا در مورد جریان دو فاز و سه تا در مورد جریان سه فاز).

وقتی نشتی جریان اندازه گیری می شود، باید هر دو سیم همزمان درون گیره قرار داده شوند.

جریان نشتی آن جریانی است که از طریق مقاومت عایق به زمین جریان پیدا می کند و می تواند چندین ده میکرو آمپر باشد.

توجه: بیشتر کلمپ مترها باید تنها برای سیم های روکش دار بکار روند.

رویه کالیبراسیون کلمپ متر

برای کالیبراسیون کلمپ متر از یک منبع جریان استاندارد (بطور معمول یک کالیبراتور چند کاره یا multifunction) و یک سیم پیچ جریان چند دور استفاده می شود. کالیبرالتور چندکاره تولید جریانی می کند که از N دور سیم پیچ می گذرد، بدین ترتیب نشان دهی کلمپ متر N برابر جریان تولید شده خواهد بود. شکل زیر نمونه ای از آرایش تجهیزات برای کالیبراسیون کلمپ متر را نشان می دهد.

منبع:

https://www.hioki.com/us-en/learning/how-to/u-clamp-meters.html

پروتکل HART چیست؟

بیشتر ابزارهای هوشمند میدانی که در سراسر دنیا نصب شده اند دارای قابلیت ارتباط با HART هستند. فناوری قدرتمند HART (مخفف عبارت مبدل راه دور قابل آدرس دهی بزرگراهی یا Highway Addressable Remote Transducer) استاندارد جهانی برای ارسال و دریافت اطلاعات از طریق سیمهای میان ابزارهای هوشمند و سیستم کنترل یا پایش و یا اسباب ارتباطی قابل حمل است.

به عبارت فنی تر، HART یک پروتکل ارتباطی دو جهته است که بین ابزارهای میدانی هوشمند (مانند ترانسمیترهای فشار یا دمای قابل برنامه ریزی و مجهز به نمایشگر) و سیستم های میزبان (PLC یا ابزار ارتباطی قابل حمل) امکان تبادل داده را فراهم می کند. میزبان در اینجا می تواند هر نرم افزار کاربردی نصب شده روی ابزار دستی یا لپ تاپ یا کنترل فرایند یک کارخانه باشد.

فناوری HART

فناوری HART برای کالیبراسیون ابزارهای هوشمند و یا عیب یابی برخط انتخابی بسیار مناسب است. دلایل زیادی برای برقراری ارتباط میان یک میزبان و ابزارهای هوشمند وجود دارد:

-         پیکربندی ابزار

-         عیب یابی ابزار

-         رفع عیب ابزار

-         خوانش مقادیر اندازه گیری اضافی که توسط ابزار قابل تدارک است.

-         بررسی وضعیت سلامت ابزار

-         و ...

این فناوری موفق ترین پروتکل ارتباطی از نوع خود بوده و هم اکنون روی بیش از 30 میلیون ابزار هوشمند در سراسر دنیا نصب شده است.

پروتکل HART چگونه عمل می کند؟

پروتکل HART از استاندارد کلیدگذاری انتقال فرکانس (FSK=Frequency Shift Keying) از گروه بل 202 برای برهم نهی سیگنال های ارتباطی دیجیتال در سطح پایین بر فراز یک سیگنال 4-20mA استفاده می کند. سیگنال دیجیتال از دو فرکانس 1200 Hz و 2200 Hz که معرف بیتهای 1 و 0 هستند تشکیل شده است. موجهای سینوسی این دو فرکانس روی کابلهای سیگنال آنالوگ جریان مستقیم برهم نهی می شوند تا ارتباطات همزمان آنالوگ و دیجیتال ایجاد کنند. از آنجایی که مقدار متوسط سیگنال FSK همواره صفر است، سیگنال آنالوگ 4-20mA تحت تاثیر قرار نمی گیرد. سیگنال ارتباطی دیجیتال یک زمان پاسخ 2 تا 3 بروز سازی داده در ثانیه بدون ایجاد وقفه در سیگنال آنالوگ دارد. یک امپدانس حلقه حداقل 230 W برای ارتباط مورد نیاز است.

 

کلیدگذاری انتقال فرکانس

فناوری HART یک پروتکل master/slave است، بدین معنی که یک ابزار میدانی هوشمند (slave) تنها زمانی لب به شخن می‌گشاید که از جانب یک master فراخوانده شود. پروتکل HART می تواند در مودهای مختلفی مانند نقطه به نقطه یا multidrop برای مخابره اطلاعات به یا از ابزارهای میدانی هوشمند و کنترل مرکزی یا سیستم های پایش بکار رود.

پروتکل HART از دو کانال مخابراتی همزمان استفاده می کند: یک سیگنال آنالوگ 3-20mA و یک سیگنال دیجیتال. سیگنال 4-20 mA با مقدار اندازه گیری شده اولیه (در مورد یک ابزار میدانی هوشمند) با استفاده از حلق جریان 4-20mA ارتباط برقرار می‌کند. این سریعترین و قابل اعتمادترین استاندارد صنعتی است. اطلاعات اضافی در مورد ابزار با استفاده از یک سیگنال دیجیتال مخابره می شود که بر روی سیگنال آنالوگ بر هم نهی شده است.

سیگنال دیجیتال شامل اطلاعاتی از ابزار است که شامل وضعیت دستگاه، تشخیص عیب، مقادیر اندازه گیری شده یا محاسبه شده کمکی و مانند اینها می شوند. دو کانال مخابراتی به همراه یکدیگر یک راهکار کم هزینه و بسیار مقاوم برای ارتباطات میدانی کامل فراهم می‌کنند که استفاده و پیکربندی آن بسیار ساده است.

شکل زیر مثالی از اتصال یک HART به ترانسمیتر فشار را نشان می دهد. هدف در اینجا می تواند پیگربندی مجدد ترانسمیتر با مثلا تعویض گستره کاری آن باشد. منبع تغذیه می تواند هر دستگاهی مانند یک DPI 610 باشد.

 

https://instrumentationtools.com/what-is-hart-protocol/

https://www.fieldcommgroup.org/technologies/hart/hart-technology-explained#4257225834-3363075786

ترانسمیترهای تفاضلی فشار، اصول کارکرد و کاربرد آنها

فشار چیست؟

فشار وقتی تجربه می شود که نیرویی روی یک سطح اعمال می شود. بنابراین با افزایش فشار یا کاهش مساحت سطح می توان فشار را افزایش داد. یکای فشار از نوع نیرو بر سطح است بنابراین وقتی نیروی یک نیوتن بر سطحی به مساحت یک متر مربع اعمال می‌شود، فشار وارده را 1 N/mm² می دانیم که برابر 1 Pa (یک پاسکال) است. سایر یکاهای فشار عبارتند از:

·         بار که تقریبا برابر 100000 Pa یا 100 kPa است و یکای متداول در فشارسنجی است.

·         پاوند بر اینچ مربع یا psi که معادل 6894.757 Pa است و نیز داریم 1 bar = 14.5 psi.

شکل زیر جدول یکاهای مختلف و ضرایب تبدیل آنها به یکدیگر را نشان می دهد.

اتمسفر اطراف کره زمین نیز بر همه اشیای روی آن فشار وارد می کند. این فشار به فشار اتمسفری موسوم است. تغییر فشار اتمسفر باعث تغییر وضع آب و هوا می شود. فشار بالا در روزهای صاف آفتابی و فشار پایین در روزهای ابری تجربه می شود.

انواع مختلف اندازه گیری فشار

درک سه نوع اصلی اندازه گیری فشار بسیار مهم است:

1)     فشار مطلق: فشار نسبت به خلاء مطلق

2)     فشار گیج: اختلاف فشار بین فشار مطلق و فشار اتمسفر، همان مقداری که برای مثال توسط فشارسنج تایر خودرو نشان داده می‌شود.

3)     فشار تفاضلی (differential Pressure): اختلاف فشار دو منبع مختلف با یکدیگر.

فشار مطلق

فشار مطلق نسبت به خلاء کامل اندازه‌گیری می‌شود. اگر فشار اتمسفر را به فشار گیج اضافه کنیم، فشار مطلق بدست می‌آید.

فشار گیج

فشارسنج های معمولی اختلاف میان فشار یک محیط مثل فضای درون تایر خودرو را با فشار اتمسفری محیط اندازه می گیرند. این کمیت به فشار گیج موسوم است و برای مشخص شدن آن از پسوند g استفاده می‌شود (مانند 2 barg یا 29 psig).

فشار تفاضلی

فشار تفاضلی بر خلاف فشار گیج نسبت به یک مرجع ثابت اندازه گیری نمی شود. یک گیج فشار تفاضلی دارای دو ورودی برای اتصال به دو منبع مولد فشار است. گیج فشار تفاضلی، اختلاف میان فشار این دو منبع را اندازه می‌گیرد.

کاربردهای اندازه‌گیری فشار تفاضلی

اندازه گیری فشار تفاضلی (DP) معمولا اساس اندازه گیری کمیت های صنعتی مانند جریان، سطح مایعات، چگالی، گرانروی (ویسکوزیته) و حتی دما است. اندازه گیری نرخ جریان به کمک فشار تفاضلی یکی از متداولترین کاربردهای ترانسمیتر فشار تفاضلی است. جریان سنج ها (فلومترها)ی فشار تفاضلی دارای یک عنصر اولیه و ثانویه هستند. عنصر اولیه برای ایجاد یک اختلاف فشار به هنگام افزایش سرعت جریان طراحی شده است. مهمترین نوع عنصر اولیه در این فلومترها عبارتند از صفحه اوریفیس، ونتوری، نازل جریان و لوله پیتوت.

عنصر ثانویه فلومتر یک ترانسمیتر فشار تفاضلی است. این ترانسمیتر اختلاف فشار تولید شده توسط عنصر اولیه را با حداکثر دقت ممکن اندازه گیری می کند. بویژه مهم است که فشار، دمای سیال یا سایر خواص محیطی بر اندازه گیری فشار تفاضلی تاثیر نگذارند.

سیگنال خروجی از یک ترانسمیتر DP معمولا در محدوده 4-20 mA است اما ممکن است پروتکل ارتباطی آن شامل ارتباطات دیجیتالی مانند HART، Profibusm، Fieldbus، Modbus 485 RTU یا سایر پروتکلهای ارتباطی باشد. هدف در اینجا ارسال یک سیگنال الکتریکی برای یک بزار کنترل فرایند از راه دور است.

ترانسمیتر تفاضل فشار چیست؟

این تجهیز یکی از پراستفاده ترین ابزار آلات سنجش فشار در صنعت است که اختلاف فشار بین دو درگاه را سنجیده و یک سیگنال خروجی در ارتباط با یک گستره فشار کالیبره شده تولید می کند. ترانسمیتر صنعتی از دو اتاقک ساخته شده است. عنصر سنجش فشار در نیمه پایینی قرار دارد و بخش الکترونیکی در نیمه بالایی قرار داده شده است. این ابزار دارای دو درگاه فشار با علامت بالا و پایین است. لازم نیست که درگاه بالایی به فشار بالا و درگاه پایینی به فشار پایین وصل باشد.

ساختار ترانسمیتر تفاضل فشار

یک ترانسمیتر تفاضل فشار دارای سه بخش کارکردی است:

1) عنصر سنجش مستقیم فشار (مستقر در اتاقک پایین)

عنصر سنجش فشار در بیشتر ترانسمیترها یک دیافراگم است. این دیافراگم یک اسباب مکانیکی است که بین دو درگاه ورودی فشار قرار داده شده است. بر اثر اعمال فشار این دیافراگم دچار تغییر شکل می شود. این تغییرشکل یک سیگنال الکتریکی تولید می کند. این عمل معمولا توسط یک حسگر ایجاد می شود. حسگرهای متداول در این رابطه عبارتند از کرنش سنج (strain gauge)، خازن تفاضلی و سیم مرتعش. خروجی حسگر متناسب با فشار اعمالی است.

2) واحد الکترونیکی: سیگنال الکتریکی تولید شده توسط حسگر در اتاقک پایینی تنها در گستره هزارم ولت است.

سیگنال تولیدی به گستره 0-5V یا 0-10V تقویت شده و به 4-20mA تبدیل می شود.

3) ترانسمیتر جریان 4-20mA دو سیمه

یک جریان خروجی مستقیم تولید می شود که مستقیما متناسب با گستره فشار ترانسمیتر است. حد پایینی 4mA و حد بالایی 20mA است. این خروجی جریان کنترل شده تحت تاثیر تغییرات امپدانس بار و نوسانات ولتاژ تغذیه قرار نمی گیرد. خروجی 4-20mA با ارتباطات دیجیتالی پروتکل BRAIN یا HART FSK برهم نهی می شود.

منبع:

https://www.coulton.com/beginners_guide_to_differential_pressure_transmitters.html

آنی مومتر سیم داغ چیست و چگونه کار می کند؟

آنی مومتر سیم داغ (Hot Wire Anemometer) ابزاری برای اندازه گیری سرعت جریان هوا، نوسانات سرعت جریان و گاهی اوقات جهت جریان هوا است. در این ابزار از یک سیم فلزی نازک حساس به دما و دارای مقاومت الکتریکی تعریف شده استفاده می‌شود که با عبور جریان از درون آن گرم می‌شود. وقتی این پراب درون جریان گاز قرار می گیرد، سیم داغ به واسطه جریان همرفتی، گرما از دست می‌دهد و ولتاژ دو سر آن تغییر می‌کند. سرعت جریان توسط فرمولی به تغییر ولتاژ مربوط می شود و از این رو می‌توان سرعت جریان را با دقت خوبی محاسبه کرد. شکل زیر شماتیکی از یک پراب مورد استفاده در این ابزار را نشان می‌دهد که از یک سنسور به شکل سیم مقاومتی نازک و دو نگهدارنده فلزی رسانا درست شده است.

قطر سیم سنسور حدود 5 میکرون و طول آن 1 میلی متر است. مقاومت آن نیز بین 10 تا 30 اهم بوده و ثابت دمایی مقاومت آن حدود یک دهم درصد بر درجه سلسیوس است. چنین سیمی برای کارکرد به جریان بین 10 تا 40 میلی آمپر و فرکانس الکتریکی چند ده هزار کیلوهرتز نیاز دارد.

یکی از معایب این نوع ابزار این است که باید بطور دستی در محل نصب شوند و نیز به واسطه ابعاد متفاوت سیم سنسور قابل جایگزینی در دستگاههای مشابه نیستند.

برای کالیبره کردن آنی مومتر خود می توانید به شرکت خدمات کالیبراسیون تنظیم مراجعه کنید.