مقدمة ذاتية بسيطة لجهاز إرسال الضغط
كمستشعر ضغط ذي خرج إشارة قياسية، يُعدّ مُرسِل الضغط جهازًا يستقبل مُتغير ضغط ويُحوّله إلى إشارة خرج قياسية بالتناسب. يُمكنه تحويل مُعاملات الضغط الفيزيائية للغاز والسوائل وغيرها التي يستشعرها مستشعر خلية الحمل إلى إشارات كهربائية قياسية (مثل 4-20 مللي أمبير في الساعة، إلخ) لتوفير أجهزة ثانوية مثل أجهزة الإنذار، وأجهزة التسجيل، والمنظمات، وغيرها، للقياس والبيانات وتنظيم العمليات.
تصنيف أجهزة إرسال الضغط
عادة ما يتم تقسيم أجهزة إرسال الضغط التي نتحدث عنها وفقًا للمبدأ:
أجهزة إرسال الضغط السعوية، وأجهزة إرسال الضغط المقاومة، وأجهزة إرسال الضغط الحثية، وأجهزة إرسال الضغط شبه الموصلة، وأجهزة إرسال الضغط الكهرضغطية للقياسات عالية التردد. من بينها، تُعد أجهزة إرسال الضغط المقاومة الأكثر استخدامًا. يُعد جهاز إرسال الضغط السعوي، طراز 3051S من شركة روزماونت، أحد المنتجات عالية الجودة.
يمكن تقسيم أجهزة إرسال الضغط إلى معدن، سيراميك، سيليكون منتشر، سيليكون أحادي البلورة، ياقوت، فيلم متناثر، وما إلى ذلك وفقًا للمكونات الحساسة للضغط.
- إن جهاز إرسال الضغط المعدني لديه دقة ضعيفة، ولكن تأثيره في درجة الحرارة ضئيل، وهو مناسب للمناطق ذات نطاق درجة الحرارة الواسع ومتطلبات الدقة المنخفضة.
- تتميز مستشعرات الضغط الخزفية بدقة أعلى، لكنها تتأثر بدرجة الحرارة بشكل أكبر. كما تتميز بمقاومة الصدمات والتآكل، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في مجال الاستجابة.
- يتميز السيليكون المنتشر بدقة نقل ضغط عالية جدًا، كما أن انحراف درجة الحرارة كبير، لذا يلزم عادةً تعويض درجة الحرارة قبل استخدامه. علاوة على ذلك، حتى بعد تعويض درجة الحرارة، لا يمكن قياس الضغط الذي يزيد عن 125 درجة مئوية. ومع ذلك، في درجة حرارة الغرفة، يكون معامل حساسية السيليكون المنتشر خمسة أضعاف معامل حساسية السيراميك، لذا يُستخدم بشكل عام في مجال القياسات عالية الدقة.
- يُعدّ مُرسِل ضغط السيليكون أحادي البلورة أكثر المستشعرات دقةً في التطبيقات الصناعية. وهو نسخة مُطوّرة من السيليكون المُنتشر. وبالطبع، سعره مُحسّن أيضًا. تُعدّ شركة يوكوجاوا اليابانية حاليًا رائدةً في مجال ضغط السيليكون أحادي البلورة.
- لا يتأثر جهاز إرسال ضغط الياقوت بتغيرات درجة الحرارة، وله خصائص عمل جيدة حتى في ظل ظروف درجات الحرارة العالية؛ يتمتع الياقوت بمقاومة إشعاعية قوية للغاية؛ لا يوجد انجراف pn؛ يمكنه العمل بشكل طبيعي في أسوأ ظروف العمل وهو موثوق به. أداء عالي، دقة جيدة، خطأ في درجة الحرارة الحد الأدنى، وأداء تكلفة إجمالية مرتفع.
- لا يحتوي جهاز إرسال ضغط الغشاء الرقيق المُرشوش على أي مادة لاصقة، ويتميز بثبات وموثوقية أعلى على المدى الطويل مقارنةً بمستشعر مقياس الانفعال اللاصق؛ كما أنه أقل تأثرًا بدرجة الحرارة: فعند تغير درجة الحرارة بمقدار 100 درجة مئوية، يكون الانحراف الصفري 0.5% فقط. كما أن أداءه الحراري يتفوق بشكل كبير على مستشعر ضغط السيليكون الانتشاري؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكنه التلامس المباشر مع المواد المسببة للتآكل.
مبادئ أنواع مختلفة من أجهزة إرسال الضغط
- مبدأ عمل جهاز إرسال الضغط السعوي.
عندما يؤثر الضغط مباشرةً على سطح غشاء القياس، يُحدث الغشاء تشوهًا طفيفًا. تُحوّل الدائرة عالية الدقة على غشاء القياس هذا التشوه الطفيف إلى جهد خطي للغاية يتناسب مع الضغط وجهد الإثارة. ثم تُستخدم شريحة مُخصصة لتحويل إشارة الجهد هذه إلى إشارة تيار قياسية في الصناعة تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير أو إشارة جهد تتراوح بين 1 و5 فولت.
- مبدأ جهاز إرسال الضغط السيليكوني المنتشر
يؤثر ضغط الوسط المقاس بشكل مباشر على غشاء المستشعر (عادةً غشاء 316L)، مما يتسبب في إنتاج الحجاب الحاجز لإزاحة دقيقة تتناسب مع ضغط الوسط، وتغيير قيمة مقاومة المستشعر، واكتشاف ذلك باستخدام دائرة ويتستون، وتحويل وإخراج إشارة قياس قياسية تتوافق مع هذا الضغط.
- مبدأ عمل جهاز إرسال الضغط المصنوع من السيليكون أحادي البلورة
تُصنع مستشعرات الضغط المقاومة للضغط باستخدام تأثير مقاومة الضغط للسيليكون أحادي البلورة. تُستخدم رقاقة السيليكون أحادية البلورة كعنصر مرن. عند تغير الضغط، تُنتج بلورة السيليكون أحادية البلورة إجهادًا، بحيث تُحدث مقاومة الإجهاد المنتشرة عليها مباشرةً تغيرًا متناسبًا مع الضغط المقاس، ثم تحصل دائرة الجسر على إشارة خرج الجهد المقابلة.
- مبدأ ناقل الضغط الخزفي
يؤثر الضغط مباشرةً على السطح الأمامي للغشاء الخزفي، مما يُسبب تشوهًا طفيفًا فيه. تُطبع مقاومة الغشاء السميكة على الجزء الخلفي من الغشاء الخزفي، وتُوصل بجسر ويتستون (جسر مغلق) بفضل التأثير المقاوم للضغط للفاريستور. يُولّد الجسر إشارة جهد خطية للغاية تتناسب مع الضغط وجهد الإثارة. يُستخدم السيراميك عادةً لقياس ضغط ضواغط الهواء، ويُكثر استخدامه.
- مبدأ عمل جهاز إرسال ضغط مقياس الانفعال
أكثر أجهزة إرسال ضغط مقياس الانفعال شيوعًا هي مقاييس الانفعال المقاومة المعدنية ومقاييس الانفعال شبه الموصلة. مقياس الانفعال المقاوم المعدني هو جهاز حساس يحوّل تغير الانفعال في قطعة الاختبار إلى إشارة كهربائية. يوجد نوعان: مقياس الانفعال السلكي ومقياس الانفعال المعدني الرقيق. عادةً ما يُثبّت مقياس الانفعال بإحكام على مصفوفة الانفعال الميكانيكية باستخدام لاصق خاص. عند تعرض المصفوفة لتغير في الانفعال، يتشوه مقياس الانفعال المقاوم أيضًا، مما يؤدي إلى تغير قيمة مقاومة مقياس الانفعال، وبالتالي يتغير الجهد المطبق على المقاومة. تُعد أجهزة إرسال ضغط مقياس الانفعال نادرة نسبيًا في السوق.
- جهاز إرسال الضغط الياقوتي
يستخدم جهاز إرسال ضغط الياقوت مبدأ عمل مقاومة الضغط، ويعتمد على مكونات حساسة للسيليكون والياقوت عالية الدقة، ويحول إشارة الضغط إلى إشارة كهربائية قياسية من خلال دائرة تضخيم مخصصة.
- جهاز إرسال ضغط الفيلم المتطاير
يُصنع عنصر الرش الحساس للضغط بتقنية الإلكترونيات الدقيقة، مُشكِّلاً جسر ويتستون متينًا وثابتًا على سطح غشاء الفولاذ المقاوم للصدأ المرن. عندما يؤثر ضغط الوسط المُقاس على غشاء الفولاذ المقاوم للصدأ المرن، يُنتج جسر ويتستون على الجانب الآخر إشارة خرج كهربائية تتناسب مع الضغط. بفضل مقاومته الجيدة للصدمات، تُستخدم أغشية الرش الحساس غالبًا في الحالات التي تتعرض فيها المعدات الهيدروليكية لصدمات ضغط متكررة.
احتياطات اختيار جهاز إرسال الضغط
- اختيار قيمة نطاق ضغط المرسل:
أولاً، حدد أقصى قيمة للضغط المقاس في النظام. بشكل عام، يجب اختيار جهاز إرسال بنطاق ضغط أكبر بحوالي مرة ونصف من القيمة القصوى، أو ترك نطاق الضغط الطبيعي على جهاز الإرسال. كما أن استخدام نطاق يتراوح بين ثلث وثلثي النطاق الطبيعي يُعدّ طريقة شائعة.
- ما نوع وسط الضغط:
السوائل اللزجة والطينية ستسد منافذ الضغط. هل ستُدمر المذيبات أو المواد المسببة للتآكل مواد جهاز الإرسال التي تلامس هذه المواد مباشرةً؟
مادة ناقل الضغط العام المُلامس للوسط هي الفولاذ المقاوم للصدأ 316. إذا لم يكن الوسط مُسببًا للتآكل للفولاذ المقاوم للصدأ 316، فإن جميع ناقلات الضغط تقريبًا مناسبة لقياس ضغط الوسط؛
إذا كان الوسط مُسببًا للتآكل للفولاذ المقاوم للصدأ 316، فيجب استخدام مانع تسرب كيميائي، واستخدام القياس غير المباشر. باستخدام أنبوب شعري مملوء بزيت السيليكون لتوجيه الضغط، يُمكن منع تآكل مُرسِل الضغط وإطالة عمره.
- ما مدى الدقة التي يحتاجها جهاز الإرسال:
تُحدَّد الدقة بناءً على: اللاخطية، والتباطؤ، وعدم التكرار، ودرجة الحرارة، ومقياس الإزاحة الصفرية، ودرجة الحرارة. كلما زادت الدقة، ارتفع السعر. عادةً، تتراوح دقة مُرسِل ضغط السيليكون المُنتشر بين 0.5 و0.25، بينما تتراوح دقة مُرسِل ضغط السيليكون السعوي أو أحادي البلورة بين 0.1 و0.075.
- عملية توصيل المرسل:
عادةً ما تُركَّب نواقل الضغط على الأنابيب أو الخزانات. وبالطبع، يُركَّب جزء صغير منها ويُستخدم مع عدادات التدفق. عادةً ما تتوفر ثلاثة أشكال لتركيب نواقل الضغط: لولبية، وشفة، ومشبك. لذلك، قبل اختيار نواقل الضغط، يجب أيضًا مراعاة توصيلة العملية. إذا كانت لولبية، فمن الضروري تحديد مواصفات اللولب. أما بالنسبة للشفاه، فيجب مراعاة مواصفات الشفة للقطر الاسمي.
مقدمة عن صناعة أجهزة إرسال الضغط
تشارك حوالي 40 دولة حول العالم في أبحاث وإنتاج أجهزة الاستشعار، وتُعدّ الولايات المتحدة واليابان وألمانيا من المناطق الأكثر إنتاجًا لهذه الأجهزة. وتستحوذ هذه الدول الثلاث مجتمعةً على أكثر من 50% من سوق أجهزة الاستشعار العالمية.
يُعد سوق أجهزة نقل الضغط في بلدي حاليًا سوقًا ناضجًا ذا تركيز عالٍ. ومع ذلك، تُهيمن الدول الأجنبية، ممثلةً في شركات مثل إيمرسون ويوكوجاوا وسيمنز وغيرها، على السوق. تُمثل المنتجات ذات العلامات التجارية حوالي 70% من حصة السوق، وتتمتع بميزة تنافسية مطلقة في المشاريع الهندسية الكبيرة والمتوسطة.
يعود ذلك إلى عواقب تبني بلدي المبكر لاستراتيجية "سوق التكنولوجيا"، والتي أضرت بشدة بالشركات المملوكة للدولة في بلدي، وكانت في حالة من الفشل في السابق. في الوقت نفسه، ظهرت بعض الشركات المصنعة، ممثلةً بالشركات الخاصة الصينية، بهدوء وازدادت قوة. سوق أجهزة إرسال الضغط المستقبلية في الصين مليئة بالمجهول.
وقت النشر: ١٥ ديسمبر ٢٠٢١