مشخصه های سنسور فشار و تأثیر آن بر اندازه گیری دقیق

مشخصه های سنسور فشار و تأثیر آن بر اندازه گیری دقیق:
یک سنسور فشار مشخصه های زیادی دارد که صحیح بودن انتخاب آن را تعیین می کنند. گیج، مطلق، اختلافی، ترانسدیوسر، ترانسمیتر، بازه اندازه گیری و اندازه اتصالات از مهم ترین این مشخصه ها است.

ممکن است چند سنسور نیازهای یک کاربرد خاص را برآورده کنند. در این شرایط در نظر گرفتن عواملی که بر دقت اندازه گیری موثر هستند، راهنمای انتخاب صحیح خواهد بود.

اساسا این کار تعیین می کند که آیا فشار اندازه گیری شده به اندازه کافی قابلیت اطمینان دارد که بتوان از آن برای تصمیم گیری در کنترل فرایند استفاده کرد یا خیر.

عوامل موثر بر دقت:
مشخصه های عمده سنسور فشار که بر دقت تأثیر می گذارند، عبارتند از:

ضرایب دمایی، پسماند یا هیسترزیس (Hysteresis) دمایی، پسماند فشار و میزان غیرخطی بودن. ضرایب دمایی مهم، شامل تغییرات وابسته به دما برای آفست صفر، حساسیت و بازه اندازه گیری هستند.

مشخصه های مربوط به دقت اندازه گیری در دیتاشیت (Datasheet) سنسور، به صورت تکی یا کلی (محاسبه شده بر اساس ریشه مجموع مربعات هر یک عوامل) ارائه می شود.

توجه کنید که می توان دقت را به صورت درصدی از بازه کامل و یا درصدی از فشار خوانده شده بیان کرد. اما درصد بازه کامل (Full Scale) یا F.S% بسیار رایج تر است؛ به این معنی که اگر سنسور دارای بازه اندازهگیری200psi باشد، و دقت به صورت 1 درصد از بازه کامل مشخص شود، انتظار می رود هر فشاری در محدوده0تا200psi، در بازه±2psi فشار واقعی باشد.

اما اگر دقت به صورت درصدی از فشار خوانده شده بیان شود، 1 درصد دقت در فشار200psiمعادل با خطای±2psiاست. همچنین در فشار100psiخطا برابر±1psi خواهد بود. در فشارهای پایین نزدیک فشار0psi، خطا نمی تواند به سمت صفر میل کند. در چنین شرایطی در دیتاشیت سنسور یک مقدار خطای مطلق مانند±0.4psi برای فشارهای زیر حد آستانه (Threshold) تعیین می شود.

ضریب دمایی آفست صفر:
خطاهای دمایی در طول یک بازه (بازه دمایی جبران شده) با CTR بیان می شوند و معمولا از بازه عملکرد دمایی کوچک تر هستند. آفست صفر (Zero Offset) معادل با خروجی ترانسمیتر در شرایطی است که فشار در دو طرف دیافراگم برابر باشند.

آفست صفر در بعضی دیتاشیت ها به عنوان خروجی فشار صفر بیان شده است. یک آفست ثابت معمولا در کارخانه جبران و حذف می شود، اما باید دقت کرد که آفست وابسته به دما است و مقدار آن با تغییرات دما تغییر خواهد کرد.

ضریب دمایی آفست صفر یا خطای دمایی صفر (TCZ) معمولا با اندازه گیری تفاوت بین خروجی آفست در دمای استاندارد و در محدوده های بالاتر و پایین تر از بازه دماییِ جبران شده، محاسبه و با انتخاب مقدار بزرگ تر به صورت درصدی از بازه کامل بیان می شود.

ضریب دمایی حساسیت:
در واقع، حساسیت بیان گر مقدار تغییرات در خروجی بر حسب هر واحد تغییر در فشار اعمالی است. این مولفه معمولا توسط ولتاژ تحریک تحت تأثیر قرار می گیرد. به همین دلیل، واحد اندازه گیری آن میلی ولتِ ولتاژ خروجی بر ولتاژ تحریک بر حسب ولت (mV/V) است.

حساسیت ممکن است با تغییر شرایط کاری، مخصوصا دما تغییر کند. تغییر حساسیت در طول بازه دمایی جبران شده (CTR) به صورت درصدی از بازه کامل فشار تقسیم بر تغییرات دما بیان می شود.

ضریب دمایی بازه اندازه گیری:
دما دامنه مقیاس کامل خروجی سنسور را تحت تأثیر قرار می دهد که به آن ضریب دمایی گستره-خطا (TE) می گویند و البته گاهی از آن به عنوان ضریب دمایی بازه TCS یاد می شود. روش محاسبه این خطا بسیار شبیه به محاسبه TCZ است.

خروجی مقیاس کامل در بالا و پایین محدوده CTR با مقیاس کامل در دمای استاندارد مقایسه شده و مقدار بزرگ تر به عنوان نسبت درصد بر درجه (C° / %) بیان می شود.

پسماند فشار و پسماند دما:
یک سنسور ممکن است بسته به روند صعودی یا نزولی بودن تغییرات فشار، مقادیر متفاوتی را برای یک فشار ارائه دهد. به این پدیده هیسترزیس یا پسماند فشار گفته می شود.

عوامل اساسی که پسماند فشار را به وجود می آورند، مشخصه های دیافراگم فشارسنج و استرین گیج استفاده شده در آن برای تبدیل تغییرات انحنای دیافراگم به تغییرات مقاومت هستند.

پسماند فشار دمایی توسط شرایط اندازه گیری مانند بازه دما و زمان توقف تحت تأثیر قرار می گیرد و به صورت درصدی از مقیاس کامل در طول CTR نشان داده می شود.

غیر خطی بودن:
غیر خطی بودن به صورت تفاوت بین خروجی واقعی سنسور و خروجی پیش بینی شده بر حسب عملکرد معمول آن، بیان می شود. پاسخ غیر خطی توسط پارامترهایی نظیر دما، رطوبت، ارتعاش و سایر اغتشاشات تحت تأثیر قرار می گیرد. میزان غیرخطی بودن را می توان به صورت درصد و با رابطه زیر بیان کرد:

که در آن Din بیانگر ماکزیمم انحراف ورودی و.INf.s نیز ماکزیمم ورودی مقیاس کامل است.

علاوه بر این، مطابق شکل زیر غیرخطی بودن را می توان به صورت گرافیکی نشان داد که در آن انحراف ولتاژ خروجی در طول بازه اندازه گیری به نمایش در می آید.

در این شرایط، میزان غیرخطی بودن با تعیین بهترین خط برازش کننده فشار ورودی-ولتاژ خروجی به روش رگرسیون خطی و سپس یافتن بیشترین اختلاف بین خط برازش شده و منحنی مشخصه واقعی سنسور بیان می شود.

ملاحظات طراحی:
آشنایی با انواع سنسورها در کاربردهای رایج، اصول کاری آن ها و مدهای استفاده (مطلق، گیج، اختلافی) به مهندسان در انتخاب اولیه کمک می کنند تا مناسب ترین سنسور را برای کاربرد مورد نظر بیابند.

جنس مواد مورد استفاده و نوع ساختار تأثیر بسزایی در جنبه هایی مانند بازه اندازه گیری، عوامل محدودکننده (مانند حداکثر فشاری که به یک سنسور قابل اعمال است) و پایداری طولانی مدت دارد.

درک مشخصه های خروجی الکتریکی و مدارهای مورد نیاز برای تعامل با سیستم الکترونیکی میزبان (Host) - که معمولا یک سیستم کنترل مبتنی بر میکروکنترلر است - به درک تأثیر انتخاب سنسور فشار بر تجمیع الکترونیکی کمک می کند.