بررسی کنترل صنعتی و شناخت سنسورها و ترانسدیوسرها در word دارای 360 صفحه می باشد و دارای تنظیمات و فهرست کامل در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد بررسی کنترل صنعتی و شناخت سنسورها و ترانسدیوسرها در word کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
این پروژه توسط مرکز مرکز پروژه های دانشجویی آماده و تنظیم شده است
بخشی از فهرست مطالب پروژه بررسی کنترل صنعتی و شناخت سنسورها و ترانسدیوسرها در word
فصل 1: کرنش و فشار
• کرنش مکانیکی
• تداخل سنجی
• روشهای فیبر نوری
• گیجهای فشار
• فشار گازی کم
• گیجهای یونیزاسیون
• استفاده از ترانسدیوسر
فصل 2: موقعیت ، جهت ، فاصله و حرکت
• موقعیت
• جهت
• اندازه گیری فاصله – مقیاس وسیع
• فاصله پیموده شده
• سیستمهای شتاب سنج
• دوران
فصل 3: سنسورهای دما و ترانسدیوسرهای حرارتی
• گرما و دما-
• نوار بی متال
• انبساط مایع و گاز
• ترموکوپلها
• سنسورهای مقاومت فلزی
• ترمیستورها
• تشخیص انرژی گرمایی تابشی
• آشکارسازهای پایروالکتریک
• ترانسدیوسرهای حرارتی
• ترانسدیوسرهای حرارتی به الکتریکی
فصل 4: جامدات ، مایعات و گازها
• جرم و حجم
• سنسورهای الکترونیک
• آشکارسازهای مجاورتی
• سطح مایعات
• سنسورهای جریان مایع
• زمان سنجی
• گازها
• ویسکوزیته (گران روی)
فصل 5: فرآیندها
• فرآیندهای صنعتی
• بررسی رفتارهای کلی فرآیندهای صنعتی
• روشهای عملی تعیین تابع تبدیل فرآیندها
فصل 6: کنترل کننده ها
• کنترل کننده ها
• کنترل کننده ها از نظر انرژی محرکه
• کنترل کننده ها از نظر قانون کنترل
• اصل کلی ایجاد عملیات در کنترل کننده ها
• کنترل کننده های الکتریکی
• کنترل کننده های بادی
• کنترل کننده های هیدرولیکی
• انتخاب کنترل کننده ها
• تنظیم کنترل کننده ها
• جبرانسازی در سیستمهای کنترل صنعتی
فصل 7: عناصر نهایی و محرک ها
شیرها
• محرک ها
• تثبیت کننده شیر
• شیرهای مخصوص
• تقویت کننده ها
• مراجع
مقدمه
عبارتهای تنش و کرنش غالباً در موقع استفاده با یکدیگر اشتباه می شوند و بنابراین لازم است در اینجا تعریف روشنی از این در کلمه بیان شود.
کرنش نتیجه تنش است و به صورت تغییر نسبی ابعاد یک شی بیان می شود، بدین معنی که تغیر بعد تقسیم بر بعد اصلی می شود، به گونه ای که به عنوان مثال، از نظر طولی کرنش تغییرات طول تقسیم بر طول اصلی است. این کمیتی است که یک عدد خالص بوده و حاصل تقسیم یک طول بر طول دیگر است و بنابراین دیمانسیون فیزیکی ندارد.
کرنش به روشی مشابه تغییر کمیت تقسیم بر کمیت اصلی را می توان برای اندازه گیری های سطح و یا حجم تعریف کرد به عنوان مثال، کرنش سطح، عبارتست از تغییر سطح تقسیم بر سطح اصلی و کرنش حجم، تغییرات حجم تقسیم بر حجم اصلی است.
در مقابل، تنش، عبارتست از تقسیم مقدار نیرو بر مقدار سطح. همانگونه که درمورد یک سیم و یک میله در تنش کششس و یا فشای ، بهعنوان مثال، تنش کششی عبارت از نیروی وارده تقسیم بر سطحی که نیرو به آن وارد می شود که آن سطح،سطح مقطع سیم و یا میله است. درمورد موادی مانند مایعات و یا گازها، که می توانند در تمام جهات به طور یکنواخت فشرده شوند، تنش کلی نیرو بر واحد سطح است که همان فشار وارده است و کرنش تغییر حجم تقسیم بر حجم اصلی است. عمومی ترین ترانسدیوسرهای کرنش از نوع تنش مکانیکی کششی (Tensile mechanical stress) هستند. اندازه گیری کرنش، اجازه می دهد که مقدار تنش با دانستن مدول الاستیک (Elastic modulus) قابل محاسبه باشد. تعریف هر نوع از ضریب کشسانی کرنش/ تنش است (که دارای واحد تنش است،چون کرنش واحد فیزیکی ندارد) و کاربردی ترین مدول الاستیک ، مدول خطی یانگ ، مدول برشی (پیچش)و مدول بولک (فشار) است.
برای مقادیر کوچک کرنش مقدار کرنش متناسب با تنش است و مدول الاستیک کمیتی است که نسبت کرنش/ تنش را در ناحیه الاستیک، بیان می کند، (قسمتی از نمودار کرنش- تنش که خطی است) به عنوان مثال مدول یانگ نسبت کرنش کششی/ تنش کششی، به طور نمونه برای هر ماده به شکل سیم اندازه گیری می شود (شکل 1-1) روش اندازه گیری کلاسیک، هنوز هم در آزمایشگاه مدارس مورد استفاده قرار می گیرد و درآن از یک زوج سیم بلند استفاده می شود، که یکی از آنها به بار وصل شده و به سیم دیگر یک ورنیه مدرج نصب می شود.
آشکارسازی و تبدیل تنش کششی در برگیرنده اندازه گیری تغییرات خصی کوچک طول یک نمونه است. این به وسیله اثر تغییرات دما، که ایجاد انبساط و یا انقباض میکند کامل می شود. برای تغییرات حدود صفر تا 90 درجه سانتیگراد که دمای محیط اطراف ماست، انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغییراتی که توسط مقادیر زیادی فشار ایجاد می شود خواهد بود. بنابراین هر سیستمی برای آشکار سازی و اندازه گیری کرنش بایستی به نحوی طراحی شود که اثرات دما بتواند جبران سازی شود.
قوانینی که برای آشکار سازی کرنش خطی و یا سطحی استفاده می شود پیزورزیستیو و پیزو الکتریک نامیده می شوند.
معمول ترین روش اندازه گیری کرنش با استفاده از استرین گیجهای مقاومتی محقق می شود. یکاستریم گیج مقاومتی شامل یک ماده هادی به شکل یک سیم و یا نوار نازک است که به صورتی محکم به مادهای که کرنش آن بایستی آشکار شود متصل شده است. این ماده ممکن است دیوار یک ساختمان، تیغه یک توربین، قسمتی از یک پل، هر چیزی باشد که درآن تنش اضافی بتواند اغتشاش تهدید کننده ای آشکار کند. محکم کردن ماده مقاومتی معمولاً توسط رزینهای اپوکسی (مانند آرالدیت) انجام میگیرد، چون این مواد بسیار محکم هستند و عایقهای الکتریکی نیز به شمار می روند. سپس نوار استرین گیج به عنوان ییک از بازوهای مدار پلی مقاومتی به مدار وصل می شود (شکل 1-2) این یک مثال در مورد قانون پیزورزیستیو است، چون برای آشکار سازی از تغییر مقاومتی که به دلیل تغییر شکل ساختمان کریستالی ماده حاصل شده است استفاده می شود.
می توان با استفاده از یک استرین گیچ در ثل مقاومتی به طوری که تحت کرنش قرار نگرفته باشد به گونه ای مقایسه ای اثر تغییرات دما را به حداقل رسانید. این اقدام نه تنها به خاطر اینکه ابعاد ماده مورد بررسی در نتیجه تغییرات دما تغیر خواهد کرد بلکه به این دلیل است که خود مقاومت عنصر استرین گیچ نیز تغییر خواهد کرد. با استفاده از دو استرین گیچ یکسان، که یکی از آنها تحت کرنش نباشد، در مدارپل، این تغییرات در مقابل یکدیگر می توانند متعادل شوند و باعث شود تنها تغییرات مربوط به کرنش آشکار شوند. حساسیت این نوع سنجه، که غالباً سنجه پیزورزیستیو نامیده شده، تحت عنوان فاکتور گیج اندازه گیری می شود. این مفهوم به عنوان نسبت تغییرات مقاومت به تغییرات کرنش 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.
شکل 1-2 استفاده از استرین گیج- (a) شکل فیزیکی یک استرین گیج (b) یک مدار پل اندازه گیری برای استفاده استرین گیج. با استفاده از یک سنجه فعال (تحت کرنش) و یک سنجه غیر فعال (بدون قرار گرفتن تحت کرنش) در یک بازوی پل، چنانچه هر دو گیج به طور یکسان تحت تاثیر دما قرار گیرند، اثرات دما جبران سازی می شود. دو سنجه معمولاً به صورت پهلو به پهلو قرار می گیرند اما تنها یک سنجه به طور محکم به سطح تحت کرنش وصل می شود.
همان گونه که اعداد فاکتور در بالا نشان می دهند تغییر مقاومت یک گیج که با استفاده از المنتهای سیم مرسوم ساخته می شوند (که عمدتاً از جنس سین نیکرن نازک هستند) خیلی کوچک است.
به دلیل اینکه مقاومت یک سیم متناسب به طول آن است، تغییرات نسبی مقاومت با تغییرات نسبی طول خواهد بود، بهطوری که تغییرات کمتر از 1/0% قابل آشکارسازی است. چون مقاومت در مقایسه با مقاومت اتصالات در مدار خیلی کوچک باشد و این امر در موقع اندازه گرفتن مقدار کرنشهای کوچک، اندازه گیری را غیر مطمئن سازد. استفاده از نوار نیمه هادی به جای سیم فلزی اندازه گیری را بسیار آسانتر می کند، 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 کاربردهایی که 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 کردن آن همانند نوع فلزی است و ماده نیمه هادی توسط یک لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اکسیداسیون روی است و ماده نیمه هادی توسط یک لایه غیر فعال محافظ از آلودگی فضای اطراف به وسیله اکسیداسیون روی سطح محافظت می شود این نکته بسیا ربا اهمیت است، چون اگر اتمسفر اطراف المنت گیج، لایه اکسید را از بین ببرد. آنگاه قرائتهای گیج تحت تاثیر عوامل شیمیایی قرار خواهند گرفت، درست همانگونه که تحت تاثیر کرنش قرار می گیرند و در نتیجه اندازه گیریها قابل اعتماد نخواهند بود.
استرین گیجهای پیزوالکتریک در مواردی که اندازه گیری در مدت زمان کوتاه انجام می شود و یا اینکه مقادیر آنها سریعاً تغییر می کنند مفید هستند. یک ماده پیزوالکتریک، ماده ای است که وقتی کریستال آن تحت کرنش قرار می گیرد، یونهای آن به صورت غیر متقارن حرکت می کنند، به گونه ای که بین دو صفحه کریستال EMF تولید می شود (شکل 1-3) اگر کریستال به مقدار خیلی زیاد تحت کرنش قرار گیرد، می تواند EMF بسیار زیادی، حتی در حدود چند kV ایجاد کند.
شکل 1-3 قوانین کریستال پیزوالکتریک . شکل کریستال مکعبی نیست، ولی برای ساده تر کردن مفهوم، جهت اثرات روی یک مکعب نشان داده شده اند. بیشترین اثر الکتریکی روی وجوهی از مکعب به دست می آیند که جهت آنها عمود بر وجوهی است که نیرو اعمال می شود. محور رسوم محور نوری نامیده می شود به دلیل اینکه نوری که در این جهت به کریستال تابانیده می شود بیشتر از جهات دیگر تحت تاثیر پلاریزاسیون قرار می گیرد.
به طوریکه گیج بتواند حس کند، اماآمپدانس خروجی خیلی زیاد و معمولآً خازنی اصست. شکل 1-4 مدار معادل الکرتیکی و شکل 1-5 پاسخ فرکانسی یک کریستال کوارتز اطارف فرکانسهای رزونانس اصلی را نشان می دهد. خروجی یک استریم گیج پیزوالکتریک DC نیست، لذا این نوع گیچ برای آشکار سازی تغییرات آهسته مفید استفاده نمی باشد و کاربرد اصلی آن برای آشکار سازی شتاب است.
دو شکل عمده انواع عناصر استرین گیج، عبارتند از پس ماند و لغزش. پس ماند روی نمودار بدین صورت بیان می شود که نمودار تعییر مقاومت نسبت به تغییرات طول در مسیر کاهش تنش دقیقاً همنان مسیر مربوط به افزایش تنش را طی نمی کند. (شکب 1-6) این اثر بایستی کوچ و از مرتبه 025/0 قرائت ماکزیمم باشد.
شکل 1-4 مدار معادل یک کریستال که شامل یک مدار رزونانس با اندوکتانس خیلی بالا، ظرفیت خازنی پایین و مقاومت تقریبآً صرفنظر کردمی است.
شکل 1-5 مشخصه الکتریکی کریستال کوارتز
شکل 1-6 اثر پس ماند روی یک استرن گیج که مقدار زیادی در آن مبالغه شده است. نمودار در جهت افزایش کرنش خطی است، اما زمانی که کرنش کاهش می یابد همان مسیر را نمی‌پیماید. نتیجه فوق در گیج دارای مقاومت دائماً متغیر زمانی که کرنش حدی می شود اتفاق می افتد.
کشش بیش از حد یک استرین گیج باعث افزایش زیاد در پس ماند می شود واگر خیلی زیاد باشد، باعث می شود که گیج یک تغییر دائمی طول را نشان دهد وفیر قابل استفاده شود مگر اینکه مجدداً کالیبره شود. مسئله دیگر، لغزش استرین گیج است، مه در نتیجه تغییر تدریجی طول المنت گیج اتفاق می افتد که ارتباطی با کرنش ماده ای که مورد اندازه گیری است ندارد. لغزش نیز بایستی خیلی کوچک و از مرتبه 025/0% قرائت معمولی باشد. پس ماند و لغزش هر دو اقرات غیرخطی هستند که به هیچ وجه حذف شدنی نیستند اما با انتخاب دقیق ماده مناسب استرین گیج می توان مقادیر آنها را کاهش داد. هر دو مقدار پس ماند و لغزش در اثر افزایش دمای کار گیج افزایش می یابند.
لودسلها
لودسلها در سیستمهای توزین الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. یک لودسل عبارت است از یک ترانسدیوسر نیرو که نیرو یا وزن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. اساساً، لودسل از یک مجموعه استرین گیج تشکیل شده است، که معمولآً چهار عدد هستند و به صورت مدار پل و ستون وصل شده اند. خروجی مدار پل ولتاژی است که مقدار آن متناسب با نیروی وارده به لودسل است. خروجی ولتاژ مورد نظر یا به طور مستقیم پردازش می شود و یا اینکه ابتدا دیجیتایز شده سپس آماده پردازش می شود.
1-2- تداخل سنجی
روش دیگری برای اندازه گیری کرنش که دارای امتیازات قابل توجهی نیز هست و حساسیت مناسبی هم دارد روش تداخل سنجی است. اگرچه وصول این روش کاملاً قدیمی است، اما استفاده علمی از آن تا زمانی که لیزرهای مناسب و تجهیزات وابسته به آن، به همراه شیوه های الکترونیک کاربردی قرائت اندازه گیری رایج نشده بود به عهده تعویق افتاد.
قبل از آنکه بخواهیم استرین گیج از نوع تداخل سنج لیزری را تشریح کنیم، لازم است اصول تداخل موج و مشکلات آن وقتی موجهای تداخلی از نوع نور هستند را بدانیم.
پدیده تداخل در همه انواع امواج روی می دهد (شکل 1-7) وقتی دو بار با یکدیگر تلاقی می گنند و با یکدیگر همفاز هستند (پیکهای هم علامت یکدیگر را تقویت می کنندن)، نتیجه این تداخل، موجی با دامنه بزرگتر است که یک موجب تقویت شده است. این نوع تداخل، تداخل فزاینده دامنه نامیده می شود. اگر چنانچه دو موجب با فازهای مخالف هم با یکدیگر تداخل کنند، مجموع دو موج یا دارای دامنه صفر خواهد بود یا اینکه دامنه آن کوچه خواهد بود و تداخل آن کاهنده دامنه نامیده می شود. تغییر تداخل فزاینده دامنه به کاهنده دامنه زمانی اتفاق می افتد که تعییر فاز یکی از دو موج نسبت به موج دیگر در مدت نیم سیکل صورت پذیرد. اگر امواج از دو منبع منشتر شوند، آنگاه حرکت یک منبع با فاصله ای باندازه نصف طول موج برای تغییرنوع تداخل از نوع فزاینده دامنه به نوه کاهنده دامنه و بالعکس کافی خواهد بود. اگر امواجی که استفاده می شوند دارای طول موج کوتاه باشند آنگاه فاصله نصف طول موج خیلی کوتاه 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 که با شیفت دادن موج به اندازه نیمی از این فاصله بین دو منبع نور قرمز می توان انتظار داشت که تداخل از حالت کاملاً فزاینده دامنه به حالت کاملاً کاهنده دامنه تبدیل شود، در عمل می توان تغییرات خیلی کوچکتر از این مقدار را نیز آشکار کرد. اگر مشکل همدوس بودن امواج نوری وجود نمی داشت این روش بایستی خیلی زودتر از آنچه باید مورد استفاده قرار گرفت. تداخل تنها وقتی ممکن است که امواجی که با یکدیگر تداخل می کنند در دوره زمانی نسبتاً زیادی پیوسته باشند.
هرچند مولدهای نور معمولی امواج را به صورت پیوسته منتشر نمی کنند. در منبع نوری مانند یک لامپ رشته ای و یا لامپ فلورسنت، هر اتمی که یک پالس تشعشع نوری را منتشر می کند، طی مرحله فوق انرژی از دست می دهد و سپس انتشار نوری را منتشر می کند، طی مرحله فوق انرژی از دست می دهد و سپس انتشار انرژی تازمانی که مجدداً به تک تک اتمها است و به صورت یک کمیت موج پیوسته نیست این موضوع باعث می شود به دست آوردن هر اثر تداخلی بین دو منبع نور معمولی جداگانه غیر ممکن باشد و تنها راهی که تداخل نوری با استفاده از چنین منابع نوری به طور معمولی قابل نمایش است این است که نوری که از روزنه عبور داده شده با یک اختلاف مسیر خیلی کوچک، با انعکاس یافته خودش تداخل یابد.
با وجود نور لیزر همه مشکلات فوق رفع می شود. لیزر شعاعی از نور عرضه می کند که درآن همه اتمهای تشکیل 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 که از یک لیزر بآسانی می توان شعاعهای موازی دقیق را به دست آورد. توسط تداخل سنج همانگونه که در شکل 1-8 نشان داده شده می توان این دو خصوصیت را نشان داد.
نور حاصل از یک لیزر کوچک به یک مجموعه صفحات شیشه ای نیمه منعکس کننده تابانده می شود و مقداری از این نور به پرده منعکس می شود. بقیه نور به منعکس کننده برخورد می کند، به طوری که شعاع منعکس شده به صفحات شیشه ای بر می گردد و ضمناً روی پرده منعکس می شود. کنون تداخل پترنی بین نوری که از شعاع نوری خارجی شونده منعکس شده ونوری که از شعاع نوری بازگشتی ایجاد شده شکل می گیرد . اگر منعکس کننده دور بهاندازه یک چهارم طول موج نور حرکت کند، مسیر شعاع نور رفت و برگشت از منعکس کننده به اندازه نصف طول موج تغییر خواهد کرد وتداخل بین دو نوع فزاینده دامنه و کاهنده دامنه تغییر خواهد کرد. به دلیل اینکه این یک شعاع نوری است که باعث می شود روشنایی روی پرده بین حالت روشن و تاریک تغییر کند توسط یک فتوسل می تواند این تغییر را اندازه گیری کرد و با اتصال فتوسل به یک شمارنده دیجیتال از طریق یک تقویت کننده ، تعداد ربع طول موجهای حرکت منعکس کننده دور را می توان به صورت الکترونیکی اندازه گیری کرد.
شکل 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 منعکس می کنند. به گونه ای که هم کنعکس کننده وهم پرده مقداری نور از شعاع لیزر را دریافت می نمایند. علاوه بر آن، نور برگشتیی از منعکس کننده هم به پرده برخورد می کند و باعث ایجاد شکل تداخلی می شود همانگونه که در قسمت (b) نمایش داده شده است. با حرکت دادن منعکس کننده به اندازه نصف طول موج، شکل به اندازه فاصله بین باندها روی پرده حرکت خواهد کرد.
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 که دو شعاع تداخل کننده مسیرهای مساوی طی کرده اند، یکی هم خط با تنش و دیگری در مسیر قائم انجام شود. یک امتیاز این روش این است که هیچ اتصال فیزییکی بین نقاطی که فاصله آن اندازه گیری شده اند؛ یعنی هیچ سیم و یا نوار نیمه هادی برای اتصال نقاط وجود ندارد؛ بدنه اصلی تداخل سنج در یک مکان است و منعکس کننده در جای دیگر قرار دارد. فاصله بین قسمت اصلی وسیله و منعکس کننده ثابت نیست، تنها محدودیت این است که فاصله نبایستی از فاصله همدوسی لیزر تجاوز کند. این فاصله متوسطی است که طی آن فاصله، نور همدوس باقی می ماند و معمولآً برای یک منبع لیزری لااقل چند متر است.
1-3روشهای فیبر نوری
پیشرفتهای تکنیکی در رابطه با تولید و استفاده فیبرهای نوری، باعث شده است که از این وسایل بریا اندازه گیری تغییرات فاصله استفاده شود. فیبر نوری (شکا 1-9) از لایه های شیشه ای تشکیل شده است به طوری که لایه های بیرونی دارای ضریب شکست بیشتری نسبت به لایه های داخلی است به دلیل اثر انعکاسی کلی داخلی، ساختار فوق باعث باعث می شود که شعاع نوری، داخل فیبر به دام بیفتد (شکل 1-10). زمانی که یک شعاع نوری یک مسیر مستقیم را داخل فیبر طی می کند، تعداد انعکاسات داخلی کوچک خواهد بود، اما اگرفیبر خمیده شود، آنگاه تعداد انعکاسها 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 کند این تغییر فاز را می توان با نوع چیدمان همانند شکل 1-11 برای آشکارسازی تغییرات کوچک مورد استفاده قرار داد. دو عدد آرواره ، همانطوری که با هم حرکت می کنند، باعث می شوند فیبر نوری به شکل زیگزاگ مانند درآید که درآن شعاع نوری در فیبر چندین بار منعکس خواهد شد.
فاصله اضافی پیموده شده توسط شعاع نوری باعث ایجاد تاخیری می شود که با تداخل سنجی، با استفاده از یک شعاع نوری دیگر از یک فیبر بات همان مشخصات ضریب شکست قابل آشکار سازی است. به دلیل اینکه ارتباط ساده ای بین مقدار حرکت و مقدار تاخیر حرکت نور وجود ندارد، سنسور را بایستی در کل محدوده کاری مربوط به آن کالیبره و تنظیم کرد.
شکل 1-9 ساختمان فیبر نوری، فیبر نوری یک م.اده منفرد نیست بلکه از جنس شیشه یا (با فواید کمتر) از جنس پلاستیک است. این مواد دارای خواص متفاوتی هستند و محدود شکست نور در آنها متفاوت است (قابلیت شکست) به طوری که هر شعاع نوری که از محل اتصال بین مواد فیبر به داخل فیبر نفوذ گند، متوالیاً منعکس می شود و بنابراین داخل فیبر به دام می افتد.
شکل 1-10- انعکاس داخلی کلی (a) زمانی که یک شعاع نوری از یک محیط با غلظت بیشتر (با قابلیت شکست بالاتر)به یک محیط که دارای چگالی نروی کمتر است (قابلیت شکیت نور درآن کمتر است) وارد می شود، مسیر شعاع نوری از خط عمود بر سطح مشترک دو محیط دور می شود (b) اگر تغییر زاویه شعاع نوری تابیده شده ادامه یابد شعاع نوری که به محیط با چگالی کمتر وارد می شود تقریباً به موازات سطح مشترک دو محیط نزدیک می شود ( c) ادامه تغییر زاویه شعاع تابش باقی می ماند. استفاده از دو نوع شیشه در یک فیبر نوری این اطمینان را می دهد که سطح انعکاس همواره بین دو شیشه با ضریب شکست معین بوده وشیشه بیرونی دارای شکست کمتری نسبت به شیشه داخلی است و بنابراین همواره بازتایش کلی رخ می دهد.
1-4 گیجهای فشار
فشار در یک مایع یا یکی گاز به معنی مقدار نیروی وارده از طرف گاز یا مایع بر واحد سطح است. فشار و تنش مکانیکی هر دو واحد اندازه گیری مشابه هستند و در مورد مواد جامد، کمیت سطح/ نیرو همواره به جای اینکه 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 کرنش قابل محاسبه است. در جاهائی که تنش بر یک سیم و یا خرپا اعمال می شود، شاید محاسبه تقسیم تنش ممکن باشد، اما جون مقدار کرنش توسط روشهای الکترونییک قابل اندازه گیری است، استفاده از رابطه نشانداده شده در جدول 1-1 معمولآً آسانتر به نظر می رسد.
شکل 1-11 استفاده از فیبرهای نوری برای آشکار سازی تغییرات کوچک فاصله بین دو نقطه: بسته شدن آروداره ها باعث می شود شعاعهای نوری مجبور به بازتابهای بیشتری بشوند و بنابراین طول کلی مسیر نور افزایش یابد. با مقایسه این شعاعهای نوری با شعاعهای نوری که از فیبر بدون خم زیگزاگ گذرانده می شود یک شکل تداخل نور روی پرده مشاهده خواهد شد وحرکت شکل تداخلی مربوط به اعوجاج یکی از فیبرها است. حساسیت در این روش به بزرگی روش تداخل سنجی مستقیم نیست و استفاده از فیبرها روش را به صورت کلی تری عمل می کند، به ویژه در مایعات کدر و یا محیطهای دیگری که نور به صورت نرمال از آن قابل نفوذ نیست.
مدلویانگ کمیتی است که برای هر ماده ای شناخته شده است و حتی می توان آن راب رای یک نمونه ماده اندازه گیری کرد واحد اندازه گیری تنش N/m2 واحد کوچکی است، معمول تر این است که کمیت با کیلو پاسکال (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 که برای اندازه گیری این نوع فشار به کار می رود برای مایعات و گازها مشابه است. اما در مورد گازها بایست گفت، ممکن است لازم شود فشارهایی اندازه گیری شود که مقدار آنها کمتر از فشار اتمسفر باشد و در مواردی این فشار خیلی کمتر از فشار اتمسفر است. چنین اندازه گیری هایی تخصصی تر هستند.
جدول 1-1 تنش کرنش و ثابتهای الاستیک مدول یانگ و مدول بولک
(برای تنش کششی) مدول یانگ* کرنش = تنش
مثال: اگر کرنش 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 * کرنش = تنش
در شرایطی که
حجم اولیه/ تغییر در حجم= تنش حجم
و بایستی برای آنها زا روشهای اندازه گیری کاملآً متفاوتی استفاده کرد. در این مبحث ابتدا محدوده فشار بالا در گازها و مایعات مورد بررسی قرار می گیرد.
سنسورهای فشار که 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 که باعث شود دیافراگم، یک پیستون و یا وسیله دیگری جابجا شود، به طوریکه توسط یک اندازه گیری الکترونیک و یا تشخیص جابه جایی بتوان رابطه فشار را به دست آورد. آشناترین قانون در این مورد مربوط به فشارسنج آنه روئید است. که در شکل 1-12 نشان داده شده است. دیافراگم توسط یک سیستم اهرمی که عقربه نمایشگر فشار را تشکیل می دهد آشکار می شود. برای اندازه گیری الکترونیک دیافراگم توسط یک سیستم اهرمی که عقربه نمایشگر فشار را تشکیل می دهد آشکار می شود. برای اندازه گیری الکترونیک دیافراگم می تواندر یو هر نوه ترانسدیوسر جابه‌جایی عمل کند و یکی از مناسبترین آنها، نوع خازنی است که در شکل 1-13 نشانداده شده است . دیافراگم همانگونه در شکل پیداست از صفحه ثابت عقبی عایق شده است و مقدار ظرفیت خازنی بین دیافراگم و صفحه ثابت قسمیت از مدار روزنانس سک اسیلاتور را تشکیل می دهد. با کاهش فضای بین دیافراگم و صفحه ثابت ، همانگونه که در شکل 1-13 b مشاهده می شود ظرفیت خازنی افزایش یافته و بنابراین فرکانس روزنانس اسلاتور کاهش می یابد.
شکل 1-12 قانون فشار سنج آنه روئید. فشار سنج معمولی دارای یک کپسول آنه روئید است که آب بندی شده و فشار داخل آن پایین است. تغییرات فشار داخلی باعث می شود دیافراگم حرکت کند و در فشار سنج معمولی این حرکتها توسط مجموعه ای از اهرمها تقویت می شوند.
شکل 1-13 کپسول آنه روئید (a) جهت اندازه گیری فشار. این کپسول در مقایسه با فشار سنج خانگی از نوع ترتیب داخل- بیرون است. فشار مورد اندازه گیری به داخل کپسول اعمال می شود، در شرایطی که در بیرون کپسول فشار اتمسفری و یا یک فشار ثابت دیگر حاکم است . حرکت دیافراگم و صفحه ثابت تغییر کند و این تغییر ظرفیت خازنی را می توان به صورت الکترونیکی آشِکار و اندازه گیری کرد. رابطه ریاضی بین ظرفیت خازنی و فضای بین دو صفحه خازن در قسمت b آورده شده است.
این روش دارای سیستم آشکارسازی بسیار حساسی است و براحتی قابلیت تنظیم وکالیبره شده را دارد. اگرچه ساختن دیافراگم نازک فلزی چین دار باعث می شود سنسور فقط برای آشکار 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 شکل صفحه ای کوچک ساخته و در داخل ظرف مربوطه پیچ کرده و یا با جوشکاری محکم و ثابت کرد. هر چقدر سطح مقطع کمتر باشد، برای حس کردن فشارهای بالا مناسب تر است، به دلیل اینکه 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 که مورد استفاده برای صفحه حساس به فشار و دیافراگم نیز بایستی متناسب با گاز و یا مایعی باشد که 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 کند.
رلوکتانس: رلوکتانس مغناطیسی، مانند مقاومت الکتریکی است که با تولید فلوی مغناطیسی درماده مخالفت می کند. در موقع استفاده از دیافراگم فرومغناطیسی، یک روش حس کردن مناسب استفاده از رلوکتانس متغییر است. این روش در شکل 1-14 نشان داده شده است. فشار سنجهای از نوع رلوکتنس متغیر معمولاً جهت اندازه گیری اختلاف فشارهای نسبتاً بزرگ به کار می روند و بوضوح نمی توان از آنها در جائی که دیافراگم با ماده کم تحلازم است استفاده کرد. این روش را می توان در موردگازها و جهت محدوده فشارهای بیشتر و یا کمتر از فشار اتمسفر مورد استفاده قرار داد.
کپسول فشار سنج آنه روئید فقط یک نمونه از فشار سنج است که از اثر فشار روی موارد الاستیک استفاده می کند. نوع دیگر فشار سنج که خیلی معمول است، لوله مارپیچ نام دارد و در شکل 1-15 نشان داده شده است. روش کار این فشار سنج بدین شکل است که 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 کار برد، به طوری که این روش می تواند هم در مورد تغییرات فشار کم و هم در مورد تغییرات فشار زیاد مورد استفاده قرار گیرد. مشکل اصلی که به الکترونیک دستگاه مربوط می شود عبارت است از تبدیل حالتهای پیچیده شدن و یا باز شدن مارپیچ به سیگنالهای الکترونیکی و یک راه حل معمولی برای این مشکل اتصال دادن یک پتانسیومتر به فشارسنج است.
روش دیگر تبدیل انرژی استفاده از کریستال پیزوالکتریک است، که معمولآً از جنس نیترات باریم بوده وبرای حس کردن جابه جایی دیافراگم متصل به کریستال و یا آشکار کردن مستقیم فشار به خود کریستال به کار می رود. همانگونه که قبلآً اشاره شد این روش در مرود اندازه گیری تغییرات دوره ای کوتاه به کار می رود و برای اندازه گیری فشار پایدار کمتر از این روش استفاده می شود.
روش دیگر تبدیل انرژی استفاده از کریستال پیزوالکتریک است، که معمولاً از جنس نیترات باریم بوده و برای حس کردن جابه جایی دیافراگم متصل به کریستال و یا آشکار کردن مستقیم فشار به خود کریستال به کار می رود. همانگونه که قبلاً اشاره شد این روش در مورد اندازه گیری تغییرات دوره ای کوتاه به کار می رود و برای اندازه گیری فشار پایدار کمتر از این روش استفاده می شود.
در مورد تعداد کمی از گازها، می توان کریستال پیزو الکتریک را مستقیماً در معرض گاز قرار داد، به طوریکه ولتاژ آشکار شده در دور سر کریستال پیزو الکتریک متناسب با فشار (تغییرات فشار) روی کریستال اندازه گیری شود در موقع اندازه گیری فشار مایعات و گازهایی که خوردگی ایجاد می کنند، بهتر است که اندزه گیری فشار بهروش غیر مستقیم انجام شود، بدین صورت که صفحه ای را در معرض فشار مورد نظر قرار دهیم به گونه ای که مقدار فشار را به کریستال منتقل کند. شکل 1-16 روش کار را نشان میدهد. این نوعحسگر دارای این امتیاز است که کلاً پسیو بوده به طوری که هیچ نیازی به منبع تغذیه برای اسیلاتور و کار اضافی جهت اندازه گیری فرکانس ندارد. تنها به وسیله یک ویامتر با آمپدانس ورودی بالا و یا یک تقویت کننده تناسبی می توان فشار را اندازه گیری کرد و اگر حسگر فوق جهت کلید کردن یک مدار مورد استفاده قرار می گیرد می توان خروجی کریستال را مستقیمآً به یک تقویت کننده عملیاتی از نوع FET فرستاد و سپس به مدار کلید وصل کرد.
شکل 1-14 سیستم حس کننده از نوع رلوکتانس (مقاومت مغناطیسی) متغیر. حرکت دیافراگم باعث تغییرات قابل ملاحظه ای در رلوکتانس مسیر مغناطیسی و در نتیجه سبب تغییرات در اندوکتانس سیم پیچی می شود.
فشار سنجهای پیورزیستیو، پیزوالکتریک و خازنی را می توان با استفاده از روشهای ساخت نیمه هادی بسادگی تولید کرد. شکل 1-17 روش تولید فشار سنج پیزورزیستیو روی یک زیر لایه سیلیکونی (برای تولید لایه عایق)و سپس نشاندن عناصر پیزورزیستیو و سپس ایجاد اتصالات فلزی را نشان می دهد.
شکل 1-15 سنسور فشار به شکل لوله با سطح مقطع صاف مستطیل شکل
شکل 1-16 استفاده از یک آشکار ساز کریستال پیزوالکتریک که به یک دیافراگم متصل شده و به منظور تشخیص تغییرات فشار به کار می رود.
شکل 1-17 یک عنصر فشار سنج از جنس نیمه هادی پیزورزیستیو
قطعات پیزو الکتریک و مدولهای فشار سنج خازنی را می توان با استفاده از همین روشها تولید کرد.
1-5 فشار گازی کم
اندازه گیری فشار گازی کم یک موضوع تخصصی تر است. فشارهایی که فقط بهمقدار کمی پایین تر از فشار اتمسفر تا حدود kPa 100 را می توان توسط همان وسایلی که در مورد فشارهای بالا استفاده می شوند اندازه گیری کرداما اگر فشار مورد اندازه گیری خیلی پایین، به عنوان مثال در محدوده خلاء باشد، روشهای فوق کاملاً بالا استفاده هستند. حسگرهای فشار و ترانسدیوسرهایی که برای این محدوده اندازه گیری به کار می روند اغلب به نام گیجهای خلاء معروفند و بسیاری از این گیجها هنوز به واحد میلیمتر جیوه کالیبره و تقسیم بنده شده اند وتبدیل واحد به این صورت که هر mm1 جیوه برابر با Pa3/133 پاسکال است. ناحیه زیاد در محدوده mm 3-10 (حدود 133 پاسکال تا 13/0 پاسکال ) 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 کالیبره کرد.
گیج پیرانی که به نام مخترع آن نام گذاری شده است از این اصل پیروی می کند که در محدوده وسیعی از فشارهای کم، هدایت حرارتی گاز ها متناسب با فشار گاز کاهش پیدا میکند.گیج فوق دارای یک سیم المنت گرم وی ک سیم دیگر به عنوان سنسور است (شکل 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 کرنش سنج مقاومتی بوده، منظور شده است. هنگانی که فشار گاز اطراف سیم پایین می آید مقدار گرمای تشعشع یافته نیز به دلیل دملای نسبتآً پایین سیم گرم بسیارکم است . گیجهای پیرانی که به صورت تجارتی وجود دارند، کانند گیجهای ساخت Leyboold بسیارمحکم بوده و کاربری 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 که هر کدام با دیگری در حدود 4 10(بالا/ پایین) فاصله داشته باشند به صورت کالیبره شده تهیه کرد.
1-6 گیجهای یونیزاسیون
برای اندازه گیری فشارهای خیلی کم و یا خلاء زیاد، همواره از انواع مشخصی از گیجهای یونیزاسیون استفاده می شود. گیجهای مختلفی از این نوع وجود دارند، اما اصول کاراغلب آنها یکسان است و در صورتی که اصول کاریشان درست فهمیده شود تفاوتهایشان براحتی روشن می شود. گیج یونیزاسیون بر اساس استفاده از جریان الکترونها برای یونیزه کردن یک نمونه از گاز محصور در فضایی که فشار مربوط به آن مورد اندازه گیری است کار میکند.
شکل 1-18 گیج پیرانی. یکی از فیلامانها گرم می شود و فیلامان بهدی به عنوانسنسور درجه حرارت تعبیه شده است. مقدار مقداومت فیلامان سنسور اندازه گیری می شود. با کاهش فشار هوای اطراف فیلامان، مقدار گرمای انتقال یافته از فیلامات گرم به فیلامان سنسور نیز کاهی می یابد و تغییر مقاومت فیلامات سرد متناسب با تغییر در فشار می باشد.
سپس یونهای مثبت گاز به سمت الکترودی که 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 که قرائت جریان یونها متناسب با فشار گاز باشد در مورد یک شکل هخندسی ثابت از گار (شکل 1-19) و برای سطح ثابتی از انتشار الکترونها این تناسب نسبتاً عادلانه به نظر می رسد. محدوده گیج تا حدود (Pa 013/.) mm 7-10است، که در حدود فشار مورد نیاز برای خالی کردن لامپهای رادیویی و لامپهای پرتوکاتدی مخصوص است.
جدی ترین مسئله در استفاده از یک گیج یونیزاسیون آن است که احتیاج به انتشار الکترون در یک فضایی است که خلاء کامل نباشد. نوع منتشر کننده الکترون که استفاده می شود منتشر کننده کاتد گرم و یا گیج بایارد آلپر نام دارد که شامل یک فیلامان تنگستن است. زمانی که فشار گاز خیلی زیاد است چنانچه این کاتد خیلی گرم شود (بیش از mm 3-10، Pa 133)، آنگاه فیلامان به طور معکوس تحت تاثیر قرار میگیرد، اگر طبق معمول گازی که فشارآن کاهش یافته هوا باشد، عمل فیلامان در این فشارها باعث اکسیداسیون می شود که باعث خراب شدن انتشار الکترون و یا سوختن فیلامان می شود و اگر گیجهای کاتد گرم مورد استفاده قرار گیرند در رابطه با دیگر گیجها، معمولاُ‌در گیجهای پیرانی، امکان این هست که منابع تغذیه به یکدیگر به صورت الاکلنگی متصل شوند به طوری که گیج یونیزاسیون تا زمانی که فشار آنگونه که به وسیله گیج دیگر تعیین می شود، به اندازه کافی کم 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 اینکه فیلامانهای تنگستن ظریف هستند، بایستی یک عدد هد به صورت یدکی وجود داشته باشد.
