حساس الضغط التفاضلي: الدائرة، الوصلات، الأنواع، الاختبارات، الأعراض واستخداماته

في بعض الأحيان، لا يكون من المهم تحديد الضغط الكلي للسائل (أو) الغاز، ولكن كبديل، يجب تحديد الاختلاف بين نقطتين داخل النظام الذي تتم ملاحظته. لذلك في مثل هذه الظروف، يتم استخدام جهاز استشعار الضغط التفاضلي. يوفر هذا المستشعر قياسًا مقارنًا بين نقطتين قبل وبعد الصمام داخل خط الأنابيب. إذا كان الصمام مفتوحا تماما، فيجب أن يكون الضغط على الجانبين مماثلا. إذا كان هناك اختلاف في الضغط، فقد يكون الصمام غير مفتوح (أو) هناك عائق. تشرح هذه المقالة بإيجاز مستشعر الضغط التفاضلي وأعمالهم وتطبيقاتهم.

ما هو مستشعر الضغط التفاضلي؟

مستشعر الضغط التفاضلي هو نوع من أجهزة الاستشعار المستخدمة لقياس التغير في الضغط عند نقطتين ويوفر قياسًا نسبيًا بين هاتين النقطتين. هذه الضغوط أجهزة الاستشعار معروفة جيدًا بموثوقيتها وجودتها. تتمثل وظيفة حساس الضغط التفاضلي في توفير البيانات المتعلقة بالاتصال المتبادل بين نطاقي الضغط داخل الغازات والسوائل والبخار. يتم استخدامها لتحديد اختلاف الضغط بشكل آمن وموثوق. يحتوي هذا المستشعر على العديد من التطبيقات في مجموعة متنوعة من الصناعات بما في ذلك التحكم والتحسين. ويمكن العثور عليها أيضًا في أنظمة السلامة الحرجة، ومراقبة المرشح، وقياس المستوى داخل الحاويات المغلقة.

تم تصميم هذه المستشعرات بشكل أساسي مع الاستشعار بالسعة تكنولوجيا. يحتوي هذا المستشعر على أغشية رفيعة، مرتبة بين لوحين معدنيين متوازيين. عندما يتم توفير قوة خارجية، سوف ينثني الحجاب الحاجز قليلاً، مما يتسبب في تغيير داخل السعة وبالتالي تغيير داخل تشغيل المستشعر.

عمل مستشعر الضغط التفاضلي

يعمل مستشعر الضغط التفاضلي عن طريق قياس انخفاض الضغط بين نقطتين داخل الأنبوب. عند نقطة واحدة في الأنبوب، يقوم بالإبلاغ عن حالة شحن مرشح الجسيمات ويتحقق من وظيفته، بينما في نقطة أخرى، يتحكم في إعادة تدوير غاز العادم منخفض الضغط. بشكل عام، يتم تجهيز هذه المستشعرات بمنفذين حيث يمكن توصيل الأنابيب. بعد ذلك، يتم ربط الأنابيب ببساطة بالنظام الذي سيتم إجراء القياس فيه.

دائرة استشعار الضغط التفاضلي

دائرة استشعار الضغط التفاضلي باستخدام اثنين مقاييس الضغط هو مبين أدناه. تستخدم هذه الدائرة زوجًا متطابقًا من أجهزة قياس الضغط. كلما تم تعزيز الضغط التفاضلي، سيصبح أحد مقياس الانفعال مضغوطًا بينما سيتم تمديد مقياس الانفعال الآخر. في الدائرة التالية، سوف يسجل الفولتميتر عدم توازن دائرة الجسر وسيتم عرضه كقياس للضغط:

وباستخدام هذه الدائرة يمكننا تحديد ما يلي:

تعرف على أي منفذ في الدائرة هو منفذ الضغط 'العالي'.

المنفذ 'B' في الدائرة هو منفذ الضغط 'العالي'.

إذا فشلت المقاومة الثابتة R1 في الفتح، تعرف على ما يسجله الفولتميتر.

إذا فشل المقاوم الثابت 'R1' في الفتح، فإن الفولتميتر الموجود في الدائرة سيتحرك بشكل كامل.

حدد مكون الخلل الذي يدفع الفولتميتر إلى الأعلى تمامًا.

يتبع مكون الخلل الذي يدفع الفولتميتر إلى الأعلى تمامًا كما يلي:

فشل مقياس الضغط 1، وسيتم تقصيره.
فشل مقياس الضغط 2 ثم سيتم فتحه.
عندما يفشل 'R1'، سيتم فتحه.
عندما يفشل 'R2'، سيتم تقصيره.

واجهة مستشعر الضغط التفاضلي MPX7002DP مع Arduino Uno

واجهة مستشعر الضغط التفاضلي MPX7002DP باستخدام اردوينو أونو هو مبين أدناه. يساعد هذا التواصل في تصميم جهاز طبي مفتوح المصدر. يتم استخدام هذا الجهاز الطبي من قبل الأطباء وكذلك المتخصصين الطبيين لعلاج مجموعة متنوعة من اضطرابات الجهاز التنفسي. هنا يتم استخدام لوحة فرعية لمستشعر الضغط التفاضلي والتي تستخدم مستشعر الضغط التفاضلي MPX7002DP.

المكونات المطلوبة لجعل هذا التواصل تشمل بشكل رئيسي؛ مستشعر الضغط التفاضلي MPX7002DP ولوحة Arduino Uno. اتصالات هذه الواجهة تتبع على النحو التالي:

يتم توصيل GND الخاص بمستشعر الضغط التفاضلي MPX7002DP بمنفذ GND الخاص بلوحة Arduino Uno.

يتم توصيل دبوس المستشعر +5V بـ +5V في Arduino.

يتم توصيل الطرف التناظري للمستشعر بالمنفذ A0 في Arduino.

بمجرد إجراء جميع الاتصالات، قم بتحميل الكود إلى ملف لوحة اردوينو الذي يقرأ جهاز استشعار الضغط في اردوينو.

// رمز الاختبار MPX7002DP
// يمارس هذا الكود MPX7002DP
// مستشعر الضغط متصل بـ A0
int SensorPin = A0; // حدد دبوس الإدخال لجهاز استشعار الضغط
قيمة الاستشعار int = 0؛ // متغير لتخزين قيمة البيانات الأولية القادمة من المستشعر
تعويم قيمة الإخراج = 0؛ // متغير لتخزين قيمة كيلو باسكال المحولة
الإعداد باطل() {
// ابدأ تشغيل المنفذ التسلسلي بسرعة 9600 بت في الثانية وانتظر حتى يتم فتح المنفذ:
Serial.begin(9600);
بينما (!المسلسل) {
; // انتظر اتصال المنفذ التسلسلي. مطلوب لمنفذ USB الأصلي فقط
}
pinMode(sensorPin, INPUT); // مستشعر الضغط موجود على الدبوس التناظري 0
}
حلقة فارغة() {
// اقرأ القيمة من المستشعر:
SensorValue =analogRead(sensorPin);
// قم بتعيين البيانات الأولية إلى kPa
inputValue = Map(sensorValue, 0, 1023, -2000, 2000);
// اطبع النتائج على الشاشة التسلسلية:
Serial.print('sensor =');
Serial.print(sensorValue);
Serial.print('\toutput = ');
Serial.println(outputValue);
// انتظر 100 مللي ثانية قبل الحلقة التالية
// للمحول التناظري إلى الرقمي و
// مستشعر الضغط يستقر بعد القراءة الأخيرة:
تأخير (100)؛
}

يتم توصيل خرج مستشعر الضغط التفاضلي بالمنفذ التناظري A0. لذلك سيتم تخزين البيانات الفعلية كقيمة عددية ضمن متغير SensorPin.

يتم تخزين البيانات التناظرية المحولة الخام ضمن متغير عدد صحيح يعرف باسم SensorValue.

سيتم تخزين بيانات الإخراج التي تم تغييرها بـ kPa ضمن متغير عائم يعرف باسم OutputData.

تتم تهيئة الاتصالات التسلسلية في وظيفة الإعداد ويمكن ذكر متغير SensorPin كمدخل.

تتم قراءة بيانات المستشعر في وظيفة الحلقة من الدبوس التناظري وتعيينها إلى قيمة كيلو باسكال.

بعد ذلك، يتم إرسال البيانات إلى المحطة التسلسلية، ومن ثم يمكن مراجعتها.

للسماح للنظام بحل المشكلة، يتم تقديم تأخير قدره مائة مللي ثانية

بعد ذلك، يتكرر الإجراء بأكمله إلى الأبد!

أنواع أجهزة استشعار الضغط التفاضلي

أنواع أجهزة استشعار الضغط التفاضلي شائعة الاستخدام هي: مقاوم، كهرضغطية، سعوي، MEMS وبصري.

نوع مقاوم

يستخدم مستشعر الضغط التفاضلي المقاوم التغيير داخل المقاومة الكهربائية لقياس الضغط لقياس تغيرات الضغط. يتم ربطه بالحجاب الحاجز المكشوف لوسط الضغط. يشتمل مقياس الضغط على عنصر مقاوم معدني على دعامة مرنة ومتصل بالحجاب الحاجز، (أو) المترسب بعمليات الأغشية الرقيقة مباشرة. يوفر الحجاب الحاجز المعدني قدرة عالية على الضغط الزائد والضغط الانفجاري.

أ قياس الضغط يتم ترسيبها على غشاء خزفي من خلال إجراء ترسيب غشاء سميك. بالمقارنة مع أجهزة الغشاء المعدني، عادة ما يكون تحمل ضغط الانفجار والضغط الزائد أقل بكثير. تستفيد هذه المستشعرات من التغير في مقاومة المواد شبه الموصلة عند تعرضها للإجهاد بسبب انحراف الحجاب الحاجز. سيكون حجم التغيير أفضل بمئة مرة مقارنة بتغير المقاومة المتولد داخل مقياس الضغط المعدني. وبالتالي فإن هذه المستشعرات تقيس تغيرات الضغط الأصغر من المستشعرات الخزفية أو المعدنية.

نوع كهرضغطية

يستخدم هذا النوع من أجهزة استشعار الضغط التفاضلي خاصية المواد الكهرضغطية لإنتاج شحنة على السطح كلما تم توفير الضغط. هنا، القوة المطبقة وحجم الشحنة يتناسبان مع بعضهما البعض والقطبية تعبر عن مسارها. تتراكم الشحنة وتتبدد بسرعة عندما يتغير الضغط عن طريق السماح بقياس الضغط الديناميكي سريع التغير.

النوع البصري

يستخدم هذا النوع من أجهزة استشعار الضغط التفاضلي قياس التداخل لقياس التغير الناجم عن الضغط داخل الألياف الضوئية والذي لا ينقطع من خلال التداخل الكهرومغناطيسي. يتم استخدامه في البيئات الصاخبة (أو) بالقرب من مصادر مثل معدات التصوير الشعاعي. يمكن تشكيلها بمكونات صغيرة (أو) تقنية MEMS وهي آمنة طبيًا للاستخدام الموضعي. يقيس الضغط في عدة نقاط على طول الألياف الضوئية.

تكنولوجيا ممس

على المدى ممس يرمز مستشعر MEMS إلى 'النظام الكهروميكانيكي الصغير' الذي يحتوي على آلية استشعار للضغط سعوية أو بيزو يتم تصنيعها على السيليكون بدقة على مستوى الميكرون. يمكن تحويل الخرج الكهربائي لأنظمة MEMS صغيرة الحجم إلى إشارة تناظرية (أو) رقمية عن طريق إلكترونيات تكييف الإشارة المعبأة بشكل مشترك. هذه عبارة عن أجهزة صغيرة يتم تثبيتها على السطح عادةً بحوالي 2 إلى 3 مم لكل جانب.

يرجى الرجوع إلى هذا الرابط للتعرف على خطوات تصنيع MEMS .

كيفية اختبار مستشعر الضغط التفاضلي؟

يمكن اختبار مستشعر الضغط التفاضلي بمقياس متعدد عن طريق ضبطه على 20 فولت ومقياس الضغط. تتم مناقشة عملية الاختبار خطوة بخطوة أدناه.

• أولاً، قم بتوصيل جهاز القياس المتعدد GND بالطرف السالب للبطارية وقم بإجراء فحص سريع من خلال التحقق من جهد البطارية. يجب أن يكون 12.6 فولت تقريبًا عن طريق تشغيل البطارية وإيقاف تشغيل المحرك.
• تحقق من دليل الخدمة الخاص بالشركة المصنعة للتعرف على الإشارة وGND ومرجع 5 فولت والتحقيق الخلفي للأسلاك.
• قم بتشغيل مفتاح الإشعال دون تشغيل المحرك. لذلك يجب أن يعرض المقياس المتعدد جهدًا في نطاق 4.5 إلى 5 فولت بشكل أساسي لمرجع 5 فولت، وهو 0 فولت ثابت لسلك GND. بالنسبة لسلك الإشارة فهو يتراوح بين 0.5 و 4.5 فولت.
• قم بتشغيل المحرك من خلال سلك الإشارة الخلفي.
• اعكس المحرك ولاحظ ما إذا كان هناك تغيير في قراءة الجهد. إذا لم يكن هناك أي تغيير، فاستمر في فحص خراطيم التوصيل من خلال مقياس الضغط.
• أخرج الخراطيم من مستشعر الضغط عندما يكون المحرك قيد التشغيل.
• بمساعدة مقياس الضغط، احسب ضغط كلا الخرطومين. للحصول على دقة كافية، استخدم مقياس الضغط الخلفي للعادم لقياس من 0 إلى 15 رطل لكل بوصة مربعة.
• تحقق مرة أخرى من جهد الإشارة ويجب أن يقرأ الجهد رقمًا بين قيم ضغط الخرطوم.
  إذا تغير جهدك بشكل كبير أو كانت قيم الضغط لا تساوي قراءة الجهد، فإن مستشعر الضغط التفاضلي يكون معيبًا وسيتطلب التغيير.

أعراض

تشمل الأعراض السيئة لأجهزة استشعار الضغط التفاضلي التلوث والإلكترونيات التالفة بسبب حرارة المحرك الشديدة والإصابات بالانسداد والاهتزاز من الخبرة الطويلة داخل قسم المحرك.

• المشكلة الأكثر شيوعًا في هذا النوع من المستشعرات هي تلف الحجاب الحاجز. يؤدي ذلك إلى تشويه مستشعر الضغط التفاضلي (أو) فقدان القدرة على الانثناء والتفاعل مع التغيرات داخل الضغط.
• هناك مشكلة أخرى وهي الضرر الذي يلحق بمنطقة منفذ المستشعر بسبب تراكم التلوث أو الحطام داخل الأنبوب وتقييد التدفق المناسب للسائل إلى المستشعر.
• عندما ينتهي مستشعر الضغط التفاضلي من إرسال إشارة إلى PCM لإعادة التشغيل، يصبح هذا المستشعر مسدودًا بالملوثات.
• بعض العلامات التي تشير إلى أن الحساس لا يتجدد بشكل صحيح بسبب عطل الحساس، ضعف الاقتصاد في استهلاك الوقود، ضعف أداء المحرك، ارتفاع درجات حرارة المحرك، زيادة الدخان الأسود من العادم، درجات حرارة ناقل الحركة القصوى، إلخ.
• عندما يفشل المستشعر، لا يمكن تطهير غازات العادم بشكل كامل عندما يدفع الضغط الخلفي العادم إلى غرفة الاحتراق مما يؤدي إلى اختلاط المستشعر بزيت المحرك.
• تشمل الأعراض الرئيسية لفشل مستشعر الضغط التفاضلي ما يلي: خلل في الإشعال/الانفجار، نقص قوة المحرك، التحقق من إضاءة ضوء المحرك، الاستخدام المفرط للوقود، وسيبدأ المحرك بشكل سيء.
• عند استكشاف أخطاء مستشعرات المحرك وإصلاحها، يوصى بالبحث عن أي علامات تلف مرئية أولاً. قم بفحص جميع التوصيلات بدءاً من الموصل الكهربائي للحساس، وابحث عن أي ضرر مثل التشقق أو الانصهار. سوف تحتاج إلى استبدال أي أسلاك تالفة.
• بعد ذلك، افحص الخراطيم المتصلة بالمستشعر. مرة أخرى، ابحث عن أي ضرر مثل التشقق أو الذوبان.
• في حالة تلف الخراطيم، فسوف تحتاج إلى استبدالها وعلى الأرجح إعادة توجيهها حتى لا تتلف بنفس الطريقة مرة أخرى. إذا بدت الخراطيم في حالة بدنية جيدة، فتحقق من عدم وجود أي انسداد أو انسداد. في حالة انسدادها، يجب تنظيف الخراطيم أو استبدالها.

الاستخدامات/التطبيقات

وتناقش أدناه تطبيقات استشعار الضغط التفاضلي.

• تُستخدم مستشعرات الضغط التفاضلي في المجال الطبي لعلاج تجلط الأوردة العميقة.
• وتستخدم هذه أيضًا في مضخات التسريب وأجهزة التنفس ومعدات كشف التنفس.
• توجد هذه المستشعرات في العديد من المواقع لاستشعار التدفق، واستشعار المستوى أو العمق، واختبار التسرب.
• توجد أجهزة استشعار الضغط التفاضلي بشكل متكرر في البيئات الصناعية حيث يمكن استخدام الاختلاف في الضغط لتحديد تدفق السوائل أو الغازات.
• وتستخدم هذه في محطات معالجة النفايات السائلة، ومعالجة النفط والغاز تحت سطح البحر، وأنظمة التدفئة عن بعد التي تستخدم الماء الساخن (أو) البخار.
• بشكل عام، يتم استخدامها لمراقبة الضغط التفاضلي والتحكم في المياه والغازات والنفط.
• توجد هذه العناصر أيضًا في قياس المستوى داخل الحاويات المغلقة ومراقبة المرشحات وأنظمة السلامة الحرجة.
• تُستخدم أجهزة الاستشعار هذه في العديد من التطبيقات داخل مراكز البيانات.
• إنها مفيدة جدًا في قياس التدفق عبر أنابيب الفنتوري وأنابيب البيتوت وألواح الفتحات وغيرها من التطبيقات القائمة على التدفق.
• يتم استخدام مستشعر الضغط التفاضلي لمراقبة تدفق العملية، وقياس المستويات الآمنة داخل خزانات السوائل، وإدارة حلقات التحكم.
• يتم استخدامها في الغرف النظيفة، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وأتمتة المباني، والمستشفيات، وغرف العزل، والمختبرات، وصناعة الأدوية، وما إلى ذلك.
• تستخدم الأجهزة الدقيقة للغاية هذه المستشعرات لجميع الغازات غير العدوانية وغير القابلة للاشتعال.
• يمكن استخدامها لمراقبة المرشحات ضمن التطبيقات المختلفة
• يمكن العثور على أجهزة استشعار الضغط التفاضلي في أنظمة الحماية من الحرائق في وحدة الرش الخاصة بها.
• وهذه مفيدة جدًا عندما يجب أيضًا قياس كمية السائل الموجود داخل وعاء مغلق.

وبالتالي، هذه نظرة عامة على التفاضل حساس الضغط يعمل ، وتطبيقاتها. يعد هذا المستشعر مكونًا أساسيًا في التطبيقات المختلفة عبر مختلف الصناعات. يمكن لهذا المستشعر قياس تغيرات الضغط بدقة عالية مما يسمح بعملية آمنة وفعالة للعديد من الأنظمة.

تتعرض أجهزة القياس ببساطة لمجموعة واسعة من الضغوط الحرارية أو الكيميائية أو الميكانيكية بحيث تختلف القيم المقاسة وتفقد الدقة بمرور الوقت. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التباطؤ أو الإزاحة الصفرية إلى مخاطر أمنية وتقليل كفاءة العملية. لذلك، لا يمكن للمعايرة المتكررة تجنب مثل هذه التغييرات، على الرغم من اكتشافها خلال الوقت المناسب. ولذلك يقترح إجراء معايرة سنوية واحدة لأجهزة قياس الضغط الكهربائية والميكانيكية. وهنا سؤال لك ما هو حساس الضغط؟