ترانسمیتر فشار باد چگونه کار می کند و کدام نوع برای کاربرد شما مناسب است؟

ترانسمیتر فشار باد چیست و کجا استفاده می شود؟

الف فرستنده فشار باد یک ابزار الکترونیکی است که فشار استاتیک یا دیفرانسیل اعمال شده توسط هوا یا باد را اندازه گیری می کند و آن اندازه گیری را به یک سیگنال خروجی الکتریکی استاندارد - معمولاً 4 تا 20 میلی آمپر، 0-10 ولت DC یا یک پروتکل دیجیتال مانند RS-485 Modbus - تبدیل می کند که می تواند توسط یک کنترل کننده، دیتالاگر یا سیستم مدیریت ساختمان خوانده شود. برخلاف فشارسنج های مکانیکی ساده که یک قرائت بصری محلی را ارائه می کنند، یک فرستنده فشار باد به طور مداوم فشار را کنترل می کند و یک سیگنال زنده را به تجهیزات نظارت از راه دور ارسال می کند، کنترل فرآیند در زمان واقعی، فعال سازی قفل ایمنی و روند داده های طولانی مدت را بدون نیاز به حضور فیزیکی اپراتور در نقطه اندازه گیری امکان پذیر می کند.

فرستنده های فشار باد در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها مستقر هستند. در سیستم‌های HVAC و اتوماسیون ساختمان، فشار استاتیک در کانال‌های هوا، فشار ورودی و خروجی فن، فشار دیفرانسیل فیلتر و اختلاف فشار اتاق به راهرو در اتاق‌های تمیز یا بخش‌های ایزوله را کنترل می‌کنند. در هواشناسی و انرژی باد، فشار دینامیکی ناشی از باد بر سازه ها، فشار مرجع بادسنج و بار باد روی ناسل های توربین را اندازه گیری می کنند. در محیط های فرآیند صنعتی، فشار پیش نویس در کوره ها و بویلرها، فشار پشته در سیستم های اگزوز و فشار هوا در خطوط انتقال پنوماتیک را کنترل می کنند. در آزمایش‌های هوافضا و خودرو، توزیع فشار بخش آزمایش تونل باد را با دقت بسیار بالایی اندازه‌گیری می‌کنند. اصل اندازه‌گیری فیزیکی در تمام این کاربردها ثابت می‌ماند، اما فناوری سنجش خاص، محدوده فشار، کلاس دقت و رتبه‌بندی حفاظت از محیط زیست مورد نیاز به طور قابل‌توجهی بین آنها متفاوت است.

فن آوری های سنجش مورد استفاده در فرستنده های فشار باد

هسته هر فرستنده فشار باد عنصر حسگر آن است - مبدل فیزیکی که فشار اعمال شده را به یک کمیت الکتریکی تبدیل می کند. چندین فناوری سنجش متمایز در فرستنده‌های فشار باد موجود در بازار استفاده می‌شود که هر کدام دارای ویژگی‌های عملکردی متفاوت، پایداری دما، تحمل بیش از حد، و پروفایل‌های هزینه هستند که آنها را کم و بیش برای کاربردهای خاص مناسب می‌کند.

عناصر حساس به سیلیکون پیزورزیستیو

سنسورهای پیزورزیستیو پرکاربردترین فناوری در فرستنده های فشار باد همه منظوره هستند. یک دیافراگم سیلیکونی نازک با چهار مقاومت فشار سنج پیزورزیستیو که در سطح آن پخش شده است، تحت فشار اعمال شده منحرف می شود و مقادیر مقاومت در مدار پل وتستون که توسط مقاومت ها تشکیل شده است را تغییر می دهد. این تغییر مقاومت توسط الکترونیک تهویه سیگنال فرستنده تقویت شده و به سیگنال خروجی تبدیل می شود. سنسورهای پیزومقاومتی سیلیکونی حساسیت عالی، زمان پاسخ سریع معمولاً کمتر از 10 میلی ثانیه و سازگاری با فرآیندهای تولید MEMS (سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی) را ارائه می‌دهند که هندسه‌های سنسور بسیار کوچک را برای محدوده‌های اندازه‌گیری فشار پایین مناسب می‌سازد. محدودیت اولیه آنها حساسیت دمایی متوسط ​​است - ضرایب پیزورمقاومتی سیلیکون با دما تغییر می‌کند، که برای حفظ دقت در محدوده‌های دمایی عملیاتی گسترده، به مدار جبران دمای فعال نیاز دارد.

عناصر حسگر خازنی

سنسورهای فشار خازنی تغییر در ظرفیت بین یک الکترود دیافراگم منعطف و یک الکترود مرجع ثابت را با انحراف دیافراگم تحت فشار اندازه گیری می کنند. از آنجایی که اندازه‌گیری خازن ذاتاً نسبت به مقاومت پیزو حساسیت کمتری به دما دارد، حسگرهای خازنی پایداری طولانی‌مدت بهتر و خطای دمایی کمتری را نسبت به جایگزین‌های پیزومقاومتی ارائه می‌دهند، به‌ویژه در برنامه‌های نظارت بر باد در فضای باز که نوسانات دمای محیط 60 درجه سانتی‌گراد یا بیشتر بین تابستان و زمستان رایج است. حسگرهای خازنی نیز ذاتاً تحمل بیش از حد مجاز دارند زیرا دیافراگم به‌جای تسلیم پلاستیکی هنگامی که فشار بسیار از محدوده نامی فراتر رفت، به سادگی با الکترود ثابت تماس می‌گیرد. این باعث می شود که آنها در کاربردهایی که افزایش فشار یا گذرا اتفاق می افتد، مانند اندازه گیری تندبادهای باد در سازه های در معرض، قوی باشند.

عناصر حسگر سرامیکی و فیلم ضخیم

عناصر حسگر سرامیکی از یک دیافراگم سرامیکی آلومینا با نوارهای فشار سنج با لایه ضخیم استفاده می کنند که مستقیماً روی سطح آن چاپ می شود. مواد سرامیکی از نظر شیمیایی خنثی هستند و در برابر خوردگی بسیار مقاوم هستند و این حسگرها را برای محیط‌های خشن که قرار گرفتن در معرض رطوبت، تراکم، هوای نمک یا گازهای خفیف خورنده پیش‌بینی می‌شود، مناسب می‌سازد. عناصر سرامیکی نیازی به پر کردن روغن ندارند - یک مزیت قابل توجه در کاربردهایی که آلودگی روغن محیط فرآیند غیرقابل قبول است. آنها معمولاً در فرستنده‌های فشار باد هواشناسی در فضای باز و کاربردهای دریایی یافت می‌شوند که در آن درگاه سنجش ممکن است به طور مستقیم در معرض شرایط جوی مرطوب یا شور در طول سال‌ها خدمات مداوم قرار گیرد.

اندازه گیری فشار دیفرانسیل در مقابل استاتیک در کاربردهای باد

درک تمایز بین اندازه‌گیری فشار دیفرانسیل و استاتیک هنگام تعیین یک فرستنده فشار باد ضروری است، زیرا دو حالت اندازه‌گیری به پیکربندی‌های ابزار و رویکردهای نصب متفاوتی نیاز دارند، حتی در هنگام اندازه‌گیری چیزی که به طور کلی به عنوان «فشار باد» توصیف می‌شود.

اندازه‌گیری فشار استاتیک، فشار را در یک نقطه از جریان هوا نسبت به یک مرجع کمیت می‌کند - یا فشار اتمسفر (اندازه‌گیری گیج) یا خلاء مطلق (اندازه‌گیری مطلق). در سیستم‌های کانال و کاربردهای فشار ساختمان، فرستنده‌های فشار استاتیک نظارت می‌کنند که آیا یک فضای کنترل‌شده در فشار طراحی مثبت یا منفی نسبت به محیط اطراف حفظ می‌شود. یک پورت فشار واحد فرستنده را به نقطه اندازه گیری متصل می کند و مرجع یا جو محلی یا یک محفظه مرجع داخلی مهر و موم شده است.

اندازه گیری فشار دیفرانسیل اختلاف فشار بین دو نقطه خاص در جریان هوا را به طور همزمان کمیت می کند. فرستنده‌های فشار باد که برای اندازه‌گیری دیفرانسیل پیکربندی شده‌اند، دارای دو پورت فشار هستند - یک پورت فشار بالا و یک درگاه فشار پایین - و سیگنالی متناسب با اختلاف فشار اعمال شده به هر یک از آنها صادر می‌کنند. این پیکربندی برای اندازه‌گیری افت فشار در فیلترها، مبدل‌های حرارتی و مجموعه‌های فن در سیستم‌های HVAC استفاده می‌شود. برای محاسبه سرعت جریان هوا با استفاده از یک لوله پیتو در رابطه با معادله برنولی. و اندازه گیری اختلاف فشار بین وجه رو به باد و بادگیر سازه برای تعیین کمیت بار باد. محدوده فشار دیفرانسیل این ابزارها معمولاً بسیار کم است - از چند پاسکال تا چند کیلو پاسکال - که به عناصر حسگر با حساسیت بالا و نصب دقیق برای دستیابی به نتایج دقیق نیاز دارد.

مشخصات کلیدی برای مقایسه هنگام انتخاب یک فرستنده فشار باد

برگه مشخصات یک فرستنده فشار باد شامل پارامترهای متعددی است، اما همه آنها ارتباط یکسانی با عملکرد اندازه گیری در دنیای واقعی ندارند. مشخصات زیر بیشترین تأثیر عملی را بر این دارد که آیا یک فرستنده دقت، قابلیت اطمینان و طول عمر مورد نیاز یک برنامه اندازه گیری فشار باد را برآورده می کند یا خیر.

دقت کلی، رایج‌ترین مشخصاتی است که در برگه‌های اطلاعات فرستنده فشار اشتباه درک می‌شود. سازندگان گاهی اوقات فقط خطای خطی یا پسماند عنصر حسگر را در یک دمای مرجع ذکر می‌کنند، که بهترین شکل را نشان می‌دهد که خطای ترکیبی را از همه منابع - خطی بودن، پسماند، تکرارپذیری و اثر دما - در تمام محدوده دمای عملیاتی منعکس نمی‌کند. همیشه رقم کل باند خطا (TEB) را درخواست کنید که همه منابع خطا را در حداکثر محدوده دمای عملیاتی ترکیب می کند، زیرا این عددی است که در بدترین حالت عدم قطعیت اندازه گیری در شرایط نصب واقعی تعیین می کند.

ملاحظات نصب که بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد

حتی یک فرستنده فشار باد با مشخصات بالا در صورت نصب نادرست نتایج اندازه گیری ضعیفی را ارائه می دهد. پیکربندی نصب - از جمله جهت بدنه فرستنده، طراحی و موقعیت شیرهای فشار، مسیریابی خطوط ضربه ای و مدیریت تراکم - تأثیر مستقیم و قابل توجهی بر دقت و قابلیت اطمینان اندازه گیری در سرویس دارد.

طراحی و موقعیت یابی شیر فشار

برای اندازه گیری فشار باد در نماها و سازه های ساختمان، شیر فشار - دهانه ای که فشار اتمسفر از طریق آن حس می شود - باید برای اندازه گیری فشار استاتیک واقعی بدون تداخل فشار دینامیکی (سرعت) قرار گیرد. یک شیر فشار با طراحی ضعیف که مستقیماً در جریان باد قرار می گیرد، ترکیبی از فشار استاتیک و دینامیکی را حس می کند و خوانش های قابل توجهی بالاتر از فشار استاتیک واقعی باد ایجاد می کند. راه حل استاندارد یک پورت فشار استاتیک با هندسه ورودی گرد یا پخ است که عمود بر جهت جریان محلی است، یا یک منیفولد میانگین چند سوراخه که اجزای فشار سرعت جهت را در نقاط اندازه‌گیری متعدد لغو می‌کند. در کاربردهای کانالی، شیرهای فشار باید در مقاطع مجرای مستقیم حداقل پنج قطر مجرای پایین دست و دو قطر بالادست هر گونه خم، دمپر یا انسدادی که الگوهای جریان آشفته ای را ایجاد می کند که بر خوانش فشار استاتیک تأثیر می گذارد، قرار گیرد.

مدیریت مسیریابی و تراکم خط ضربه

هنگامی که یک فرستنده فشار باد از راه دور از نقطه اندازه‌گیری فشار خود نصب می‌شود، خطوط ضربه‌ای - لوله‌ها یا شیلنگ‌های با سوراخ کوچک که شیر فشار را به پورت‌های فرستنده متصل می‌کنند - سیگنال فشار را به دستگاه می‌رسانند. هوا یا گاز محبوس شده در خطوط ضربه به طور قابل توجهی بر دقت انتقال فشار تأثیر نمی گذارد، اما تجمع مایع در خطوط در نظر گرفته شده برای سرویس گاز، یک خطای سر هیدرواستاتیک متناسب با ارتفاع ستون مایع ایجاد می کند. در کاربردهای اندازه‌گیری فشار باد در فضای باز که انتظار می‌رود میعان، خطوط ضربه‌ای باید با شیب پیوسته رو به پایین از نقطه اندازه‌گیری به فرستنده هدایت شوند تا رطوبت متراکم به جای تجمع در نقاط پایین، از فرستنده خارج شود. از طرف دیگر، گلدان های میعانات گازی نصب شده در نقاط پایین در سیستم خط ضربه ای، مایع انباشته شده را جمع آوری کرده و به صورت دوره ای تخلیه می کنند تا از ورود آن به درگاه های فرستنده جلوگیری شود.

جهت گیری فرستنده و رانش صفر

بسیاری از فرستنده‌های فشار دیفرانسیل، زمانی که جهت آن‌ها از موقعیت کالیبراسیون کارخانه تغییر می‌کند، یک شیفت آفست صفر کوچک نشان می‌دهند. این به این دلیل رخ می دهد که وزن دیافراگم حسگر زمانی که فرستنده در جهت غیر عمودی نصب می شود، بار گرانشی کوچک اما قابل اندازه گیری ایجاد می کند. برای ابزارهای محدوده فشار بسیار پایین که فشار باد 10-100 Pa را اندازه‌گیری می‌کنند، این افست صفر گرانشی می‌تواند بخش قابل‌توجهی از خروجی در مقیاس کامل را نشان دهد. اکثر سازندگان تغییر صفر را به ازای هر 90 درجه شیب از عمودی مشخص می‌کنند، که به نصاب اجازه می‌دهد تا پس از نصب فرستنده در جهت نهایی، ضریب تصحیح یا کالیبراسیون صفر در محل را انجام دهد. همیشه قبل از راه اندازی هر فرستنده فشار باد با برد پایین، این تنظیم صفر میدان را انجام دهید تا خطای صفر ناشی از جهت گیری از اندازه گیری حذف شود.

برنامه های کاربردی عملی و راهنمای انتخاب توسط صنعت

تطبیق یک فرستنده فشار باد با کاربرد آن نیازمند متعادل کردن الزامات عملکرد در برابر محدودیت‌های محیطی و بودجه است. دستورالعمل های زیر مهمترین معیارهای انتخاب را برای دسته های اصلی برنامه خلاصه می کند.

• کنترل فشار استاتیک کانال HVAC: یک فرستنده فشار دیفرانسیل با محدوده 0-500 Pa یا 0-1000 Pa، دقت ± 1% FS یا بهتر، خروجی 4-20 میلی آمپر یا 0-10 V برای اتصال مستقیم به کنترل کننده حجم هوای متغیر (VAV) و یک محفظه دارای رتبه IP54 انتخاب کنید. زمان پاسخ در این برنامه حیاتی نیست - 100 تا 500 میلی ثانیه برای پویایی کند حلقه های کنترل فشار کانال کافی است. فرستنده‌های با صفر و دهانه قابل تنظیم میدانی به مهندسان راه‌انداز اجازه می‌دهند تا خروجی را مطابق با نقطه عملیاتی طراحی بدون تجهیزات کالیبراسیون مجدد برش دهند.
• فشار اتاق تمیز و ایزوله: این کاربرد به محدوده فشار بسیار پایین - معمولاً 0-25 Pa یا 0-50 Pa - و دقت بالای ± 0.5٪ FS یا بهتر برای تشخیص اختلاف فشارهای کوچک که نشان دهنده خرابی آب بندی درب یا عدم تعادل HVAC است نیاز دارد. پایداری دما مهم است زیرا سیستم‌های تهویه مطبوع اتاق تمیز کنترل دما را به شدت حفظ می‌کنند که می‌تواند رانش سنسور را بپوشاند و تشخیص خطاهای کالیبراسیون را در طول عملیات معمول دشوار می‌کند. سنسورهای پیزومقاومتی خازنی یا با پایداری بالا را با مشخصات پایداری طولانی مدت مستند انتخاب کنید.
• پایش بار باد در فضای باز بر روی سازه ها: الفpplications measuring wind pressure on bridges, tall buildings, or communication towers require transmitters with IP67 or higher environmental protection, wide operating temperature ranges of at least -30°C to 70°C, fast response times below 50 ms to capture gust dynamics, and high overrange tolerance of at least 5× rated range to survive extreme weather events. Stainless steel or coated aluminum housings with UV-resistant cable glands provide the corrosion resistance needed for years of unattended outdoor service.
• مانیتورینگ فشار ناسل توربین بادی: فرستنده‌های فشار داخل ناسل‌های توربین بادی فشار جریان هوای خنک‌کننده، فشار محفظه گیربکس و فشار دیفرانسیل فیلتر را اندازه‌گیری می‌کنند. محیط ارتعاش داخل ناسل توربین شدید است - سطوح شتاب 1 گرم یا بیشتر در فرکانس‌های تا 100 هرتز معمول است - بنابراین فرستنده‌های این کاربرد باید با درجه‌بندی مقاومت ارتعاشی مطابق یا فراتر از مشخصات محیط ناسل سازنده توربین مشخص شوند. فرستنده های دارای رتبه SIL با ارتباط HART به طور فزاینده ای توسط اپراتورهای توربین برای ادغام با سیستم های نظارت بر وضعیت مورد نیاز هستند.
• اندازه گیری پیش نویس دیگ و کوره صنعتی: فشار کشش در سیستم های احتراق معمولاً فشار گیج منفی است که بسته به اندازه کوره و ارتفاع پشته از -50 Pa تا -2000 Pa متغیر است. فرستنده ها برای این کاربرد باید دماهای بالای محیط را در نزدیکی محفظه کوره تحمل کنند - اغلب 60 درجه سانتیگراد تا 80 درجه سانتیگراد - و باید از گازهای دودکش خورنده ای که ممکن است در شیر اندازه گیری وجود داشته باشد با طول خط ضربه ای مناسب که گاز را قبل از رسیدن به فرستنده خنک می کند محافظت شوند. عناصر حسگر سرامیکی به دلیل مقاومت شیمیایی آنها در برابر گازهای احتراق گوگردی که در طول زمان به حسگرهای فلزی و سیلیکونی حمله می کنند ترجیح داده می شوند.

کالیبراسیون، تعمیر و نگهداری و تضمین عملکرد بلند مدت

الف wind pressure transmitter is a precision measurement instrument whose accuracy degrades over time due to mechanical drift in the sensing element, changes in the signal conditioning electronics, and physical changes to the pressure ports from contamination or corrosion. Establishing a calibration and maintenance program appropriate to the application's accuracy requirements is essential to ensuring that the transmitter continues to deliver reliable measurements throughout its service life.

فاصله کالیبراسیون باید با ترکیبی از پایداری بلندمدت مشخص فرستنده - که معمولاً به صورت درصد مقیاس کامل در سال بیان می شود - و دقت مورد نیاز برنامه تعیین شود. یک فرستنده با رانش ± 0.1٪ FS در سال نصب شده در برنامه ای که نیاز به دقت کل FS 0.5 ± دارد، از نظر تئوری می تواند برای چندین سال بین کالیبراسیون ها کار کند قبل از اینکه رانش انباشته آن به طور قابل توجهی به خطای کل کمک کند. در عمل، اکثر تاسیسات صنعتی سالانه فرستنده های فشار را با استفاده از یک کالیبراتور فشار دقیق قابل ردیابی مطابق با استانداردهای اندازه گیری ملی کالیبره می کنند و نتایج کالیبراسیون برای انطباق با سیستم مدیریت کیفیت مستند شده است. کاربردهای حیاتی ایمنی مانند فشار دادن اتاق تمیز در تولید دارو یا پایش بار باد در سازه‌های اشغالی ممکن است به فواصل کالیبراسیون نیمه‌سالانه یا سه‌ماهه نیاز داشته باشند.

تعمیر و نگهداری معمول فرستنده های فشار باد باید شامل بازرسی دوره ای و تمیز کردن پورت های فشار برای حذف گرد و غبار، بقایای حشرات یا رشد بیولوژیکی باشد که می تواند تا حدی دهانه حسگر را مسدود کند و باعث خوانش مصنوعی فشار پایین شود. در کاربردهای خارج از منزل، صفحه شیر فشاری یا فیلتر - در صورت نصب - باید پس از حوادث آب و هوایی شدید بررسی شود و در صورت آسیب دیدگی یا مسدود شدن تعویض شود. در صورت مشاهده هرگونه نشانه ای از نفوذ رطوبت در محل اتصال کابل و محفظه فرستنده، باید غده های ورودی کابل از نظر یکپارچگی بررسی شوند و دوباره مهر و موم شوند. فرستنده‌هایی که نشانه‌هایی از آسیب فیزیکی به بدنه، پورت‌های فشار خورده یا رفتار خروجی سیگنال مغایر با شرایط فرآیند شناخته‌شده را نشان می‌دهند، باید به جای تعمیر جایگزین شوند، زیرا تعمیر میدانی عناصر سنجش فشار دقیق در مقایسه با جایگزینی با واحد کالیبره‌شده جدید به ندرت عملی یا مقرون‌به‌صرفه است.