بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی

دسته: برق ، الکترونیک و مخابرات
بازدید: 83 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 4552 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 333

آشكارسازی و تبدیل تنش كششی در برگیرنده اندازه گیری تغییرات خصی كوچك طول یك نمونه است این به وسیله اثر تغییرات دما، كه ایجاد انبساط و یا انقباض می‌كند كامل می شود برای تغییرات حدود صفر تا 90 درجه سانتیگراد كه دمای محیط اطراف ماست، انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغییراتی كه توسط مقادیر زیادی فشار ایجاد می شود خواهد بود بنابراین هر سیستمی بر

قیمت فایل فقط 10,900 تومان

بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی

فهرستمطالب

عنوان                                                                                 صفحه

فصل 1: کرنش و فشار                                                                                      1

• کرنش مکانیکی                                                                             2
• تداخل سنجی                                                                               9
• روشهای فیبر نوری                                                                      13
• گیجهای فشار                                                                              14
• فشار گازی کم                                                                                       21
• گیجهای یونیزاسیون                                                                      23
• استفاده از ترانسدیوسر                                                                           26

فصل 2: موقعیت ، جهت ، فاصله و حرکت                                                               28

• موقعیت                                                                                      29
• جهت                                                                                          30
• اندازه گیری فاصله – مقیاس وسیع                                                   39
• فاصله پیموده شده                                                                        41
• سیستمهای شتاب سنج                                                                   50
• دوران                                                                                        56

فصل 3: سنسورهای دما و ترانسدیوسرهای حرارتی                                                          68

• گرما و دما-                                                                                69

فهرستمطالب

عنوان                                                                                 صفحه

• نوار بی متال                                                                                70
• انبساط مایع و گاز                                                                        74
• ترموکوپلها                                                                                  76     
• سنسورهای مقاومت فلزی                                                               85
• ترمیستورها                                                                                 92
• تشخیص انرژی گرمایی تابشی                                                                   99
• آشکارسازهای پایروالکتریک                                                            100
• ترانسدیوسرهای حرارتی                                                                103
• ترانسدیوسرهای حرارتی به الکتریکی                                                105

فصل 4: جامدات ، مایعات و گازها                                                                        108   

• جرم و حجم                                                                                109
• سنسورهای الکترونیک                                                                             110
• آشکارسازهای مجاورتی                                                                115
• سطح مایعات                                                                                130
• سنسورهای جریان مایع                                                                 133
• زمان سنجی                                                                                137
• گازها                                                                                         141

فهرستمطالب

عنوان                                                                                 صفحه

• ویسکوزیته (گران روی)                                                                 145

فصل 5: فرآیندها                                                                                              174

• فرآیندهای صنعتی                                                                         175
• بررسی رفتارهای کلی فرآیندهای صنعتی                                           194
• روشهای عملی تعیین تابع تبدیل فرآیندها                                            206

فصل 6: کنترل کننده ها                                                                                     220

• کنترل کننده ها                                                                    221
• کنترل کننده ها از نظر انرژی محرکه                                                 221
• کنترل کننده ها از نظر قانون کنترل                                                   222
• اصل کلی ایجاد عملیات در کنترل کننده ها                                           236
• کنترل کننده های الکتریکی                                                               237
• کنترل کننده های بادی                                                                   242
• کنترل کننده های هیدرولیکی                                                  261
• انتخاب کنترل کننده ها                                                          290
• تنظیم کنترل کننده ها                                                            294
• جبرانسازی در سیستمهای کنترل صنعتی                                           307

فصل 7: عناصر نهایی و محرک ها                                                                       319

فهرستمطالب

عنوان                                                                                 صفحه

          شیرها                                                                                        321

• محرک ها                                                                                    329
• تثبیت کننده شیر                                                                           343
• شیرهای مخصوص                                                                       348
• تقویت کننده ها                                                                             353
• مراجع                                                                                        358

1-1           كرنش مكانیكی

عبارتهای تنش و كرنش غالباً در موقع استفاده با یكدیگر اشتباه می شوند و بنابراین لازم است در اینجا تعریف روشنی از این در كلمه بیان شود.

كرنش نتیجه تنش است و به صورت تغییر نسبی ابعاد یك شی بیان می شود، بدین معنی كه تغیر بعد تقسیم بر بعد اصلی می شود، به گونه ای كه به عنوان مثال، از نظر طولی كرنش تغییرات طول تقسیم بر طول اصلی است. این كمیتی است كه یك عدد خالص بوده و حاصل تقسیم یك طول بر طول دیگر است و بنابراین دیمانسیون فیزیكی ندارد.

كرنش به روشی مشابه تغییر كمیت تقسیم بر كمیت اصلی را می توان برای اندازه گیری های سطح و یا حجم تعریف كرد به عنوان مثال، كرنش سطح، عبارتست از تغییر سطح تقسیم بر سطح اصلی و كرنش حجم، تغییرات حجم تقسیم بر حجم اصلی است.

در مقابل، تنش، عبارتست از تقسیم مقدار نیرو بر مقدار سطح. همانگونه كه درمورد یك سیم و یك میله در تنش كششس و یا فشای ، بهعنوان مثال، تنش كششی عبارت از نیروی وارده تقسیم بر سطحی كه نیرو به آن وارد می شود كه آن سطح،سطح  مقطع سیم و یا میله است. درمورد موادی مانند مایعات و یا گازها، كه می توانند در تمام جهات به طور یكنواخت فشرده شوند، تنش كلی نیرو بر واحد سطح است كه همان فشار وارده است و كرنش تغییر حجم تقسیم بر حجم اصلی است. عمومی ترین ترانسدیوسرهای كرنش از نوع تنش مكانیكی كششی (Tensile mechanical stress) هستند. اندازه گیری كرنش، اجازه می دهد كه مقدار تنش با دانستن مدول الاستیك (Elastic modulus) قابل محاسبه باشد. تعریف هر نوع از ضریب كشسانی كرنش/ تنش است (كه دارای واحد تنش است،چون كرنش واحد فیزیكی ندارد) و كاربردی ترین مدول الاستیك ، مدول خطی یانگ ، مدول برشی (پیچش)و مدول بولك (فشار) است.

برای مقادیر كوچك كرنش مقدار كرنش متناسب با تنش است و مدول الاستیك كمیتی است كه نسبت كرنش/ تنش را در ناحیه الاستیك، بیان می كند، (قسمتی از نمودار كرنش- تنش كه خطی است) به عنوان مثال مدول یانگ نسبت كرنش كششی/ تنش كششی، به طور نمونه برای هر ماده به شكل سیم اندازه گیری می شود (شكل 1-1) روش اندازه گیری كلاسیك، هنوز هم در آزمایشگاه مدارس مورد استفاده قرار می گیرد و درآن از یك زوج سیم بلند استفاده می شود، كه یكی از آنها به بار وصل شده و به سیم دیگر یك ورنیه مدرج نصب می شود.

آشكارسازی و تبدیل تنش كششی در برگیرنده اندازه گیری تغییرات خصی كوچك طول یك نمونه است. این به وسیله اثر تغییرات دما، كه ایجاد انبساط و یا انقباض می‌كند كامل می شود. برای تغییرات حدود صفر تا 90 درجه سانتیگراد كه دمای محیط اطراف ماست، انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغییراتی كه توسط مقادیر زیادی فشار ایجاد می شود خواهد بود. بنابراین هر سیستمی برای آشكار سازی و اندازه گیری كرنش بایستی به نحوی طراحی شود كه اثرات دما بتواند جبران سازی شود.

قوانینی كه برای آشكار سازی كرنش خطی و یا سطحی استفاده می شود پیزورزیستیو و پیزو الكتریك نامیده می شوند.

معمول ترین روش اندازه گیری كرنش با استفاده از استرین گیجهای مقاومتی محقق می شود. یكاستریم گیج مقاومتی شامل یك ماده هادی به شكل یك سیم و یا نوار نازك است كه به صورتی محكم به مادهای كه كرنش     آن بایستی آشكار شود متصل شده است. این ماده ممكن است دیوار یك ساختمان، تیغه یك توربین، قسمتی از یك پل، هر چیزی باشد كه درآن تنش اضافی بتواند اغتشاش تهدید كننده ای آشكار كند. محكم كردن ماده مقاومتی معمولاً توسط رزینهای اپوكسی (مانند آرالدیت) انجام میگیرد، چون این مواد بسیار محكم هستند و عایقهای الكتریكی نیز به شمار می روند. سپس نوار استرین گیج به عنوان ییك از بازوهای مدار پلی مقاومتی به مدار وصل می شود (شكل 1-2) این یك مثال در مورد قانون پیزورزیستیو است، چون برای آشكار سازی از تغییر مقاومتی كه به دلیل تغییر شكل ساختمان كریستالی ماده حاصل شده است استفاده می شود.

می توان با استفاده از یك استرین گیچ در ثل مقاومتی به طوری كه تحت كرنش قرار نگرفته باشد به گونه ای مقایسه ای اثر تغییرات دما را به حداقل رسانید. این اقدام نه تنها به خاطر اینكه ابعاد ماده مورد بررسی در نتیجه تغییرات دما تغیر خواهد كرد بلكه به این دلیل است كه خود مقاومت عنصر استرین گیچ نیز تغییر خواهد كرد. با استفاده از دو استرین گیچ یكسان، كه یكی از آنها تحت كرنش نباشد، در مدارپل، این تغییرات در مقابل یكدیگر می توانند متعادل شوند و باعث شود تنها تغییرات مربوط به كرنش آشكار شوند. حساسیت این نوع سنجه، كه غالباً سنجه پیزورزیستیو نامیده شده، تحت عنوان فاكتور گیج اندازه گیری می شود. این مفهوم به عنوان نسبت تغییرات مقاومت به تغییرات كرنش معرفی می شود و به طور معمول برای سنجه از نوع سیم فلزی در حدود 2 و برای نوع نیمه هادی آن حدود 100 است.

 شكل 1-2 استفاده از استرین گیج- (a) شكل فیزیكی یك استرین گیج (b) یك مدار پل اندازه گیری برای استفاده استرین گیج. با استفاده از یك سنجه فعال (تحت كرنش) و یك سنجه غیر فعال (بدون قرار گرفتن تحت كرنش) در یك بازوی پل، چنانچه هر دو گیج به طور یكسان تحت تاثیر دما قرار گیرند، اثرات دما جبران سازی می شود. دو سنجه معمولاً به صورت پهلو به پهلو قرار می گیرند اما تنها یك سنجه به طور محكم به سطح تحت كرنش وصل می شود.

همان گونه كه اعداد فاكتور در بالا نشان می دهند تغییر مقاومت یك گیج كه با استفاده از المنتهای سیم مرسوم ساخته می شوند (كه عمدتاً از جنس سین نیكرن نازك هستند) خیلی كوچك است.

به دلیل اینكه مقاومت یك سیم متناسب به طول آن است، تغییرات نسبی مقاومت با تغییرات نسبی طول خواهد بود، بهطوری كه تغییرات كمتر از 1/0% قابل آشكارسازی است. چون مقاومت در مقایسه با مقاومت اتصالات در مدار خیلی كوچك باشد و این امر در موقع اندازه گرفتن مقدار كرنشهای كوچك، اندازه گیری را غیر مطمئن سازد. استفاده از نوار نیمه هادی به جای سیم فلزی  اندازه گیری را بسیار آسانتر می كند، چون مقاومت چنین نواری به مقدار قابل توجهی بزرگتر خواهد بود و به دنبال آن، تغییرات مقاومت نیز به میزان قابل توجهی می تواند بزرگتر باشد و باستثنای كاربردهایی كه درآنها دمای المنت بالا است (به عنوان مثال، تیغه های توربین گازی)، استرین گیج از  نوع نیمه هادی ترجیح داده می شود.بستن و ثابت كردن آن همانند نوع فلزی است و ماده نیمه هادی توسط یك لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اكسیداسیون روی است و ماده نیمه هادی توسط یك لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اكسیداسیون روی سطح محافظت می شود این نكته بسیا ربا اهمیت است، چون اگر اتمسفر اطراف المنت گیج، لایه اكسید را از بین ببرد. آنگاه قرائتهای گیج تحت تاثیر عوامل شیمیایی قرار خواهند گرفت، درست همانگونه كه تحت تاثیر كرنش قرار می گیرند و در نتیجه اندازه گیریها قابل اعتماد نخواهند بود.

استرین گیجهای پیزوالكتریك در مواردی كه اندازه گیری در مدت زمان كوتاه انجام می شود و یا اینكه مقادیر آنها سریعاً تغییر می كنند مفید هستند. یك ماده پیزوالكتریك، ماده ای است كه وقتی كریستال آن تحت كرنش قرار می گیرد، یونهای آن به صورت غیر متقارن حركت می كنند، به گونه ای كه بین دو صفحه كریستال EMF ^[1] تولید می شود (شكل 1-3) اگر كریستال به مقدار خیلی زیاد تحت كرنش قرار گیرد، می تواند EMF بسیار زیادی، حتی در حدود چند kV^[2] ایجاد كند.

شكل 1-3 قوانین كریستال پیزوالكتریك . شكل كریستال مكعبی نیست، ولی برای ساده تر كردن مفهوم، جهت اثرات روی یك مكعب نشان داده شده اند. بیشترین اثر الكتریكی روی وجوهی از مكعب به دست می آیند كه جهت آنها عمود بر وجوهی است كه نیرو اعمال می شود. محور رسوم محور نوری نامیده می شود به دلیل اینكه نوری كه در این جهت به كریستال تابانیده می شود بیشتر از جهات دیگر تحت تاثیر پلاریزاسیون قرار می گیرد.

به طوریكه گیج بتواند حس كند، اماآمپدانس خروجی خیلی زیاد و معمولآً خازنی اصست. شكل 1-4 مدار معادل الكرتیكی و شكل 1-5 پاسخ فركانسی یك كریستال كوارتز اطارف فركانسهای رزونانس اصلی را نشان می دهد. خروجی یك استریم گیج پیزوالكتریك DC نیست، لذا این نوع گیچ برای آشكار سازی تغییرات آهسته مفید استفاده نمی باشد و كاربرد اصلی آن برای آشكار سازی شتاب است.

دو شكل عمده انواع عناصر استرین گیج، عبارتند از پس ماند و لغزش. پس ماند روی نمودار بدین صورت بیان می شود كه نمودار تعییر مقاومت نسبت به تغییرات طول در مسیر كاهش تنش دقیقاً همنان مسیر مربوط به افزایش تنش را طی نمی كند. (شكب 1-6) این اثر بایستی كوچ و از مرتبه 025/0 قرائت ماكزیمم باشد.

شكل 1-4 مدار معادل یك كریستال كه شامل یك مدار رزونانس با اندوكتانس خیلی بالا، ظرفیت خازنی پایین و مقاومت تقریبآً صرفنظر كردمی است.

شكل 1-5 مشخصه الكتریكی كریستال كوارتز

شكل 1-6 اثر پس ماند روی یك استرن گیج كه مقدار زیادی در آن مبالغه شده است. نمودار در جهت افزایش كرنش خطی است، اما زمانی كه كرنش كاهش می یابد همان مسیر را نمی‌پیماید. نتیجه فوق در گیج دارای مقاومت دائماً متغیر زمانی كه كرنش حدی می شود اتفاق می افتد.

كشش بیش از حد یك استرین گیج باعث افزایش زیاد در پس ماند می شود واگر خیلی زیاد باشد، باعث می شود كه گیج یك تغییر دائمی طول را نشان دهد وفیر قابل استفاده شود مگر اینكه مجدداً كالیبره شود. مسئله دیگر، لغزش استرین گیج است، مه در نتیجه تغییر تدریجی طول المنت گیج اتفاق می افتد كه ارتباطی با كرنش ماده ای كه مورد اندازه گیری است ندارد. لغزش نیز بایستی خیلی كوچك و از مرتبه 025/0% قرائت معمولی باشد. پس ماند و لغزش هر دو اقرات غیرخطی  هستند كه به هیچ وجه حذف شدنی نیستند اما با انتخاب دقیق ماده مناسب استرین گیج می توان مقادیر آنها را كاهش داد. هر دو مقدار پس ماند و لغزش در اثر افزایش دمای كار گیج افزایش می یابند.

لودسلها

لودسلها در سیستمهای توزین الكترونیكی مورد استفاده قرار می گیرند. یك لودسل عبارت است از یك ترانسدیوسر نیرو كه نیرو یا وزن را به سیگنال الكتریكی تبدیل می كند. اساساً، لودسل از یك مجموعه استرین گیج تشكیل شده است، كه معمولآً چهار عدد هستند و به صورت مدار پل و ستون وصل شده اند. خروجی مدار پل ولتاژی است كه مقدار آن متناسب با نیروی وارده به لودسل است. خروجی ولتاژ مورد نظر یا به طور مستقیم پردازش می شود و یا اینكه ابتدا دیجیتایز شده سپس آماده پردازش می شود.

1-2- تداخل سنجی

روش دیگری برای اندازه گیری كرنش كه دارای امتیازات قابل توجهی نیز هست و حساسیت مناسبی هم دارد روش تداخل سنجی است. اگرچه وصول این روش كاملاً قدیمی است، اما استفاده علمی از آن تا زمانی كه لیزرهای مناسب و تجهیزات وابسته به آن، به همراه شیوه های الكترونیك كاربردی قرائت اندازه گیری رایج نشده بود به عهده تعویق افتاد.

قبل از آنكه بخواهیم استرین گیج از نوع تداخل سنج لیزری را تشریح كنیم، لازم است اصول تداخل موج و مشكلات آن وقتی موجهای تداخلی از نوع نور هستند را بدانیم.

پدیده تداخل در همه انواع امواج روی می دهد (شكل 1-7) وقتی دو بار با یكدیگر تلاقی می گنند و با یكدیگر همفاز هستند (پیكهای هم علامت یكدیگر را تقویت می كنندن)، نتیجه این تداخل، موجی با دامنه بزرگتر است كه یك موجب تقویت شده است. این نوع تداخل، تداخل فزاینده دامنه نامیده می شود. اگر چنانچه دو موجب با فازهای مخالف هم با یكدیگر تداخل كنند، مجموع دو موج یا دارای دامنه صفر خواهد بود یا اینكه دامنه آن كوچه خواهد بود و تداخل آن كاهنده دامنه نامیده می شود. تغییر تداخل فزاینده دامنه به كاهنده دامنه زمانی اتفاق می افتد كه تعییر فاز یكی از دو موج نسبت به موج دیگر در مدت نیم سیكل صورت پذیرد. اگر امواج از دو منبع منشتر شوند، آنگاه حركت یك منبع با فاصله ای باندازه نصف طول موج برای تغییرنوع تداخل از نوع فزاینده دامنه به نوه كاهنده دامنه و بالعكس كافی خواهد بود. اگر امواجی كه استفاده می شوند دارای طول موج كوتاه باشند آنگاه فاصله نصف طول موج خیلی كوتاه خواهد بود واین روش اندازه گیری خیلی حساس و دقیقی برای اندازه گیری فاصله خواهد بود.

طول موج نور قرمز حدود nm 700 یا m ^7-10 و یا mm ^4-10 خواهد بود. به طوری كه با شیفت دادن موج به اندازه نیمی از این فاصله بین دو منبع نور قرمز می توان انتظار داشت كه تداخل از حالت كاملاً فزاینده دامنه به حالت كاملاً كاهنده دامنه تبدیل شود، در عمل می توان  تغییرات خیلی كوچكتر از این مقدار را نیز آشكار كرد. اگر مشكل همدوس بودن امواج نوری وجود نمی داشت این روش بایستی خیلی زودتر از آنچه باید مورد استفاده قرار گرفت. تداخل تنها وقتی ممكن است كه امواجی كه با یكدیگر تداخل می كنند در دوره زمانی نسبتاً زیادی پیوسته باشند.

هرچند مولدهای نور معمولی امواج را به صورت پیوسته منتشر نمی كنند. در منبع نوری مانند یك لامپ رشته ای و یا لامپ فلورسنت، هر اتمی كه یك پالس تشعشع نوری را منتشر می كند، طی مرحله فوق انرژی از دست می دهد و سپس انتشار نوری را منتشر می كند، طی مرحله فوق انرژی از دست می دهد و سپس انتشار انرژی تازمانی كه مجدداً به تك تك اتمها است و به صورت یك كمیت موج پیوسته نیست این موضوع باعث می شود به دست آوردن هر اثر تداخلی بین دو منبع نور معمولی جداگانه غیر ممكن باشد و تنها راهی كه تداخل نوری با استفاده از چنین منابع نوری به طور معمولی قابل نمایش است این است كه نوری كه از روزنه عبور داده شده با یك اختلاف مسیر خیلی كوچك، با انعكاس یافته خودش تداخل یابد.

با وجود نور لیزر همه مشكلات فوق رفع می شود. لیزر شعاعی از نور عرضه می كند كه درآن همه اتمهای تشكیل دهنده نور به طور همزمان در حال نوسان هستند. این نوع شعاع نوری همدوس نامیده می شود. توسط شعاع نور همدوس می توان بآسانی اثرات تداخلی را نشان داد و امتیاز دیگر این است كه از یك لیزر بآسانی می توان شعاعهای موازی دقیق را به دست آورد. توسط تداخل سنج همانگونه كه در شكل 1-8 نشان داده شده می توان این دو خصوصیت را نشان داد.

نور حاصل از یك لیزر كوچك به یك مجموعه صفحات شیشه ای نیمه منعكس كننده تابانده می شود و مقداری از این نور به پرده منعكس می شود. بقیه نور به منعكس كننده برخورد می كند، به طوری كه شعاع منعكس شده به صفحات شیشه ای بر می گردد و ضمناً روی پرده منعكس می شود. كنون تداخل پترنی بین نوری كه از شعاع نوری خارجی شونده منعكس شده ونوری كه از شعاع نوری بازگشتی ایجاد شده شكل می گیرد . اگر منعكس كننده دور بهاندازه یك چهارم طول موج نور حركت كند، مسیر شعاع نور رفت و برگشت از منعكس كننده به اندازه نصف طول موج تغییر خواهد كرد وتداخل بین دو نوع فزاینده دامنه و كاهنده دامنه تغییر خواهد كرد. به دلیل اینكه این یك شعاع نوری است كه باعث می شود روشنایی روی پرده بین حالت روشن و تاریك تغییر كند توسط یك فتوسل می تواند این تغییر را اندازه گیری كرد و با اتصال فتوسل به یك شمارنده دیجیتال از طریق یك تقویت كننده ، تعداد ربع طول موجهای حركت منعكس كننده دور را می توان به صورت الكترونیكی اندازه گیری كرد.

شكل 1-8 قوانین تداخل سنجی موج. در قسمت (a)  تنظیم لیزر و صفحات شیشه ای نشان داده شده است . صفحات شیشه ای مقداری زا نور را از خود عبور می دهند ومقداری از آن را منعكس می كنند. به گونه ای كه هم كنعكس كننده وهم پرده مقداری نور از شعاع لیزر را دریافت می نمایند. علاوه بر آن، نور برگشتیی از منعكس كننده هم به پرده برخورد می كند و باعث ایجاد شكل تداخلی می شود همانگونه كه در قسمت (b) نمایش داده شده است. با حركت دادن منعكس كننده به اندازه نصف طول موج، شكل به اندازه فاصله بین باندها روی پرده حركت خواهد كرد.

 تداخل سنج اغلب برای بسیاری از اهداف به اندازه گافی حساس است. به عنوان مثال، اثر تعییرات دماها بآسانی جبران سازی نمی‌شود. اگر چه می‌تواند با استفاده از مسیرهای نوری كه دو شعاع تداخل كننده مسیرهای مساوی طی كرده اند، یكی هم خط با تنش و دیگری در مسیر قائم انجام شود. یك امتیاز این روش این است كه هیچ اتصال فیزییكی بین نقاطی كه فاصله آن اندازه گیری شده اند؛ یعنی هیچ سیم و یا نوار نیمه هادی برای اتصال نقاط وجود ندارد؛ بدنه اصلی تداخل سنج در یك مكان است و منعكس كننده در جای دیگر قرار دارد. فاصله بین قسمت اصلی وسیله و منعكس كننده ثابت نیست، تنها محدودیت این است كه فاصله نبایستی از فاصله همدوسی لیزر تجاوز كند. این فاصله متوسطی است كه طی آن فاصله، نور همدوس باقی می ماند و معمولآً برای یك منبع لیزری لااقل چند متر است.

1-3روشهای فیبر نوری

پیشرفتهای تكنیكی در رابطه با تولید و استفاده فیبرهای نوری، باعث شده است كه از این وسایل بریا اندازه گیری تغییرات فاصله استفاده شود. فیبر نوری (شكا 1-9) از لایه های شیشه ای تشكیل شده است به طوری كه لایه های بیرونی دارای ضریب شكست بیشتری نسبت به لایه های داخلی است به دلیل اثر انعكاسی كلی داخلی، ساختار فوق باعث باعث می شود كه شعاع نوری، داخل فیبر به دام بیفتد (شكل 1-10). زمانی كه یك شعاع نوری یك مسیر مستقیم را داخل فیبر طی می كند، تعداد انعكاسات داخلی كوچك خواهد بود، اما اگرفیبر خمیده شود، آنگاه تعداد انعكاسها به طور قابل توجهی افزایش می یابد و این امر باعث می شود مسیر پیموده شده توسط نور افزایش یابد. بنابراین زمان مورد نیاز برای عبور مسیر پیموده شده تغیر یافته و به دنبال آن فاز تغییر می كند این تغییر  فاز را می توان با نوع چیدمان همانند شكل 1-11 برای آشكارسازی تغییرات كوچك مورد استفاده قرار داد. دو عدد آرواره ، همانطوری كه با هم حركت می كنند، باعث می شوند فیبر نوری به شكل زیگزاگ مانند  درآید كه درآن شعاع نوری  در فیبر چندین بار منعكس خواهد شد.

فاصله اضافی پیموده شده توسط شعاع نوری باعث ایجاد تاخیری می شود كه با تداخل سنجی، با استفاده از یك شعاع نوری دیگر از یك فیبر بات همان مشخصات ضریب شكست قابل آشكار سازی است. به دلیل اینكه ارتباط ساده ای بین مقدار حركت و مقدار تاخیر حركت نور وجود ندارد، سنسور را بایستی در كل محدوده كاری مربوط به آن كالیبره و تنظیم كرد.

شكل 1-9 ساختمان فیبر نوری، فیبر نوری یك م.اده منفرد نیست بلكه از جنس شیشه یا (با فواید كمتر) از جنس پلاستیك است. این مواد دارای خواص متفاوتی هستند و محدود شكست نور در آنها متفاوت است (قابلیت شكست) به طوری كه هر شعاع نوری كه از محل اتصال بین مواد فیبر به داخل فیبر نفوذ گند، متوالیاً منعكس می شود و بنابراین داخل فیبر به دام می افتد.

شكل 1-10- انعكاس داخلی كلی (a) زمانی كه یك شعاع نوری از یك محیط با غلظت بیشتر (با قابلیت شكست بالاتر)به یك محیط كه دارای چگالی نروی كمتر است (قابلیت شكیت نور درآن كمتر است) وارد می شود، مسیر شعاع نوری از خط عمود بر سطح مشترك دو محیط دور می شود (b) اگر تغییر زاویه شعاع نوری تابیده شده ادامه یابد شعاع نوری كه به محیط با چگالی كمتر وارد می شود تقریباً به موازات سطح مشترك دو محیط نزدیك می شود  ( c)  ادامه تغییر زاویه شعاع تابش باقی می ماند. استفاده از دو نوع شیشه در یك فیبر نوری این اطمینان را می دهد كه سطح انعكاس همواره بین دو شیشه با ضریب شكست معین بوده وشیشه بیرونی دارای شكست كمتری نسبت به شیشه داخلی است و بنابراین همواره بازتایش كلی رخ می دهد.

1-4 گیجهای فشار

فشار در یك مایع یا یكی گاز به معنی مقدار نیروی وارده از طرف گاز یا مایع بر واحد سطح است. فشار و تنش مكانیكی هر دو واحد اندازه گیری مشابه هستند و در مورد مواد جامد، كمیت سطح/ نیرو همواره به جای اینكه به عنوان فشار معرفی شود تنش نامیده می شود. در مورد ماده جامد، مقدار تنش یا با دانستن نیرو و سطح مقطع و یا از روی مقدار كرنش قابل محاسبه است. در جاهائی كه تنش بر یك سیم و یا خرپا اعمال می شود، شاید محاسبه تقسیم تنش ممكن باشد، اما جون مقدار كرنش توسط روشهای الكترونییك قابل اندازه گیری است، استفاده از رابطه نشانداده شده در جدول 1-1 معمولآً آسانتر به نظر می رسد.

شكل 1-11 استفاده از فیبرهای نوری برای آشكار سازی تغییرات كوچك فاصله بین دو نقطه: بسته شدن آروداره ها باعث می شود شعاعهای نوری مجبور به بازتابهای بیشتری بشوند و بنابراین طول كلی مسیر نور افزایش یابد. با مقایسه این شعاعهای نوری با شعاعهای نوری كه از فیبر بدون خم زیگزاگ گذرانده می شود یك شكل تداخل نور روی پرده مشاهده خواهد شد وحركت شكل تداخلی مربوط به اعوجاج یكی از فیبرها است. حساسیت در این روش به بزرگی روش تداخل سنجی مستقیم نیست و استفاده از فیبرها روش را به صورت كلی تری عمل می كند، به ویژه در مایعات كدر و یا محیطهای دیگری كه نور به صورت نرمال از آن قابل نفوذ نیست.       

مدلویانگ كمیتی است كه برای هر ماده ای شناخته شده است و حتی می توان آن راب رای یك نمونه ماده اندازه گیری كرد واحد اندازه گیری تنش N/m² واحد كوچكی است، معمول تر این است كه كمیت با كیلو پاسكال (kPa) بیان می شود. به عنوان مثال، فشار طبیعی اتمسفر kPa 3/101 است.

اندازه گیری فشار در مایعات و گازها بین دو محدوده معین اتفاق می افتد. معمولاً فشار در مایعات از حدود فشار اتمسفر بالاتر است و روشهایی كه برای اندازه گیری این نوع فشار به كار می رود برای مایعات و گازها مشابه است. اما در مورد گازها بایست گفت، ممكن است لازم شود فشارهایی اندازه گیری شود كه مقدار آنها كمتر از فشار اتمسفر باشد و در مواردی این فشار خیلی كمتر از فشار اتمسفر است. چنین اندازه گیری هایی تخصصی تر هستند.

جدول 1-1 تنش كرنش و ثابتهای الاستیك مدول یانگ و مدول بولك

(برای تنش كششی) مدول یانگ* كرنش = تنش

مثال: اگر كرنش اندازه گیری شده 001/0 و مدول یانگ برای ماده ای N/m² 1010*20 باشد آنگاه مقدار تنش عبارتست از :

برای تنش حجم خواهیم داشت:

مدول حجم * كرنش = تنش

در شرایطی كه

حجم اولیه/ تغییر در حجم= تنش حجم

و بایستی برای آنها زا روشهای اندازه گیری كاملآً متفاوتی استفاده كرد. در این مبحث ابتدا محدوده فشار بالا در گازها و مایعات مورد بررسی قرار می گیرد.

سنسورهای فشار كه به منظور اندازه گیری فشار اتمسفری و یا بالاتر ازآن ساخته شده اند می تواندد از اثرات مستقیم و یا غیر مستقیم بر پایه عمل فشار است كه باعث شود دیافراگم، یك پیستون و یا وسیله دیگری جابجا شود، به طوریكه توسط یك اندازه گیری الكترونیك و یا تشخیص جابه جایی بتوان رابطه فشار را به دست آورد. آشناترین قانون در این مورد مربوط به فشارسنج آنه روئید است. كه در شكل 1-12 نشان داده شده است. دیافراگم توسط یك سیستم اهرمی كه عقربه نمایشگر فشار را تشكیل می دهد آشكار می شود. برای اندازه گیری الكترونیك دیافراگم توسط یك سیستم اهرمی كه عقربه نمایشگر فشار را تشكیل می دهد آشكار می شود. برای اندازه گیری الكترونیك دیافراگم می تواندر یو هر نوه ترانسدیوسر جابه‌جایی عمل كند و یكی از مناسبترین آنها، نوع خازنی است كه در شكل 1-13 نشانداده شده است . دیافراگم همانگونه در شكل پیداست از صفحه ثابت عقبی عایق شده است و مقدار ظرفیت خازنی بین دیافراگم و صفحه ثابت قسمیت از مدار روزنانس سك اسیلاتور را تشكیل می دهد. با كاهش فضای بین دیافراگم و صفحه ثابت ، همانگونه كه در شكل 1-13 b مشاهده می شود ظرفیت خازنی افزایش یافته و بنابراین فركانس روزنانس اسلاتور كاهش می یابد.

شكل 1-12 قانون فشار سنج آنه روئید. فشار سنج معمولی دارای یك كپسول آنه روئید است كه آب بندی شده و فشار داخل آن پایین است. تغییرات فشار داخلی باعث می شود دیافراگم حركت كند و در فشار سنج معمولی این حركتها توسط مجموعه ای از اهرمها تقویت می شوند.

شكل 1-13 كپسول آنه روئید (a) جهت اندازه گیری فشار. این كپسول در مقایسه با فشار سنج خانگی از نوع ترتیب داخل- بیرون است. فشار مورد اندازه گیری به داخل كپسول اعمال می شود، در شرایطی كه در بیرون كپسول فشار اتمسفری و یا یك فشار ثابت دیگر حاكم است . حركت دیافراگم و صفحه ثابت تغییر كند و این تغییر ظرفیت خازنی را می توان به صورت الكترونیكی آشِكار و اندازه گیری كرد. رابطه ریاضی بین ظرفیت خازنی و فضای بین دو صفحه خازن در قسمت b آورده شده است.

این روش دارای سیستم آشكارسازی بسیار حساسی است و براحتی قابلیت تنظیم وكالیبره شده را دارد. اگرچه ساختن دیافراگم نازك فلزی چین دار باعث می شود سنسور فقط برای آشكار سازی فشارهایی در حدود فشار اتمسفر مفید باشد استفاده از دیافراگم ضخیم تر ، حتی اگر صفحه فولادی ضخیم باشد، می تواند باعث شود روش فوق برای اندازه گیری فشارهای خیلی بالا قابل استفاده باشد.

برای چنین سطوحی از فشار، سنسور را می توان به شكل صفحه ای كوچك ساخته و در داخل ظرف مربوطه پیچ كرده و یا با جوشكاری محكم و ثابت كرد. هر چقدر سطح مقطع كمتر باشد، برای حس كردن فشارهای بالا مناسب تر است، به دلیل اینكه قدر مطلق نیرو عبارتست از حاصلضرب فشار و مساحت سطح مقطع. مواد مورد استفاده برای صفحه حساس به فشار و یا دیافراگم نیز بایستی متناسب با گاز و یا مایعی باشد كه مورد استفاده برای صفحه حساس به فشار و دیافراگم نیز بایستی متناسب با گاز و یا مایعی باشد كه مورداندازه گیری قرار میگیرند. برای اغلب موارد استفاده،فولاد ضد زنگ مناسب است، اما بعضی مایعات و یا گازهای با خاصیت خوردندگی خیلی زیاد، نیاز به استفاده از فلزات با لختی بیشتر حتی تا حد استفاده از پلاتین و یا پالادیم را مطرح می كند.

رلوكتانس: رلوكتانس مغناطیسی، مانند مقاومت الكتریكی است كه با تولید فلوی مغناطیسی درماده مخالفت می كند. در موقع استفاده از دیافراگم فرومغناطیسی، یك روش حس كردن مناسب استفاده از رلوكتانس متغییر  است. این روش در شكل 1-14 نشان داده شده است. فشار سنجهای از نوع رلوكتنس متغیر معمولاً جهت اندازه گیری اختلاف فشارهای نسبتاً بزرگ به كار می روند و بوضوح نمی توان از آنها در جائی كه دیافراگم با ماده كم تحلازم است استفاده كرد. این روش را می توان در موردگازها و جهت محدوده فشارهای بیشتر و یا كمتر از فشار اتمسفر مورد استفاده قرار داد.

كپسول فشار سنج آنه روئید فقط یك نمونه از فشار سنج است كه از اثر فشار روی موارد الاستیك استفاده می كند. نوع دیگر فشار سنج كه خیلی معمول است، لوله مارپیچ نام دارد و در شكل 1-15 نشان داده شده است. روش كار این فشار سنج بدین شكل است كه به تغییر فشار در داخل لوله و (یا خارح ‎آن) با پیچیده شدن و یا بازتر شدن مارپیچ پاسخ می دهد. این نوع سنسور را می توان برای محدوده های مختلف فشار بسادگی با استفاده از مواد مختلف و ضخامتهای مختلف لوله به كار برد، به طوری كه این روش می تواند هم در مورد تغییرات فشار كم و هم در مورد تغییرات فشار زیاد مورد استفاده قرار گیرد. مشكل اصلی كه به الكترونیك دستگاه مربوط می شود عبارت است از تبدیل حالتهای پیچیده شدن و یا باز شدن مارپیچ به سیگنالهای الكترونیكی و یك راه حل معمولی برای این مشكل اتصال دادن یك پتانسیومتر به فشارسنج است.

روش دیگر تبدیل انرژی استفاده از كریستال پیزوالكتریك است، كه معمولآً از جنس نیترات باریم بوده وبرای حس كردن جابه جایی دیافراگم متصل به كریستال و یا آشكار كردن مستقیم فشار به خود كریستال به كار می رود. همانگونه كه قبلآً اشاره شد این روش در مرود اندازه گیری تغییرات دوره ای كوتاه به كار می رود و برای اندازه گیری فشار پایدار كمتر از این روش استفاده می شود.

روش دیگر تبدیل انرژی استفاده از كریستال پیزوالكتریك است، كه معمولاً از جنس نیترات باریم بوده و برای حس كردن جابه جایی دیافراگم متصل به كریستال و یا آشكار كردن مستقیم فشار به خود كریستال به كار می رود. همانگونه كه قبلاً اشاره شد این روش در مورد اندازه گیری تغییرات دوره ای كوتاه به كار می رود و برای اندازه گیری فشار پایدار كمتر از این روش استفاده می شود.

در مورد تعداد كمی از گازها، می توان كریستال پیزو الكتریك را مستقیماً در معرض گاز قرار داد، به طوریكه ولتاژ آشكار شده در دور سر كریستال پیزو الكتریك متناسب با فشار (تغییرات فشار) روی كریستال اندازه گیری شود در موقع  اندازه گیری فشار مایعات و گازهایی كه خوردگی ایجاد می كنند، بهتر است كه اندزه گیری فشار بهروش غیر مستقیم انجام شود، بدین صورت كه صفحه ای را در معرض فشار مورد نظر قرار دهیم به گونه ای كه مقدار فشار را به كریستال منتقل كند. شكل 1-16 روش كار را نشان میدهد. این نوعحسگر دارای این امتیاز است كه كلاً پسیو بوده به طوری كه هیچ نیازی به منبع تغذیه برای اسیلاتور و كار اضافی جهت اندازه گیری فركانس ندارد. تنها به وسیله یك ویامتر با آمپدانس ورودی بالا و یا یك تقویت كننده تناسبی می توان فشار را  اندازه گیری كرد و اگر حسگر فوق جهت كلید كردن یك مدار مورد استفاده قرار می گیرد می توان خروجی كریستال را مستقیمآً به یك تقویت كننده عملیاتی از نوع FET فرستاد و سپس به مدار كلید وصل كرد.

شكل 1-14 سیستم حس كننده از نوع رلوكتانس (مقاومت مغناطیسی) متغیر. حركت دیافراگم باعث تغییرات قابل ملاحظه ای در رلوكتانس مسیر مغناطیسی و در نتیجه سبب تغییرات در اندوكتانس سیم پیچی می شود.

فشار سنجهای پیورزیستیو، پیزوالكتریك و خازنی را می توان با استفاده از روشهای ساخت نیمه هادی بسادگی تولید كرد. شكل 1-17 روش تولید فشار سنج پیزورزیستیو روی یك زیر لایه سیلیكونی (برای تولید لایه عایق)و سپس نشاندن عناصر پیزورزیستیو و سپس ایجاد اتصالات فلزی را نشان می دهد.           

شكل 1-15 سنسور فشار به شكل لوله با سطح مقطع صاف مستطیل شكل

شكل 1-16 استفاده از یك آشكار ساز كریستال پیزوالكتریك كه به یك دیافراگم متصل شده و به منظور تشخیص تغییرات فشار به كار می رود.

شكل 1-17 یك عنصر فشار سنج از جنس نیمه هادی پیزورزیستیو

قطعات پیزو الكتریك و مدولهای فشار سنج خازنی را می توان با استفاده از همین روشها تولید كرد.

1-5 فشار گازی كم

اندازه گیری فشار گازی كم یك موضوع تخصصی تر است. فشارهایی كه فقط بهمقدار كمی پایین تر از فشار اتمسفر تا حدود kPa 100 را می توان توسط همان وسایلی كه در مورد فشارهای بالا استفاده می شوند  اندازه گیری كرداما اگر فشار مورد اندازه گیری خیلی پایین، به عنوان مثال در محدوده خلاء باشد، روشهای فوق كاملاً بالا استفاده هستند. حسگرهای فشار و ترانسدیوسرهایی كه برای این محدوده اندازه گیری به كار می روند اغلب به نام گیجهای خلاء معروفند و بسیاری از این گیجها هنوز به واحد میلیمتر جیوه كالیبره و تقسیم بنده شده اند وتبدیل واحد به این صورت كه هر mm1 جیوه برابر با Pa3/133 پاسكال است. ناحیه زیاد در محدوده mm ^3-10 (حدود 133 پاسكال تا 13/0 پاسكال ) و گیج یونی (ion) برای اندازه گیری فشارهای خیلی پایین تا حدود mm ^9-10 و یا Pa ^4-10 *3/1، از همه معروفترند. منتخبی از روشهای اندازه گیری در جدول 1-2 نشان داده شده است.

جدول 1-2 انواع گیجهای خلاء و محدوده تقریبی فشار در آنها

        §همه هدهای گیجهای خلاء را پس از تعویض حتماً بایستی مجدداً كالیبره كرد.

گیج پیرانی كه به نام مخترع آن نام گذاری شده است از این اصل پیروی می كند كه در محدوده وسیعی از فشارهای كم، هدایت حرارتی گاز ها متناسب با فشار گاز كاهش پیدا میكند.گیج فوق دارای یك سیم المنت گرم وی ك سیم دیگر به عنوان سنسور است (شكل 1-18) دمای سیم سنسور از روی مقاومت سیم به دست می آید و این سیم به عنوان قسمتی از مدار پل اندازه گیری مقاومتی در پل اندازه گیری مقاومتی مشابه آنچه در كرنش سنج مقاومتی بوده، منظور شده است. هنگانی كه فشار گاز اطراف سیم پایین می آید مقدار گرمای تشعشع یافته نیز به دلیل دملای نسبتآً پایین سیم گرم بسیاركم است . گیجهای پیرانی كه به صورت تجارتی وجود دارند، كانند گیجهای ساخت Leyboold بسیارمحكم بوده و كاربری آن آسان است و نسبتاً دقیق هستند و اگر چنانچه در فشار هوای نرمال مورد استفاده قرار گیرند، زود خراب نمی شوند. این نوع گیجها را می توان برای محدوده های فشار مختلف به طوری كه هر كدام با دیگری در حدود ⁴ 10(بالا/ پایین) فاصله داشته باشند به صورت كالیبره شده تهیه كرد.

1-6 گیجهای یونیزاسیون

   برای اندازه گیری فشارهای خیلی كم و یا خلاء زیاد، همواره از انواع مشخصی از گیجهای یونیزاسیون استفاده می شود. گیجهای مختلفی از این نوع وجود دارند، اما اصول كاراغلب آنها یكسان است و در صورتی كه اصول كاریشان درست فهمیده شود تفاوتهایشان براحتی روشن می شود. گیج یونیزاسیون بر اساس استفاده از جریان الكترونها برای یونیزه كردن یك نمونه از گاز محصور در فضایی كه فشار مربوط به آن مورد اندازه گیری است كار می‌كند.

شكل 1-18 گیج پیرانی. یكی از فیلامانها گرم می شود و فیلامان بهدی به عنوانسنسور درجه حرارت تعبیه شده است. مقدار مقداومت فیلامان سنسور اندازه گیری می شود. با كاهش فشار هوای اطراف فیلامان، مقدار گرمای انتقال یافته از فیلامات گرم به فیلامان سنسور نیز كاهی می یابد و تغییر مقاومت فیلامات سرد متناسب با تغییر در فشار می باشد.

سپس یونهای مثبت گاز به سمت الكترودی كه دارای باز منفی است جذب می شوند ومقدار جریان انتقال یافته توسط این یونها اندازه گیری می شود. چون تعداد یونها در واحد حجم بستگی به تعداد اتمها در واحد حجم دارد و این تعداد اتمها بستگی به فشار دارد، بنابراین منطقی به نظر می رسد كه قرائت جریان یونها متناسب با فشار گاز باشد در مورد یك شكل هخندسی ثابت از گار (شكل 1-19) و برای سطح ثابتی از انتشار الكترونها این تناسب نسبتاً عادلانه به نظر می رسد. محدوده گیج تا حدود (Pa 013/.) mm ^7-10است، كه در حدود فشار مورد نیاز برای خالی كردن لامپهای رادیویی و لامپهای پرتوكاتدی مخصوص است.

جدی ترین مسئله در استفاده از یك گیج یونیزاسیون آن است كه احتیاج به انتشار الكترون در یك فضایی است كه خلاء كامل نباشد. نوع منتشر كننده الكترون كه استفاده می شود منتشر كننده كاتد گرم و یا گیج بایارد آلپر نام دارد كه شامل یك فیلامان تنگستن است. زمانی كه فشار گاز خیلی زیاد است چنانچه این كاتد خیلی گرم شود (بیش از mm ^3-10، Pa  133)، آنگاه فیلامان به طور معكوس تحت تاثیر قرار میگیرد، اگر طبق معمول گازی كه فشارآن كاهش یافته هوا باشد، عمل فیلامان در این فشارها باعث اكسیداسیون می شود كه باعث خراب شدن انتشار الكترون و یا سوختن فیلامان می شود و اگر گیجهای كاتد گرم مورد استفاده قرار گیرند در رابطه با دیگر گیجها، معمولاُ‌در گیجهای پیرانی، امكان این هست كه منابع تغذیه به یكدیگر به صورت الاكلنگی متصل شوند به طوری كه گیج یونیزاسیون تا زمانی كه فشار آنگونه كه به وسیله گیج دیگر تعیین می شود، به اندازه كافی كم نباشد نمی تواند روشن شود. اگر این گونه انجام شود، آنگاه گیج یونیزاسیون می تواند عمر طولانی و مفید داشته باشد. اگرچه، در صورت خرابی فیلامان،به دلیل اینكه فیلامانهای تنگستن ظریف هستند، بایستی یك عدد هد به صورت یدكی وجود داشته باشد.

---

قیمت فایل فقط 10,900 تومان

برچسب ها : بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی , طرح توجیهی بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی , دانلود بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی , برق , ترانسدیوسرها , کرنش و فشار 1 , , کرنش مکانیکی