مجسات ضغط الغاز

التطبيقات

يمكن استخدام مستشعرات ضغط الغاز لقياس الارتفاع في الطائرات أو الصواريخ أو البالونات. يتم استخدامها بشكل متكرر في تصميم السيارات ، من تحسين وظيفة المحرك والتحكم في الانبعاثات إلى مراقبة الضغوط في الإطارات والوسائد الهوائية ، وحتى التحكم في دعامات الهواء القابلة للنفخ في المقاعد الديناميكية.

في البيئات الصناعية ، يمكن استخدامها لقياس السرعة التي يتدفق بها الغاز (يُعرف أحيانًا باسم "ضغط التأثير") ، لتأكيد وجود الشفط ، لإدارة ضغوط المصدر أو لاختبار التسرب.
 

خيارات القياس

تم تصميم مستشعرات ضغط الغاز (أو يمكن تهيئتها) لقياس ضغط الغاز بطرق مختلفة.

• قياس الضغط يقاس بالنسبة للضغط الجوي المحيط. يبلغ الضغط الجوي حوالي 100 كيلو باسكال (14.7 رطل لكل بوصة مربعة) عند مستوى سطح البحر. يقيس المستشعر المدمج في مضخات الهواء للإطارات الضغط بهذه الطريقة ، ويظهر ضغط الهواء داخل الإطار بالنسبة للضغط الجوي المحلي. تشير قراءة الصفر إلى أن الضغوط متساوية من الداخل والخارج.
• A مستشعر ضغط الغاز المختوم مشابه لمستشعر ضغط الغاز المقياس ولكن تمت معايرته مسبقًا لقياس ضغط الغاز فيما يتعلق بالضغط الجوي على مستوى سطح البحر. لذلك لن تتغير قراءاتها إذا تم نقل الوحدة إلى ارتفاع أو موقع مختلف.
• ضغط الفراغ هو قياس الفرق السالب بين ضغط الغاز في مكان معين والضغط الجوي.
• ضغط الغاز المطلق يقاس من الصفر ، أو فراغ كامل (0 PSI). مرة أخرى ، على عكس قياس الضغط ، لا يتأثر هذا بالظروف المحيطة بالوحدة ، والتي يمكن أن تختلف باختلاف التغيرات في الارتفاع وعوامل أخرى.
• الضغط التفاضلي هو الفرق بين ضغطين للغاز - على سبيل المثال ، تلك الموجودة في خراطيم الغاز المتصلين بالمستشعر. كما هو الحال مع مقياس الضغط ، قد يكون المستشعر قادرًا على قياس تغيرات ضغط الغاز في أي من الاتجاهين (أي الاختلافات الإيجابية أو السلبية).

بالإضافة إلى أنواع القياس المختلفة ، تم تصميم بعض مستشعرات ضغط الغاز أيضًا لقياس التغيرات السريعة في الضغط في البيئات الديناميكية ، مثل ضغط الاحتراق في أسطوانة المحرك أو التوربينات الغازية.
 

تكنولوجيا

مستشعرات ضغط الغاز عبارة عن محولات طاقة: فهي تولد إشارة كهربائية تتناسب مع الضغط الذي تقيسه. يسمح ذلك بمراقبة الضغط بواسطة المعالجات الدقيقة وأجهزة التحكم القابلة للبرمجة وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى المتصلة بجهاز الاستشعار.

بعض مستشعرات ضغط الغاز تناظرية ، وتوفر تغذية مرتدة للضغط في شكل تيار كهربائي. هناك أيضًا مستشعرات رقمية توفر قيمة رقمية لضغط الغاز ، وأجهزة استشعار توفر أنواعًا أخرى من التغذية الراجعة ، مثل الإشارات البصرية أو المرئية أو السمعية. أكثر التقنيات شيوعًا في مجسات ضغط الغاز التناظرية هي مقياس الضغط المقاوم للضغط ، والذي يستخدم مبدأ مقاومة الضغط.

مقطع عرضي لمقياس تشويه أشباه الموصلات ، كما هو مستخدم في العديد من مجسات ضغط الغاز

يعتمد المستشعر على غشاء مصنوع من السيليكون أحادي البلورية أو غشاء رقيق من البولي سيليكون أو رقائق معدنية ملتصقة أو غشاء سميك أو غشاء رقيق مرشوشة. يعمل الحجاب الحاجز كمقياس لتشوه أشباه الموصلات: عندما يضغط الغاز عليه ، ينثني خارج الشكل ، مما يشوه البنية البلورية للمادة. وهذا بدوره يغير المقاومة الكهربائية للحجاب الحاجز ، مما يسمح للمستشعر بعكس التغيرات في الضغط في شكل تغيير في التيار (انظر الرسم البياني أدناه).

تشتمل تقنيات مستشعرات ضغط الغاز الأخرى ، الأقل شيوعًا ، على السعة (على غرار مقاومة الضغط ، لكن سعة المواد تتغير) ، الكهرومغناطيسية ، الكهروضغطية (للتغيرات في الضغط فقط) ، البصري وقياس الجهد.

تستخدم بعض المستشعرات الإلكترونية خصائص أخرى ، مثل الكثافة أو التأين أو التوصيل الحراري ، لاستنتاج ضغط الغاز بدلاً من قياسه مباشرةً.

يستخدم مستشعر الرنين التغييرات في تردد الرنين (التردد الذي يهتز فيه الغاز بسهولة أكبر) لقياس التغيرات في كثافة الغاز الناتجة عن الضغط. يمكن صنع عنصر الاستشعار من سلك اهتزازي أو أسطوانة اهتزازية أو كوارتز أو سيليكون.

تقيس مستشعرات التأين ضغط الغاز من خلال مراقبة تدفق جزيئات الغاز المشحونة (الأيونات) ، حيث أنها تختلف نتيجة لتغيرات الكثافة. تتضمن أمثلة مجسات التأين مقاييس الكاثود الساخن والكاثود البارد.

تستخدم المستشعرات الحرارية تغييرات في التوصيل الحراري للغاز (مدى سهولة توصيله للحرارة) لقياس الضغط. ومن الأمثلة على ذلك مقياس بيراني ، الذي يتميز بخيوط معدنية ساخنة معلقة في أنبوب ويقيس الحرارة المفقودة من الفتيل إلى الغاز المحيط.

في مستشعرات ضغط الغاز الرقمية ، تقوم رقاقة السيليكون بتحويل التيار من خلال مقياس تشويه أشباه الموصلات إلى قراءة عددية ، ثم يتم تمرير البيانات من الوحدة عبر موصل العملية. يمكن بعد ذلك مراقبتها و / أو تخزينها بواسطة جهاز كمبيوتر أو أي جهاز مراقبة إلكتروني آخر.

في السنوات الأخيرة ، تم إدخال أجهزة استشعار الضغط اللاسلكية. يمكن التحكم في هذه المستشعرات المتقدمة عن بُعد ، مما يسمح باستخدامها للتطبيقات التي لا تكون فيها التوصيلات السلكية ممكنة. عادة ما يتم تشغيلها بالبطارية ، مما يجعلها قائمة بذاتها ومكتفية ذاتيًا تمامًا حتى تحتاج البطارية إلى الاستبدال. عادةً ما توفر خيارات تخصيص وتحكم أكثر من المستشعرات القياسية ، وبعضها يسمح بتعديل إعدادات مثل الحدود العالية والمنخفضة أثناء تشغيل الوحدة.

يمكن لبعض أجهزة الاستشعار اللاسلكية الاتصال بالأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية ، والتي يمكنها مراقبة وجمع وتخزين البيانات من المستشعر ، وتنفيذ وظائف كانت تتطلب جهاز كمبيوتر في السابق.
 

الخيارات والمواصفات

تتوفر مجموعة واسعة من مستشعرات ضغط الغاز. وهي تختلف من حيث ملاءمة التطبيق والتكلفة والتكنولوجيا المستخدمة والأبعاد المادية والتجهيزات وموصلات العملية ومواد التصنيع المستخدمة.

عادةً ما يكون لمستشعرات ضغط الغاز نطاق عمل محدد بالكيلوباسكال (kPa) أو الغلاف الجوي (atm) أو ملليمتر من الزئبق (Hg). سيكون لديهم أيضًا تصنيف دقة. على سبيل المثال ، قد يكون لجهاز الاستشعار نطاق عمل من 0 إلى 210 كيلو باسكال ، مع دقة تبلغ ± 4 كيلو باسكال.

قد تأتي مع وقت استجابة محدد ، والذي يعكس المدة التي يستغرقونها لتوفير قراءة ضغط - على سبيل المثال ، 10 مللي ثانية.

وعادة ما يكون لديهم نطاق درجة حرارة للتشغيل ، حيث يمكن أن تتأثر حساسية مقياس الضغط بدرجة الحرارة.